深海水下采油树下放安装过程分析与研究_龚铭煊

水下采油树是水下生产系统的重要组成单元， 对其下放安装是钻完井工程的重要组成部分 ，一般 的下放安装步骤如图 1 所示。
图1 Fig. 1
水下采油树下放安装步骤 Key steps for running installment of underwater christmas tree
笔者以 1 500 m 深水水下采油树借助钻杆无导 向安装为例，对水下采油树树体的下放安装过程进 行分析与研究。 水下采油树树体下放安装步骤为： ①将平台从指定位置移开，校验树体阀门状况； ② 提起采油树，移除下部支撑装置，下放采油树到指 定区域； ③借助 ROV （ 水下机器人） 对采油树和井 口进行最后一次检查，下放采油树至井口一定距离 （ 约 15 m） 处，将平台移回指定位置； ④ 确认水下 采油树井口连接器是解锁状态； ⑤ 记录悬挂重力； ⑥设置钻柱补偿装置至指定的着陆力 ，调整树体方 位至指定朝向； ⑦ 缓慢地下放采油树到井口头上， 释放指定的悬挂力； ⑧ 借助 ROV， 确认采油树已 经完全坐放在井口头上； ⑨释放全部采油树重力。 1. 2 主要安装阶段 水下采油树下放安装过程所处环境极为复杂， 不仅受到海流和海浪的作用，还受到上部平台运动
3 3 度 7. 850 × 10 kg / m ， 弹性模量 210 GPa， 海水密 3 3 度 1. 025 × 10 kg / m ，拖拽力系数 0. 65 ，横向流体
u— — —来流加速度； v— — —圆柱横向运动加速度；
CD — — —拖拽力系数； Cm — — —附加质量。 变形后的一个钻杆微段如图 4 所示。微段的静 力微分方程为： EI 式中 d4 y d2 y dy － T －w － f（ x） = 0 dx d x4 d x2 （ 2）
Research on the Running Installment Process of Deep Sea Underwater Christmas Tree
Gong Mingxuan Liu Zaisheng Duan Menglan Wang Jianguo Zhang Minghui
( Offshore Oil ＆ Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing) Abstract: The running installment technological process of deep sea underwater christmas tree was analyzed．
2013 年
第 41 卷
第4 期
龚铭煊等: 深海水下采油树下放安装过程分析与研究
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的安全、可靠，对水下采油树下放安装过程进行分 析与研究必不可少。目前，国内外对水下采油树安 装的研究大多局限于下放技术和施工方案的探讨 。 Robert Voss 等对水下采油树的安装工艺和水下采 油树安装过程中的主要技术问题进行了详尽的阐 ［1 － 6 ］ 。林秀娟等［7］建立了水下采油树下放过程钻 述 柱力学分析模型，通过对模型进行数值求解，在不 同影响因素下对钻柱的横向位移 、漂移角、弯矩和 剪力进行分析。上述研究都缺少对水下采油树整个 安装程序的全面考虑，无法对水下采油树下放安装 的各个阶段做出精确分析。笔者综合考虑不同阶段 和不同环境因素的影响， 通过对安装过程进行分 析，建立了水下采油树下放安装过程下放钻杆的力 学分析模型，并对模型进行了计算分析。
当柱状物轴向尺寸远大于径向尺寸时 ，工程上
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机
械
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常用莫里森公式计算波流力对它的作用 。 1 f （ x ） = ρC D R u － v （ u － v） + 2 式中 ρSu' + C m ρS（ u － v） — —流体 （ 海水） 密度； ρ— S— — —圆柱面积； R— — —圆柱直径； u 、v— — —来流速度及圆柱横向运动速度；
图4 Fig. 4
下放钻杆微段受力
Microsegment force of running drillpipe
波浪力计算公式为： F = ρV（ 1 + C A ） v p + 式中 V— — —有效体积； CA — — —附加质量系数； vp — — —水质点速度。 海流力计算公式为： f = C D ρRv2 h /2
惯性系数为 1. 2 ， 横向附加质量系数为 0. 2 。 波浪 参数见表 1 ，海流参数见表 2 ， 平台偏移量见图 6 。 计算中选取 1 a 重现期的波浪和海流参数。
f （ x） — — —侧向载荷； EI— — —钻杆的抗弯刚度； T— — —轴向张力； w— — —线重力密度。
图5 Fig. 5 下放钻杆的有限元模型 FEM model of running drillpipe
The loads and boundary conditions at different installment stages were determined． Then，the mechanical analysis model of drillpipe running in the running and installment process of underwater christmas tree was established． The finite element calculation of the model was conducted． The stress，lateral displacement and deformation of running drillpipe under the effects of different boundary conditions and different loads were analyzed． The findings show that in the running installment process of the christmas tree the maximum stress produced by the running drillpipe will reach 166. 