波流作用下的張力腿平臺頂張緊式立管干涉分析

石 云，周曉東，曹 靜，劉小燕

(1. 中海油研究總院，北京 100028；2. 北京高泰深海技術有限公司，北京 100011)

波流作用下的張力腿平臺頂張緊式立管干涉分析

石 云1，周曉東1，曹 靜1，劉小燕2

(1. 中海油研究總院，北京 100028；2. 北京高泰深海技術有限公司，北京 100011)

頂張緊式立管(TTR)是張力腿平臺(TLP)的關鍵部分之一。TTR之間干涉的風險隨著水深的增加而增加，因而立管之間的干涉評估也就變得越來越重要。如果因干涉引起的碰撞力或參與碰撞的能量足夠大，則有可能會在立管的某區域產生損傷，降低立管的使用壽命，甚至危及平臺的安全。針對某油田開發方案設計工作，對井槽間距的設置以及立管干涉分析進行研究，并對影響立管干涉性能的主要因素開展敏感性分析，為立管的研究及設計提供參考。

張力腿平臺；頂張緊式立管；干涉；敏感性分析

0 引 言

張力腿平臺(TLP)在深水油氣開采中得到了廣泛的應用。頂張緊式立管(TTR)是TLP的關鍵部分，它連接水下井口與平臺，十分重要。TTR通常是由一系列的鋼管在頂部通過張緊設施與TLP連接，底部與固定于井口上的應力節點等連接的立管結構型式[1]。對于緊密排列的頂張緊式立管，相近立管動力行為的失諧導致不同立管具有不同的動力響應。在服役期間，其運動行為主要受到張力腿平臺的運動、波和流的影響，使得相鄰立管在某水深處可能發生干涉造成損傷，降低立管的使用壽命，甚至會危及平臺的安全[2]。

本文以某油田TLP為基礎，對井槽間距的設置以及TTR的干涉分析進行研究，并對影響TTR干涉性能的主要因素開展敏感性分析，為今后TTR的研究和設計提供參考。

1 立管井槽間距確定的原則

在確定TTR井槽間距時，至少需要滿足以下兩點要求：

(1) 需要保證立管下放過程中(或者操作期間)具有足夠的間隙來滿足水下機器人(ROV)對操作空間的要求。

(2) 相鄰立管之間在極端條件環境下不發生碰撞，或者是偶爾碰撞但不會對立管造成損壞。

立管之間的間距越大，相鄰立管發生碰撞的可能性越小，但是需要占用TLP平臺組塊更大的面積，同時鉆機滑軌的間距也會相應加大，這些因素都會造成組塊重量的增加，從而可能引起TLP投資的增加。所以設計原則是:在滿足ROV操作空間要求和TTR不發生干涉的前提下，盡可能縮減井口間距。

2 立管干涉分析方法

2.1 立管間隙確定原則

立管的干涉分析通常有兩種設計思路[3]。第一種是在極端工況下不允許立管發生碰撞，另外一種是允許在極端工況或者偶然工況下立管之間發生碰撞，但是需要保證碰撞后立管的結構完整性不會受到損壞。對于大部分工程項目，都是選擇立管在極端工況下不發生碰撞進行設計。本文也是基于立管不發生碰撞的條件來進行干涉分析的。

根據DNV-RP-F203規范[3]推薦，如未考慮相鄰立管可能發生的渦激振動，要保證相鄰立管不發生碰撞，需要滿足相鄰立管的凈間隙Δ≥D1+D2，其中D1，D2分別為相鄰立管的外徑，如圖1所示。

圖1 干涉最小間距準則Fig.1 Minimum spacing criterion

2.2 分析軟件及模型

本文主要采用商用軟件OrcaFlex進行TTR的干涉分析[4]，上游立管對下游立管的尾流效應在軟件中采用HUSE模型[5]。根據API RP 2RD[6],上游立管產生的尾流會減小作用在下游立管上的流速，從而導致相鄰立管之間的間隙縮小，甚至發生碰撞。所分析的TTR由外套筒和油管組成，分析采用等效模型將多層管的TTR簡化為單層管結構進行建模。為了使等效管所受外力以及彎曲、拉伸特性不發生變化，等效管的外徑與套筒的外徑相同，等效管的截面積是套筒和油管截面積之和，等效截面慣性矩是套筒和油管慣性矩之和，等效管的重量是外套筒和油管重量之和。

