基于OrcaFlex的水下采油树钻杆下放影响因素敏感性分析

黄 熠 ，王尔钧 ，张 崇，孟文波，同武军，赵维青，赵苏文，段明付

(1.中海石油(中国)有限公司 湛江分公司，广东 湛江524057；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术深水钻采技术公司，广东 湛江524057)

自从海洋油气开采提升到国家战略，各油田公司纷纷加大在海洋的油气开采力度。水下采油树是水下生产系统进行海洋油气开采的关键装备，在石油开采中扮演者不可替代的作用[1-3]，其具有质量大、结构复杂等特点，多变的海况给下放安装带来极大的挑战[4]。

钢丝绳直接吊装和钻杆下放安装是水下采油树的主要安装方法，目前已有很多高校和研究人员对水下采油树的安装进行了相关研究。周美珍等[5]基于平台月池安装，并对平台偏移、采油树质量、环境参数、钻杆参数等因素展开对水下采油树不同安装阶段进行分析研究；欧阳赛赛等[6]建立了三维流固耦合计算模型，研究了浅水采油树钻杆下放过程的应力情况和横向偏移响应；脱浩虎等[7]基于水动力学软件OrcaFlex建立了水下采油树钻杆下放的分析模型，研究了环境因素对下放过程动态响应的影响；张伟国等[8]基于钢丝缆绳和钻杆2种下放方案的特点，研究了这2种下放安装方法下入500 m水深，水下采油树运动响应情况与钻杆受力分布情况，同时研究了环境因素对2种下放安装方法的敏感度；汤建冬等[9]基于材料力学小变形梁理论构建采油树钻杆下放模型，采用有限差分法数值求解，并与OrcaFlex软件计算结果展开对比验证研究；Thomas等[10]详细分析了水下采油树的下放安装工艺；R.VOSS等[11]详细阐述了水下采油树的安装工艺，并记录下放过程的相关技术问题。王莹莹等[12]利用OrcaFlex水动力学软件研究了不同环境下1 500 m水深水下管汇安装工艺过程中钻杆的受力情况，计算得到钻杆顶端部分属于危险部分；顾纯巍等[13]研究了不同影响因素对水下应急封井装置下入过程中钢丝缆绳最大受力和装置运动响应的影响。

由此可见，水下采油树的钻杆下放受力极为复杂，为了解决水下采油树钻杆下放过程中出现的技术问题，以及下放安装过程中钻杆的相关受力问题，笔者基于OrcaFlex水动力学软件进行数值仿真，针对东方1-1气田海域水深73 m，开展水下采油树下放过程影响因素敏感性分析。研究结果将对水下采油树的下放安装起到一定的参考作用。

1 钻杆下放受力模型分析

水下采油树钻杆下放过程主要分为5个阶段。第1阶段为装船固定阶段，第2个阶段为提升操作阶段，第3个阶段为穿越飞溅区阶段，第4个阶段为深水下放阶段，第5个为与井口对接阶段。不同阶段所受载荷和边界条件不同，本文主要对水下采油树钻杆下放过程环境影响展开研究，因此选择第4阶段研究。目前对于钻杆下放海洋装备动力学研究主要利用材料力学小变形梁理论和有限元分析方法[14]。

建模时做如下假设：

1) 钻杆的材料为均匀各向同性的。

2) 环境参数的运动与平台及钻杆的运动在同1个平面内。

3) 钻杆受外力变形属于小变形。

水下采油树钻杆下放过程受力分析模型如图1所示。

图1 水下采油树钻杆下放过程受力分析模型

由钻杆的受力分析模型可知，钻杆主要受到海流力、波浪力、重力、浮力、张紧力和弯矩等载荷，将受力变形后的钻杆划分为n个微分单元，由挪威船级社DNV RP-C205规范[15]可计算钻杆第i个微分单元所受水动力载荷Fi和采油树所受水动力Fc。

(1)

(2)