064 MPa due to the combined effect of wave，ocean current and platform migration． The total maximum stress near the running drillpipe and platform connection reaches 137. 841 MPa when christmas tree is not installed in place and not connected with underwater wellhead． The maximum lateral displacement of the lower end of running drillpipe may reach 59. 64 m． The total maximum stress in the 40 mdeep place reaches 166. 064 MPa when christmas tree is installed in place and connected with underwater wellhead． Key words: deep sea; underwater christmas tree; running installment; finite element calculation; migration volume 是一套复杂的系统工程，对其下放安装有多种不同 方法，可分别借助钻杆、绞车以及摆动安装等。水 下采油树的安装正向着水更深、环境更复杂和控制 难度更大的方向发展。为保证水下采油树安装工程
· · · ·
（ 2 ） 钻杆在自重和外部载荷作用下属小应变大 变形问题； （ 1） （ 3 ） 平台偏移、波浪、海流和钻杆运动同处一 个平面。 2. 2. 1 建立有限元模型 水下采油树下放钻杆有限元计算模型如图 5 所 示。选取水下采油树质量为 50 t， 钻杆外径 139. 7 mm （ 5. 5 in ） ， 钻杆壁厚 10. 54 mm， 钻杆材料密
的影响。整个安装过程非常复杂，不同的安装阶段 下，环境载荷和边界条件各不一样。通过对水下采 油树下放安装工艺的了解，将其下放安装过程简化 为如图 2 所示的几个主要阶段。
图2
水下采油树下放安装的几个主要阶段 Main stages of running installment of underwater christmas tree
0
引
言
水下采油树的设计、制造、安装、维护和回收
* 基金项目： 国家 863 计划海洋技术领域重点课题 “水下采油树关键技术研究及成套设备研制 ” （ SS2012AA090306 ） ； 国家 973 项目 “深海工程结构的极端环境作用与全寿命服役安全 ” 之子课题 2 “深海柔性结构的非线性流固耦合振动与破坏机理” （ 2011CB013702 ） 。
2
2. 1
下放安装阶段力学计算及结果分析
力学模型建立
水下采油树下放安装过程下放钻杆的力学模型 如图 3 所示。
图3 Fig. 3
水下采油树下放安装过程受力示意图 Force diagram of running installment process of underwater christmas tree
参 数
·
1 ρC Sv v 2 D p p
（ 3）
Fig. 6
图6 表1 Table 1
平台偏移量 波浪参数 Wave parameters
1 a 重现期 8. 7 8. 5 16. 2 12. 4 100 a 重现期 15. 0 10. 4 28. 0 15. 2
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CHINA PETROLEUM MACHINERY
深海水下采油树下放安装过程分析与研究
龚铭煊 刘再Байду номын сангаас 段梦兰 王建国 张明辉
( 中国石油大学 ( 北京) 海洋油气研究中心)
*
摘要： 通过对深海水下采油树下放安装工艺流程进行分析 ， 确定了不同安装阶段的载荷情况 和边界条件，建立了水下采油树下放安装过程下放钻杆的力学分析模型 ， 对模型进行了有限元计 算，分析不同边界条件和载荷作用下下放钻杆的应力、 横向位移和变形情况。 分析结果表明，深 海水下采油树下放安装过程中，下放钻杆在波浪、海流和平台偏移的共同作用下，会产生较大应力， 最大应力值达到 166. 064 MPa； 水下采油树还未安装到位与水下井口连接的工况条件下，下放钻杆与 平台连接处附近承受的最大总应力为 137. 841 MPa，下放钻杆下端横向位移最大可达 59. 64 m； 水下 采油树安装到位并与井口连接的工况条件下，水深 40 m 附近总应力达到最大为 166. 064 MPa。 关键词： 深海； 水下采油树； 下放安装； 有限元计算； 偏移量 中图分类号： TE952 文献标识码： A doi： 10. 3969 / j. issn. 1001 － 4578. 2013. 04. 012
Fig. 2
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1. 1
安装工艺
安装步骤
阶段 1 ： 下放经过月池， 穿越飞溅区， 刚刚没 入水中，水下采油树树体本身受到波浪力的影响最 大，较易产生树体倾覆等事故。 阶段 2 ： 已经下放 到一定水深，水下采油树及下放钻杆受到波浪力和 海流力的共同作用。阶段 3 ： 下放到距离井口一定 距离 （ 约 15 m） 处，接近海床处海流影响可以忽 略，此阶段下对下放钻杆起主要作用的是海浪和海 流。阶段 4 ： 水下采油树已经完全坐放在水下井口 头上，下放钻杆受到海浪和海流作用的共同影响 ， 下端与井口头固定，上部平台的偏移对下放钻杆的 作用也不可忽视。 水下采油树下放安装一般会选择适宜的天气状 况，阶段 1 和阶段 2 下放水深较浅，便于操作、 控 制，笔者拟重点分析阶段 3 和阶段 4 。