3 目標油田TTR干涉分析

3.1 環境條件

本文以某油田環境條件為設計基礎。該油田范圍平均水深為404 m，百年臺風條件下最大波高為23.5 m，百年臺風條件下表層流速為2.49 m/s。由于目標油田海域內孤立波頻繁發生，在立管設計過程中應該充分考慮。根據本項目環境專業提供的資料，內孤立波在工程應用上當成流來處理，并與一年一遇季風條件下的流進行疊加(內波在本文中只作為環境專業提供的基礎數據，對于內波的機理不作詳細探討)；一年季風條件下表層流速為0.99 m/s，內波流表層流速為1.55 m/s。

3.2 立管基礎數據

該TLP平臺設有16個井槽?？紤]ROV的操作空間，井槽中心間距初步設置為4.5 m。立管基礎參數如表1所示，立管設計年限為20年。

表1 立管基礎設計參數Table 1 Riser design parameters

3.3 立管干涉分析結果

為了保證立管之間不發生干涉，需要針對相鄰立管在不同狀態下開展相關分析，主要有以下3種情況：

(1) 生產立管(正常生產狀態)與鄰近的生產立管(正常生產狀態)；

(2) 生產立管(正常生產狀態)與鄰近的生產立管(完井或修井狀態)；

(3) 生產立管(正常生產狀態)與鄰近的鉆井立管。

針對以上3種情況，均需要考慮極端工況(百年臺風)以及內波工況(一年季風+內波)進行校核。校核結果如表2～4所示。

表2 生產立管與鉆井立管干涉分析結果Table 2 Interference analysis results of production TTR to drilling TTR

表3 生產立管與生產立管干涉分析結果Table 3 Interference analysis results of production TTR to production TTR

表4 生產立管與生產立管(完井/修井工況)干涉分析結果Table 4 Interference analysis results of production TTR to production TTR (completion/workover)

從上述數據可以看出，生產立管與相鄰鉆井立管之間的間隙值最小。這是因為相比于生產立管之間，生產立管和鉆井立管管徑相差較大，在海流作用下，相鄰生產立管和鉆井立管變形的差異較大，立管之間的間隙較??；而相鄰生產立管由于變形相對一致，間隙則較大。但分析結果顯示，相鄰立管之間的間隙均大于兩立管直徑之和，滿足DNV-RP-F203規范要求，因而該油田TLP方案中立管之間不發生干涉。

4 相鄰頂張緊式生產立管干涉敏感性分析

對立管干涉分析影響較大的兩個因素是頂張力系數(TTF)和立管的拖曳力系數Cd[7]。TTF通過調整張緊器來進行調節，主要影響立管的張力。立管的拖曳力系數因選擇的渦激振動(VIV)抑制裝置(Strake還是Fairing)不同而差異較大，從而對立管干涉分析影響較大。下面分別針對這兩個因素開展敏感性分析。

4.1 頂張力系數敏感性分析

頂張力系數是作用在立管上的頂張力與立管張力環以下部分立管的濕量之比。在其他設計參數不變的情況下，分別選取頂張力系數為1.6，1.8，2.0，2.2四組數據進行對比計算分析，得出不同頂張緊力系數時生產立管之間的最小間隙，結果如圖2所示。

圖2 頂張力系數敏感性分析Fig.2 Sensitivity analysis for TTF

從圖2可以看出，立管頂張力系數增大，立管之間的最小間隙值也隨之增大,這主要是因為作用在立管頂部的張力越大,立管被拉伸得越緊,在海流作用下發生的變形越小,立管之間的間隙也就越大?？梢?，增加頂張力能夠有效增加立管之間的最小間隙，有效減輕立管之間的干涉現象。然而隨著頂張緊力系數的增大,對張緊器能力的要求將相應地提高，同時對平臺施加的垂向載荷也更大。因此，對設計者而言，需要綜合考慮對平臺施加的載荷、立管干涉和張緊器選型來選取合適的頂張力系數。