式中：i=1，3，…，n；ρ为海水密度，kg/m3；Cd为钻杆水平拖曳力系数；CD为采油树水平拖曳力系数；CM1为钻杆惯性力系数；CM2为采油树性力系数；d为钻杆外径，m；vi为第i个微分单元处的海流流速，m/s；μ为波浪引起的水质点速度，m/s；Ap为采油树水平拖曳力面积，m2；H为缆绳微分单元的高度，m；V为水下采油树的排水体积，m3。

钻杆微分单元的自重力Gi可表示为：

Gi=ωg·dx

(3)

式中：ω为线密度，kg/m。

微分段的力学微分方程可表示为：

(4)

Ti=Fxicosθ+Fyisinθ

(5)

Fxi=(Gc-Ff)+ω(n-i)dx·g

(6)

(7)

式中：EI为钻杆的抗弯刚度，N/m2；Ti为轴向张力，N；θ为钻杆微元与竖直方向的夹角，rad；Gc采油树为采油树产生的重力，N；Ff为水下采油树的浮力，N。

2 水下采油树钻杆下放仿真分析

水下采油树主要由采油树下放工具、本体、阀组和框架等组成。基于半潜式平台模型参数，利用OrcaFlex软件进行绘制，该平台的水动力学参数主要由RAO算子决定，水下采油树的本体和下放工具利用6D buoy浮体建模，框架和相关阀组利用Shape中的Elastic solid进行建模，再将不同部分连接。水下采油树下放安装耦合系统模型如图2所示。

图2 水下采油树下放安装耦合系统模型

2.1 环境参数的设定

本文主要研究东方1-1气田的风、浪、流等环境参数对水下采油树钻杆下放安装过程中的受力和运动响应问题，所以空气、海面、海床等选取默认。

2.1.1 风参数

对于水下采油树所受环境载荷，风载荷的比例占15%。在黏性阻力系数和迎风面积一定的情况下，风速是影响风载荷的关键因素。东方1-1气田风参数如表1所示。

表1 东方1-1气田风参数

2.1.2 浪参数

表2 东方1-1气田波浪参数

2.1.3 海流参数

由于流速数据很少，因此OrcaFlex软件通过在Environment中设置表层流速和海床流速，使用软件自带的Power Law方法形成0～73 m连续不同深度流速曲线图，具体海流参数如表3所示。

表3 东方1-1气田海流参数

2.2 钻杆建模

OrcaFlex中使用Line模型可以模拟钻杆及绳索，它提供3种类型，分别为Homogeneous pipe、Equivalent line和General，其中Homogeneous pipe用于模拟均质管线，Equsivalent line主要用于模拟多层复合管结构，General则用于除这2种之外的其他类型管线，因此选取General作为钻杆的类型。钻杆参数设置如表4所示。

表4 钻杆参数

3 基于OrcaFlex的水下采油树钻杆下放安装敏感性参数仿真研究

3.1 风速对钻杆受力和水下采油树运动响应的影响

由表1知，重现期1 a时平均风速为28.4 m/s， 重现期10 a年时平均风速为41.0m/s，重现期50 a平均风速为50.3 m/s，重现期100 a平均风速为54.2 m/s。风主要是直接作用于钻井平台和引起海水的波动，对采油树的下放造成不可忽视的安全问题，因此展开了对风速这个单一因素的研究。不同风速影响下的钻杆受力状态和采油树运动响应计算结果如表5所示。

表5 不同风速的影响数据

钻杆所受到应力和弯矩极值同样是分布在钻杆的顶端位置，不同风速对钻杆的Von Mises应力以及弯矩(包括x、y方向弯矩)影响总体较小，其中钻杆的上端点的应力以及弯矩随风速增大而增大，钻杆的下端点的Von Mises应力受风速影响较小，弯矩值为0。

不同风速对水下采油树在x、y方向的偏移量和倾斜角度影响较小，主要是因为直接作用在水下采油树上的载荷只有海流载荷，风载荷只能作用于钻井平台，通过与钻杆之间的耦合作用，间接影响水下采油树。采油树在下放过程中最大的偏斜角度在9°左右。

