基于流固耦合的水下井口系统拖曳系数研究

2019年第47卷第3期石油机械CHINA PETROLEUM MACHINERY—47 —◄海洋石油装备黪基于流固耦合的水下井口系统拖曳系数研究钟功祥张言开(西南石油大学石油天然气教育部重点实验室）摘要：分析水下丼口系统力学特性时，需要确定水下丼口系统的拖曳系数。

鉴于此，采用 Hydril公司的防喷器组单元尺寸参数为建模标准，并基于Transocean公司防喷器组的选型依据进行建模。

在ANSYS流固耦合模块中对适用于不同深度的防喷器组型号及该深度下海水水体环境进 行数值模拟。

研究结果给出了适用于不同环境下的水下井口拖曳系数，并表明拖曳系数与传统确 定方法相比具有较大的偏差，其与防喷器组结构尺寸相关明显，与雷诺数关系较小，即在静水体 环境下，防喷器组拖曳系数可近似于仅与其型号有关。

研究结果可为水下井口力学分析提供一定 的参考依据。

关键词：水下井口系统；拖曳系数；阻力系数；流固耦合；防喷器组中图分类号：TE931 文献标识码：A DOI:10. 16082/ki.issn. 1001-4578.2019.03.009 Analysis of Drag Coefficient of Subsea Wellhead SystemZhong Gongxiang Zhang Yankai(MOE Key Laboratory o f Oil & Gas Equipment 9Southwest Petroleum, University)Abstract：Analysis on the mechanical properties of the subsea wellhead system requires the understanding of the system9s drag coefficient.Hydril9s BOP stack dimension parameters are used for modeling.Modeling is con­ducted based on the selection of Transocean9s BOP stack.Numerical simulations of the BOP stacks for different water depths and the corresponding seawater environment are conducted in the ANSYS fluid-structure interaction module.The results offer the subsea wellhead drag coefficient for different environments,which has a large devia­tion compared with that using traditional method.The subsea wellhead drag coefficient has significant correlation with the structure of the BOP stack and has a small relationship with the Reynolds number.That is,in a still water environment,the BOP stack drag coefficient may be approximately only related to its model number.The study can provide a reference for the mechanical analysis of subsea wellhead system.Keywords：subsea wellhead system；drag coefficient；resistance coefficient；fluid-structure interaction；blow­out preventer stack0引百由于我国陆地及近海油气资源的有限性，远离 大陆架的深水油气开发现已成为我国未来能源战略 的重点。

在深水油气开发过程中，由于深水海况及 海床土体参数与陆地及近海环境有着很大的不同，深水油气开发领域往往具有巨大的风险性。

对于深 水领域所采用的半潜式钻井平台来讲，井口系统已 不能如浅水平台一般设置在平台之上，水下井口系 统因而成为了深水钻采工艺中其稳定工作的重要 保证。

水下井口系统主要由水下防喷器组（Subsea BOP)、水下井口头及导向架等子系统构成。

其向*基金项目：西南石油大学石油天然气装备教育部重点实验室2017年度开放课题“深海输流立管多因素联合作用下_合振动与疲劳特 性研究”（OGE201702-26)。