4.2 拖曳力系數敏感性分析

由于該油田區域流速較大，需要在高流速區域的立管部分增加VIV抑制裝置來減小立管的VIV效應，從而保證立管的疲勞壽命能滿足要求。目前業界應用的VIV抑制裝置有Strake和Fairing兩種，這兩種裝置都能有效地抑制VIV的發生，從而大大提高立管的疲勞壽命。但是這兩種抑制裝置的拖曳力系數差別較大：Strake具有較大的拖曳力系數，通常大于1.2；而Fairing的拖曳力系數通常較小，為0.5～0.7。

為了研究采用Strake或者是Fairing立管干涉的影響，本文分別取立管拖曳力系數為0.5、0.7、0.9、1.2計算立管間隙最小值，計算結果如圖3所示。

圖3 百年臺風條件(流最大)下拖曳力系數敏感性分析Fig.3 Sensitivity analysis for drag coefficient

從圖3可以看出，立管最小間隙隨著拖曳力系數的增大而減小。百年臺風條件(流最大)下，拖曳力系數為0.5時，相鄰生產立管之間間隙大于2.5 m；拖曳力系數為0.7時，相鄰生產立管之間間隙大于1.5 m，仍可以滿足規范要求；但當拖曳力系數增加到0.9甚至1.2時，相鄰生產立管已經發生了碰撞。事實上，如果選用Strake作為VIV抑制裝置，拖曳力系數大于1.2，井槽間距需要從4.5 m增加到6 m以上，對平臺的影響較大。所以，針對本項目，綜合考量各方面的因素，立管采用Fairing作為VIV抑制裝置。

5 結 語

本文以某油田為設計基礎，對井槽間距的選擇、頂張緊式立管的干涉分析及敏感性因素進行研究，得到了如下結論：

(1) 在綜合考慮ROV操作空間及立管干涉分析的基礎上，初步選定的4.5 m井槽間距是合理的。

(2) 生產立管與鉆井立管之間發生干涉的可能性最大，需要重點關注。

(3) 提高立管頂張力系數有利于降低立管之間發生干涉的風險。但頂張力系數的增加對張緊器、平臺結構和立管結構都會造成影響，需要綜合考慮予以確定。

(4) 拖曳力系數對立管之間的間隙影響很大；在選取VIV抑制裝置時，需要綜合考慮可能對立管干涉帶來的影響。

綜上所述，頂張緊式立管之間的干涉行為受多種因素的制約和控制，在設計中需要將多種因素綜合考慮，合理確定各參數取值。

[1] 中海石油研究中心.深水立管選型報告[R].2011.

[2] 馬強，田榮濤.深水立管之間的碰撞過程數值仿真[J].中國工程機械學報，2007，5(2)：177.

[3] Det Norste Veritas. DNV-RP-F203. Riser interference[S]. 2009.

[4] Orcina Ltd. OrcaFlex manual version 9.5 a[M]. Daltongate: Orcina Ltd., 2012.

[5] Huse E. Experimental investigation of deep sea riser interaction[C]. OTC, 1996: 8070.

[6] American Petroleum Institute. API RP 2RD. Design of risers for floating production systems (FPSs) and tension-leg platforms (TLPs)[S]. 2006.

[7] Koska R, Kaculi J, Campbell M, et al. Minimizing interference between top tension risers for tension leg platforms[C]. OMAE, 2013: 11182.

InterferenceAnalysisofTopTensionedRisersforTensionLegPlatformunderWaveandCurrent

SHI Yun1, ZHOU Xiao-dong1, CAO Jing1, LIU Xiao-yan2

(1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China; 2.COTEC,Beijing100011,China)

Tension leg platform (TLP) has been widely used in deepwater oil field development in recent years. The risk of top tensioned riser (TTR) interference increases with the increase of water depth. If the collision force or collision energy caused by riser interference is large enough, it is possible to endanger the integrity of riser systems, and even the safety of the platform. TTR interference assessment becomes increasingly important and a design challenge for deepwater TLP. Reasonable well-bay spacing should be selected to avoid TTR collision and also minimize the impact on TLP topsides. Based on an oil field development plan, well-bay spacing and riser interference are investigated. The key parameters such as drag coefficient and top tension factor are discussed, and sensitivity analysis is carried out on those factors. The results may provide references for the research and design of TTRs.

tension leg platform; top tensioned riser; interference; sensitivity analysis

TP951

A

2095-7297(2015)02-0084-04

2015-03-20

國家科技重大專項(2011ZX05030-006)

石云(1984—)，男，碩士，工程師，主要從事海底管道和立管的設計與研究。