3.2 海流流速对钻杆受力和水下采油树运动响应的影响

海流是制约水下结构物下放的重要因素，其大小变化莫测，但一般海面流速都在0.50～2.04 m/s，2.04 m/s已是百年一遇，故不再对更大的流速进行讨论。本文选择了1.09 m/s(一年一遇)、1.46 m/s(十年一遇)、1.86 m/s(五十年一遇)和2.04 m/s(百年一遇)4种流速。海流主要是作用在钻杆和采油树上，这会给钻杆造成一个很大的弯矩，影响到钻杆的正常使用。通常，钻杆的最大弯矩出现在钻台处，所以研究海流对钻杆受力的影响尤为必要，其他环境条件，浪高选择1 a一遇的情况，浪高6.3 m，周期为8 s；风速选择1 a一遇的平均风速28.4 m/s。不同海流流速影响下的钻杆受力状态和采油树运动响应计算结果如图3～8所示。

大数据时代给管理会计工作带来的不止是机遇也有更大的挑战，新时代的特点就是机会与挑战并存。所以，企业一定要对此加强重视，要紧跟时代潮流，牢牢抓住机遇，整合分析自身的问题，并且结合实际情况对症下药，充分利用大数据的优势为企业的发展谋求更多机遇。

图3 不同流速下钻杆的Von Mises应力

图4 不同流速下钻杆的总弯矩

图5 不同流速下钻杆的不同方向弯矩

从图3～8可以看出，在表层流速从1.09 m/s到2.04 m/s增大的过程中，钻杆顶端受到的弯矩大小随着海流的增大而增大，说明不同流速对钻杆受到的有效张力影响较大。同时，采油树的偏移也随着海流流速的增加而不断增加。

随着海流流速的增大，对钻杆的Von Mises应力以及弯矩(包括x、y方向弯矩)影响较大，同时也能看出钻杆受到的最大Von Mises应力和弯矩均位于钻杆顶端处，百年一遇海流流速时钻杆顶端最大Von Mises应力为818.38 MPa (小于钻杆(S135)的屈服极限930 MP)，最大弯矩为315.68 kN·m，x方向最大弯矩为223.07 kN·m和y方向最大弯矩为223.37 kN·m。

图6 不同流速下的偏移曲线

图7 不同流速下采油树在x、y方向上最大偏移量

图8 不同流速下采油树的倾斜角度

在采油树经过飞溅区时，随着海流流速的增大，采油树的x、y方向偏移量以及倾斜角也增大，且影响较大。

在百年一遇的海况下采油树在飞溅区的x、y方向偏移量以及倾斜角有最大值，分别为9.7 m 、13.2 m和16.4°。

采油树在接近井口时，采油树的倾斜角变化较小，x、y方向偏移量随着钻杆下放长度的增加而缓慢增加。

3.3 浪高对钻杆受力和水下采油树运动响应的影响

浪高是采油树下放过程不可忽视的因素，海浪的波动会引起钻井平台的上下浮动以及左右摆动，这就要求平台具有一定的升沉补偿能力，会形成1个飞溅区域，给采油树的底部形成较大的冲击作用力，同时会间接地影响钻杆的受力情况，也会引起采油树更大的倾斜。不同浪高影响下的钻杆受力状态和采油树运动响应计算结果如图9～13所示。

从图9～10可以看出，随着波浪高度的增大，钻杆顶端的Von Mises应力和弯矩(包括x、y方向弯矩)均增加，说明浪高对钻杆Von Mises应力和弯矩影响较大；当浪高为百年一遇(13.4 m)时，钻杆上下端点的最大Von Mises应力分别为482.9 MPa、56.6 MPa;钻杆的最大弯矩为175.5 kN·m，其中x方向弯矩为129.5 kN·m，y方向弯矩为134.8 kN·m。

