張力腿平臺叢式立管鉆完井作業窗口分析方法*

劉紅兵 韓彬彬 劉秀全 暢元江 劉 康 宋 強 張偉國

(1. 中國石油大學(華東)海洋油氣裝備與安全技術研究中心 山東青島 266580; 2. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司 廣東深圳 518067)

張力腿平臺叢式立管鉆完井作業窗口分析方法*

劉紅兵1韓彬彬1劉秀全1暢元江1劉 康1宋 強1張偉國2

(1. 中國石油大學(華東)海洋油氣裝備與安全技術研究中心 山東青島 266580; 2. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司 廣東深圳 518067)

劉紅兵,韓彬彬,劉秀全，等.張力腿平臺叢式立管鉆完井作業窗口分析方法[J].中國海上油氣，2016,28(6)：115-120.

Liu Hongbing,Han Binbin,Liu Xiuquan,et al.Analysis method for drilling and completion windows of TLP cluster-risers[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(6):115-120.

針對張力腿平臺(TLP)鉆完井過程中叢式立管的作業安全問題，基于HUSE尾流模型和切片分析理論，考慮叢式立管之間的干涉作用，建立了TLP叢式立管系統力學分析模型，確定了TLP叢式立管鉆完井作業準則，并提出了TLP叢式立管鉆完井作業窗口分析方法及流程。以我國南海某深水油井為例，開展了TLP叢式立管鉆完井作業窗口及其影響因素分析，結果表明：TLP叢式立管鉆完井作業窗口總體上呈倒錐形，在低流速區域受立管最大彎曲角度限制，在高流速區域受立管最大等效應力限制；鉆井液密度對立管鉆完井作業窗口的影響較小，頂張力和立管間距對TLP叢式立管系統的鉆完井作業窗口具有顯著影響，頂張力不足會導致TLP叢式立管在高流速區域無法作業，立管間距設計較小會引起立管碰撞進而導致TLP鉆完井作業失敗。本文研究成果可為我國南海TLP叢式立管鉆完井作業安全管理提供參考。

張力腿平臺；叢式立管；干涉；鉆完井；作業窗口；分析方法；影響因素

張力腿平臺(TLP)的運動性能較好，整體結構較為平穩，適用于叢式井的油氣開發作業，可有效提高作業效率，尤其在后期修井和調整井作業時能夠大大降低項目投資，因此，我國擬采用TLP進行南海某深水區塊的油氣開發。叢式立管系統是連接TLP和海底井口的重要裝備，在平臺槽口和海底槽口之間呈一定形式的排列組合，鉆完井作業過程中易發生叢式立管干涉、碰撞等事故，給TLP鉆完井作業帶來安全隱患問題。

目前國內外在TLP叢式立管干涉分析與設計方面已開展了一些研究工作，并取得了相應成果。Huse 等[1-2]考慮叢式立管之間的遮蔽效應，提出了下游立管海流拖曳力和升力的HUSE尾流模型；Koska 等[3]從立管頂張力、渦激抑制裝置等方面提出了一種最小化TLP叢式立管干涉的方法[3]；Xing 等[4]提出了基于小波尺度圖動態響應分析量化和探測立管碰撞的方法；He 等[5]提出了一種基于時域分析節點位置信息后處理的用于評估海洋立管之間碰撞概率的方法；何楊 等[6]根據DNV-RP-F203規范給出了深水立管干涉分析的設計流程,并對立管干涉的可接受標準進行了探討；閻巖 等[7]采用商業分析軟件對深水立管的干涉問題進行了研究，并在此基礎上開展了立管局部碰撞仿真分析；石云 等[8]對TLP叢式立管進行了干涉分析和參數敏感性研究；Campbell 等[9]提出了一種海平面內TLP叢式立管安裝作業窗口的確定方法。但是，上述研究成果尚未涉及TLP叢式立管系統鉆完井作業窗口方面的研究工作。本文在已有研究成果的基礎上，基于HUSE尾流模型和切片分析理論，建立了TLP叢式立管系統干涉分析模型，確定了TLP叢式立管鉆完井作業準則，提出了一種TLP叢式立管鉆完井作業窗口分析方法，并以我國南海某深水油井為例開展了TLP叢式立管鉆完井作業窗口影響因素分析，識別出了各關鍵參數對TLP叢式立管鉆完井作業的影響規律，從而為我國南海TLP叢式立管鉆完井作業安全管理提供了參考依據。