—48 —石油机械2019年第47卷第3期上通过挠性接头连接隔水管系统，向下通过井口头 套管挂连接导管及套管组系统。

水下井口系统整体 受隔水管拖曳力，自体受海流作用力、套管组悬挂 力及导管作用于井口头的地基反力等诸多作用力。

因此，分析在工作环境下的水下井口系统受力情 况，对保证油气钻采工程的安全有效进行具有一定 的参考意义。

分析水下井口系统中防喷器组子系统的受力特 性时，需提前确定其所处环境下拖曳系数以获得其 在海流作用下具体的受力参数。

贾星兰等[1]利用 标准几何体模型，通过量纲分析法研究了拖曳系 数，确定了对一已有模型来讲，拖曳系数c D仅与雷诺数办相关，并通过试验确定了两者的相互关 系。

苏堪华等^]对隔水管拖曳系数取用1.0进行 处理。

林秀娟等[4]在分析水下采油树下放过程中，以拖曳系数非定值为前提，对系统力学特性进行了 分析。

S.E.ZEDLER等[5]考量了在不同海洋环境条件下的拖曳系数与理论确定值的偏差。

在国内外 分析隔水管和管桩等水下结构物的研究中，一般均 采用圆柱体模型并通过雷诺数或经验来确定其拖曳 系数[6_9]。

综上所述，目前在研究海洋结构力学的 相关文献中，确定拖曳系数的传统方法是将防喷器 组假设为具有一定表面粗糙度的圆柱体，并通过计 算流经其海水流体的雷诺数来确定[1°]。

目前在海洋工程领域，一般在研究平台管桩 时，对长径比较大的隔水管系统采用长圆柱体模型 偏差亦不明显，但在水下井口力学特性分析中，对 于表面结构十分复杂的BOP组、井口头及导向架 组成的体系依旧采用圆柱体模型时，则将会与实际 情况产生较大的偏差。

笔者通过对井口系统在不同 深度环境下的具体型号进行建模，并利用ANSYS 中流固耦合模块对井口系统拖曳系数进行了仿真分 析，同时考虑了海水水体在水体表面至工作深度范 围中的各向异性，最终对不同深度下的井口系统拖 曳系数进行了统计分析。

研究结果可为水下井口力通过雷诺数来确定拖曳系数的对应关系如表1所示。

具体操作时，还需考虑桩体上不规则粗糙面 上相对表面粗糙度对拖曳系数的影响。

一般相对表 面粗糙度使拖曳系数增加100%时，其使桩体直径 大约增加207。

表1雷诺数与拖曳系数的对应关系Table 1 Relationship between Reynoldsnumber and drag coefficient在现今的水下井口力学研究领域中，均将水下 井口系统（即包含B0P组、井口头及导向架等结 构的系统）简化为圆柱体模型，在分析海水流体 环境对其的影响时，亦采用设置圆柱体直径及通过 雷诺数来判定其拖曳系数的方法[3，〜12]。

同时，在 分析海水流体环境对水下系统的影响时，也大多将 7jC体视作各向同性的水体，对于水黏度变化对水下 井口系统受载情况的影响少有分析。

2拖曳系数的确定2.1海水流体环境的确定在传统的水下井口力学分析中，拖曳系数CD 通过雷诺数办来确定。

对于水下结构，其仅受海 流力作用。

海流力在流经结构物时，其雷诺数&计算式为：7式中为该深度下最大可能海流流速，D为圆柱 体结构物直径，7为海水水体运动黏度。

、依据美国船舶管理局经验公式确定[1°]:学分析提供一定的参考依据。

1拖曳系数的经验确定方法在计算海洋环境载荷时，需要确定拖曳系数及 惯性系数的大小。

两个系数会直接关系到流体环境 Xt作用力的大小。

文献[1]利用量纲分析法，给出了单一结构体的拖曳系数仅与其所处流体环境下的 流体雷诺数相关的证明。

在海洋结构力学中，拖曳 系数CD—般通过雷诺数办加以确定。

vc -vm(h/H) +vT {h/H Yn(2)式中^m为水面风力海流速度，&为水面表面潮流速度，^为计算深度距海底的高度（即井口系统高 度），为水深[13]。

在式⑴中，海水水体运动黏度y受水温影响 会发生明显变化。

笔者采用我国南海海水水体作为 算例的基本数据，即海水水体表层温度及海水水温 阶跃层深度已知[14_15]。

具体计算数据如表2所示。

依据已知的海水温度与动力黏度的关系及海水 7jc体密度，并忽略海水水体密度随水温的变化2019年第47卷第3期钟功祥，等：基于流固耦合的水下井口系统拖曳系数研究—49 —(变化较小，可以忽略），可算得流经不同型号(BOP组高度变化）的水下井口系统雷诺数，结果如图1所示。