图9 不同浪高下钻杆的Von Mises应力

图10 不同浪高下钻杆上端点的弯矩

从图11～13可以看出，随着波浪高度的增大，在采油树经过飞溅区时，采油树的x、y方向最大偏移量以及最大倾斜角也增大，且影响较大。

图11 不同浪高下采油树的偏移量

图12 不同浪高下采油树的偏移极值

图13 不同浪高下采油树的倾斜角

在百年一遇的浪高情况下，采油树的x方向偏移为8.9 m，y方向偏移为9.9 m，采油树的倾斜角为15.2°。

在接近井口时，采油树的倾斜角以及偏移量变化较小，偏移量(x、y方向)随着钻杆下放长度的增加而缓慢增加。但采油树在水中的波动幅度随着浪高的增加而增大。

3.4 方向角对钻杆受力和水下采油树运动响应影响

钻井平台由于结构等的原因，在不同的海况方向会产生不同的运动，从而间接的影响水下采油树的下放，不同海况方向影响下的钻杆受力状态和采油树运动响应如图14～17所示。

从图14～15可以看出，在不同的海况方向激励下，钻杆上端点的Von Mises应力受海况方向的影响较大。当海况方向为0°到180 °方向上时影响相对较小，45°到135°方向上时影响相对较大，其中0°方向有最小值258.8 MPa，135°有最大值552.9 MPa；海况方向对钻杆的下端点的影响较小，在45°有最大值80.5 MPa。钻杆的上下端点的弯矩变化趋势相同，其总弯矩值变化不大，但依然在45°到135°方向有较大值，在0°到180°方向有较小值，可能与采油树的迎流面积相关。

图15 不同海况方向下钻杆的上端点弯矩极值

从图16～17可以看出，在不同的海况方向激励下，采油树经过飞溅区时，海况方向对倾斜角的影响较大，海况方向为180°时采油树有最大倾斜角度值14.0°；在接近井口时，海况的方向对采油树的倾斜角影响较小。

图16 不同海况方向下采油树的倾斜角

图17 不同海况方向下采油树的偏移

采油树的偏移量受海况方向的影响较大，x方向在0°海况方向有最大偏移值5.91 m，y方向在90°海况方向有最大偏移值5.93 m。

3.5 水下采油树敏感性参数分析

水下采油树下放安装耦合系统，在不同环境因素的影响下，展现出不同运动规律和特性[16-17]。水下采油树钻杆下放过程影响因素众多，其中多变的海况是影响其安全下放的一个重要因素，为此对构成海况的单一因素，风速、海流流速、浪高和方向角进行逐一研究，基于对水下采油树下放过程稳定性的影响程度不同，对参数敏感性进行打分评价。水下采油树安装稳定性的参数敏感性分析如表5所示。浪高对采油树安装稳定性的影响最大，其次是流速，方向角的影响较小，风速对采油树安装稳定性的影响最小，其影响大小排序为浪高>海流流速>方向角>风速。

表5 水下采油树敏感性参数分析

4 结论

1) 基于海工软件OrcaFlex建立平台-钻杆-水下采油树多体下放系统仿真模型，同时对水下采油树采用钻杆下放进行模拟仿真。研究了水下采油树在下放过程中横向位移以及倾斜角度的变化情况，同时也采用了钢丝绳下放中一样的控制变量法，模拟分析了风速、流速、浪高以及海况方向等不同因素对水下采油树下放安装过程中的影响。

2) 钻杆所受到的Von Mises应力以及弯矩都主要集中在钻杆上部靠近钻杆顶端处，在钻杆与采油树连接处存在较小应力，没有弯矩集中。应当避免在过大海浪、海流等海况下进行采油树下放作业，否则会造成钻杆的弯曲变形。

3) 在敏感性参数分析方面，风速对下放过程中钻杆受力、弯矩以及水下采油树的运动响应影响很小；海流流速、浪高、海况的方向对其影响较大，其影响大小排序为浪高>海流流速>方向角>风速，其中海流流速和浪高都是正影响。