1 TLP叢式立管鉆完井作業窗口分析模型

圖1 TLP叢式立管系統受力示意圖

TLP叢式立管系統力學模型如圖1所示。立管系統頂部受到平臺偏移及頂張力的影響，立管系統底部在泥線附近與井口和導管系統連接，整個立管系統在海洋自然環境、自身重力等載荷的作用下發生橫向變形，且變形過大時立管系統之間可能發生干涉。假設立管串行排列且與來流方向一致，則波流聯合作用下TLP叢式立管系統橫向變形方程為[10]

(1)

式(1)中：W為單位長度立管的重力，N；EI為立管的抗彎剛度，N·m2；P為軸向力，N；y為水平方向位移，m；z為豎直方向高度，m；f為作用于立管單位長度上的水平作用力，N。

由圖1可知，泥線下導管受到土壤抗力載荷，泥線上TLP上游立管系統直接受到波流聯合作用。作用于單位長度上游立管上的波流聯合作用力為

f(z)=fD+fI=

(2)

式(2)中：fD為拖曳力，N；fI為慣性力，N；CD為拖曳力系數，無量綱；CM為慣性力系數，無量綱；D為立管水動力外徑，m；uW為波浪引起的水體流速，m/s；uC為海流引起的水體流速，m/s；ρW為海水密度，kg/m3；aW為波浪引起的水體加速度，m/s2。

海流流經上游立管系統后會產生尾流場，進一步影響下游立管上的水動力載荷，主要包括由屏蔽效應引起的平均拖曳力折減和尾流場速度梯度引起的升力，可采用HUSE半經驗尾流分析模型計算海流通過圓柱體后的尾流場[11]，進而確定下游立管處的海流流速，即

(3)

(4)

(5)

式(3)～(5)中：Vd為下游立管處損失海流流速，m/s；x、y分別為下游立管相對于上游立管的位置坐標，m；V0為自由海流流速，m/s；k1、k2為經驗系數，本文取k1=0.25、k2=0.1;b為半尾流寬度，m；xs為上游立管道虛擬源的距離，m。

上下游立管之間的海流遮蔽效應沿立管系統長度方向不斷變化，可將立管系統沿水深方向分為若干段切片，每段切片等效為間距相等的上下游立管(圖2)?；贖USE半經驗尾流分析模型和切片分析理論進行迭代分析，可得到叢式立管系統在特定環境下的穩定狀態，并判斷上下游立管之間是否發生干涉，其具體流程為：首先設定立管初始間距為2根立管不受任何載荷時的間距，考慮上游立管尾流效應進行靜態分析；然后依據分析結果更新立管間距，并進行迭代分析，直至相鄰2次分析立管最小間距之差小于0.01 m時(立管系統達到穩定狀態)求解完成。

圖2 TLP叢式立管干涉分析切片示意圖

2 TLP叢式立管鉆完井作業窗口分析方法

TLP叢式立管鉆完井作業限制因素主要包括立管強度、變形以及立管之間的干涉等，綜合考慮各限制因素建立了TLP叢式立管鉆完井作業窗口限制準則(表1)。其中，立管最大等效應力、導管最大等效應力以及井口最大彎矩準則主要是為了確保TLP鉆完井作業過程中立管系統的結構完整性；立管最大彎曲角度(立管與豎直方向之間的夾角)準則是為了減小鉆井作業過程中鉆桿對立管系統的偏磨以及完井過程中完井管串順利通過立管；立管之間干涉準則是為了防止立管之間發生碰撞。

表1 TLP叢式立管鉆完井作業窗口限制準則

為了快速得到TLP叢式立管鉆完井作業工況下的臨界平臺偏移和表面海流流速，本文提出了一種TLP叢式立管鉆完井作業窗口臨界值搜索算法，通過2層循環迭代(即表面海流流速為外循環，平臺偏移為內循環)，開展TLP叢式立管系統力學迭代分析，提取立管系統位移、應力、變形等信息，以TLP叢式立管鉆完井作業窗口限制準則為臨界邊界，采用一維非線性搜索獲取不同海流流速下的平臺許用偏移臨界值，進而確定TLP叢式立管鉆完井作業窗口。圖3為TLP叢式立管鉆完井作業窗口分析流程圖。

3 實例分析

3.1 基礎數據

以南海水深為340 m的某油井為目標井，鉆井立管和生產立管系統配置見表2。該井鉆井立管系統頂張力為1.8倍管柱濕重；生產立管頂張力為2.3倍管柱濕重;鉆井立管外徑為0.393 98 m，壁厚為0.020 60 m;生產立管外徑為0.273 05 m，壁厚為0.010 106 m;水動力參數拖曳力系數在水深0～150 m取1.2，150 m水深以下取0.7;慣性力系數取2.0。