表2海水水体计算参数表Table 2 Calculation parameters of seawater计算参数数值水体深度计算范围/m 250-3 500水体密度/(k g.n T3) 1030表层水体温度/T20水体温度阶跃层深度/m 1000水面潮流速度/(m _s-1) 1.0图1水下井口系统雷诺数分布示意图Fig. 1 Reynolds number distribution ofsubsea wellhead system由图1可知，随着水深变化，水下井口系统雷 诺数迅速下降，并在水温阶跃层以下趋于稳定。

在 深水环境下，据表1可知，水体主要处于超临界区 间，其拖曳系数CD应当在0.6〜0.7之间选取。

2.2拖曳系数的理论分析分析水下结构物受海流载荷时，米用Morison 方程来确定所受的海流力，如式（3)所示：F c =^D j\y cdz(3)式中：pw为海水密度，g为重力加速度，&为海流力大小。

通过式（3)即可获得拖曳系数CD的值。

3水下井口系统选型及建模采用Hydril公司的防喷器组单元的尺寸数据并 以Transocean公司的深水防喷器选型经验作为依据，用于模拟分析的数据及模型如下所示[16_17]。

(1) 1 000 m级井口及B0P组系统：34. MPa(5 000 psi)挠性接头XI，34.47 MPa(5 000 psi)环形 BOPxl，68.95 MPa(10 000 psi)双闸 板 B0PX2，68.95 MPa(10 000 psi)级水下井口 (见图2a);c. 2 500 m级d. 3 000 m级图2水下井口及B O P系统模型图Fig. 2 Model of subsea wellhead and BOP system(2) 2 000 m级井口及BOP组系统：34.47 MPa( 5 000 psi)挠性接头x 1，68. 95 MPa(10 000 psi)环形 BOP x1，68. 95 MPa(10 000 psi)双闸板 B0Px2，68.95 MPa(10 000 psi)级水下井口（见图2b);(3) 2 500 m级井口及BOP组系统：68.95 MPa( 10 000 psi)挠性接头x 1，103. 42 MPa(15 000 psi)环形 BOPxl，103. 42 MPa(15 000 psi)双闸板 B0Px2，103.42 MPa(15 000 psi)剪切或变径芯子单闸板BOP x 2，103. 42 MPa (15 000 psi)级水下井口（见图2c);(4) 3 000 m及以上级井口及BOP组系统：68.95 MPa( 10 000 psi)挠性接头X I，103.42—50 —石油机械2019年第47卷第3期单位:m/s.250 m 水深（流速）y1.160e+08 Max1.031e+05 90 218 77 334 64 450 51566 38 682 25 798 12 914 29.823 Min 单位：Pab . 250 m 水深（应力）5.88e-5.46e 5.04e 8.41e-01 7.98e-01 7.56e-01 7.14e-016.72e-01 6.30e-01 -01 ;-01 ;-014.62e-01 4.20e-01 3.78e-01 3.36e-01 2.94e-01 2.52e-01 2.10e-01 1.68e-01 1.26e-01 8.41e-02 4.20e-02〇图3水体海流速度分布示意图Fig. 3 Current velocity distribution of seawatery单位：m/s1.071e+05 Max95 223 83 324 71424 59 524 47 625 35 725 23 825 11925 25.708 Min 单位：Pa.3 500 m 水深（流速）d . 3 500 m 水深（应力）图4水下井口应力和流速分布Fig. 4 Stress distribution and current velocity of subsea wellheadMPa ( 15 000 psi )环形 BOP x 1，103. 42 MPa (15 000psi )双闸板 B 0PX 2，103.42 MPa (15 000 psi )剪切或变径芯子单闸板B 0Px 2，103. 42 MPa (15 000 psi )级抗疲劳水下井口（见图2d )。