3.2 作業窗口分析

鉆井工況下,上游為鉆井立管，下游為生產立管(D2P)，或者上游為生產立管，下游為鉆井立管(P2D);完井工況下,上下游均為生產立管;立管初始間距均為4.5m。分別開展TLP叢式立管鉆井作業窗口和完井作業窗口分析，結果如圖4所示(圖中藍色區域可安全進行鉆完井作業，紅色區域內實施鉆完井作業有風險)。

由圖4可知，該井TLP叢式立管鉆完井作業窗口總體上呈倒錐形，在順流方向(正平臺偏移方向)，隨著海流流速的增大，平臺許用偏移逐漸減小，限制因素主要為立管最大彎曲角度。在逆流方向(負平臺偏移方向)，低流速區域平臺許用偏移隨著海流流速增大而逐漸增大，限制因素主要為立管最大彎曲角度；高流速區域平臺許用偏移隨著海流流速增大而逐漸減小，限制因素主要為立管最大等效應力。P2D作業模式下，上游生產立管產生的尾流效應使得下游鉆井立管處的海流流速變??；D2P作業模式下，上游鉆井立管直接受到海洋自然環境載荷作用，鉆井立管的結構變形較大，相應的鉆井作業窗口較小。分析認為，該鉆完井作業窗口的主要區別在于逆流方向鉆完井作業平臺許用偏移轉折點海流流速不同，鉆井作業轉折點海流流速為1.0 m/s，完井作業轉折點海流流速為1.4m/s。此外，由于鉆井立管外徑較大，承受的海流作用力更大，而且鉆井立管的張力比較小，使得鉆井立管的剛度相對較小，即TLP叢式立管鉆井作業窗口比完井作業窗口小，其作業風險更高。因此，下面重點開展TLP叢式立管鉆井作業窗口影響因素分析。

圖4 南海某深水油井TLP叢式立管鉆完井作業窗口分析結果

3.3 影響因素分析

1) 頂張力。不同頂張力下該井TLP叢式立管鉆井作業窗口如圖5所示，可以看出：當海流流速小于1.0 m/s時，平臺許用偏移受頂張力變化影響較小，頂張力的增大會使平臺向順流方向輕微偏移；當海流流速大于1.0 m/s時，平臺許用偏移受頂張力影響較大。這是因為頂張力的減小會使得立管的剛度減小，在海流作用下橫向位移量變大，使得立管之間更容易發生干涉，而且當頂張力過小時，由于立管之間的干涉，在高流速區域無法實施鉆井作業，因此，適當提高頂張力有助于增大TLP叢式立管鉆井作業窗口。

圖5 不同頂張力下南海某深水油井TLP叢式立管鉆井作業窗口

2) 立管間距。不同立管間距下該井TLP叢式立管鉆井作業窗口如圖6所示，可以看出，隨著立管間距的減小，在高流速區立管之間的干涉愈發嚴重，允許TLP叢式立管鉆井作業的最大海流表面流速由大于1.6 m/s逐漸減小至1.0 m/s，TLP叢式立管鉆井作業窗口逐漸變小。這是因為立管間距的減小會使上下游立管間的許用變形空間減小，也會使上游立管對下游立管的屏蔽作用更強，從而減小了下游立管橫向位移，因此，適當增大立管間距可增大TLP叢式立管鉆井作業窗口。

3) 鉆井液密度。不同鉆井液密度下該井TLP叢式立管鉆井作業窗口如圖7所示，可以看出，鉆井液密度對TLP叢式立管鉆井作業窗口影響較??；隨著鉆井液密度的增大，順流向和逆流向低流速區平臺許用偏移略微減小，逆流向高流速區平臺許用偏移略微增大。這是因為前者限制因素是立管最大彎曲角度，后者限制因素是立管最大許用應力，而且鉆井液密度的增大會使得鉆井立管剛度略微增大，導致立管與井口交界處轉角變大。

圖6 不同立管間距下南海某深水油井TLP叢式立管鉆井作業窗口

圖7 不同鉆井液密度下南海某深水油井TLP叢式立管鉆井作業窗口

4 結論

1) 基于HUSE半經驗尾流模型和切片分析理論，建立了TLP叢式立管力學分析模型及迭代分析方法，確定了TLP叢式立管鉆完井作業限制準則，并提出了一種TLP叢式立管鉆完井作業窗口分析方法及流程，從而為我國南海TLP叢式立管鉆完井作業安全管理提供了參考依據。

2) 實例分析表明，TLP叢式立管鉆完井作業窗口總體上呈倒錐形，主要受立管最大彎曲角度和立管最大等效應力限制。在順流方向，隨著海流流速的增大，平臺許用偏移逐漸減小，限制因素主要為立管最大彎曲角度。在逆流方向，低流速區域平臺許用偏移隨著海流流速增大而逐漸增大，限制因素主要為立管最大彎曲角度；高流速區域平臺許用偏移隨著海流流速增大而逐漸減小，限制因素主要為立管許用應力。

3) TLP叢式立管鉆井作業窗口要比完井作業窗口小，因此TLP叢式立管鉆井作業風險更高。分析表明，鉆井立管頂張力對TLP叢式立管鉆井作業窗口具有明顯的影響，主要影響高流速區的平臺許用偏移，而且當鉆井立管頂張力過小時，立管之間的干涉將會導致TLP叢式立管在高流速區無法實施鉆井作業；立管間距對TLP鉆井作業窗口具有顯著的影響，減小立管間距將加劇立管之間的干涉，特別在高流速區，隨著立管間距的減小，TLP叢式立管鉆井作業許用最大海流流速逐漸減??；鉆井液密度對TLP叢式立管鉆井作業窗口影響較小。

[1] HUSE E. Interaction in deep-sea riser arrays[C]∥Offshore Technology Conference.Houston,Texas:1993:313-322.

[2] HUSE E,KLEIVENl G.Impulse and energy in deepsea riser collisions owing to wake interference[R].USA OTC 11993,2000.

[3] KOSKA R,KACULI J,CAMPBELL M,et al.Minimizing interference between top tension risers for tension leg platforms[R].France:OMAE 2013-11182,2013.

[4] XING S,DAI W,MOORTHY D,et al.A new approach of quantifying top-tensioned risers clashing by using wavelet scalograms[R].Canada： OMAE 2015-42337,2015.

[5] HE J W,LOW Y M.An approach for estimating the probability of collision between Marine risers[J].Applied Ocean Research,2012,35(3):68-76.

[6] 何楊，孫國民，趙天奉．深水立管干涉分析研究[J]．中國海洋平臺，2014,29(4)：46-50． He Yang,Sun Guomin,Zhao Tianfeng.Study on deepwater riser interference analysis[J].China Offshore Platform,2014,29(4):46-50.

[7] 閻巖，張崎，黃一．基于張力腿平臺的頂張緊式立管碰撞分析[J]．上海船舶運輸科學研究所學報，2012,35(1)：1-6． Yan Yan,Zhang Qi,Huang Yi.Analysis of collisions between top tension risers on a tension leg platform[J].Journal of Shanghai Scientific Research Institute of Shipping,2012,35(1):1-6.

[8] 石云，周曉東，曹靜，等．波流作用下的張力腿平臺頂張緊式立管干涉分析[J]．海洋工程裝備與技術，2015,2(2)：84-87． Shi Yun,Zhou Xiaodong,Cao Jing,et al.Interference analysis of top tensioned risers for tension leg platform under wave and current[J].Ocean Engineering Equipment and Technology,2015,2(2):84-87.

[9] CAMPBELL M,KACULI J,KOSKA R,et al.Maximizing drilling riser installation operability for TLP top tensioned risers[R].France:OMAE 2013-11181,2013.

[10] 暢元江，陳國明，孫友義，等．深水鉆井隔水管的準靜態非線性分析[J]．中國石油大學學報(自然科學版)，2008,32(3)：114-118． Chang Yuanjiang,Chen Guoming,Sun Youyi,et al.Quasi-static nonlinear analysis of deepwater drilling risers[J].Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science),2008,32(3):114-118.

[11] DET NORSKE VERITAS.DNV RP F203 riser interference[S].DET NORSKE VERITAS,2009.

(編輯：葉秋敏)

Analysis method for drilling and completion windows of TLP cluster-risers

Liu Hongbing1Han Binbin1Liu Xiuquan1Chang Yuangjiang1Liu Kang1Song Qiang1Zhang Weiguo2

(1.CentreforOffshoreEngineeringandSafetyTechnology,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580,China; 2.ShenzhenBranchofCNOOCLtd.,Shenzhen,Guangzhou518067,China)

Aiming at the operational safety problem of TLP cluster-risers during drilling and completion, the mechanical analysis model of TLP cluster-risers was established considering the interference between cluster-risers based on the HUSE empirical wake model and microtome section theory. The drilling and completion criteria with TLP cluster-risers were determined, and analysis method and procedure for drilling and completion windows with TLP cluster-risers were proposed. Taking a deep water oil well in the South China Sea as an example, the windows for drilling and completion with TLP cluster-risers and the relevant influencing factors were analyzed. The results show that the window has an inverted cone shape, and is limited by the maximum angle of the riser when the current speed is low, and limited by the maximum equivalent stress in the riser when the current speed is high. The mud density has minor influence on the operation window, while the top tension and the riser spacing have significant influence. Insufficient top tension will result in the TLP cluster-risers incapable to work when the current speed is high; the risers would collide each other if there is narrow spacing between risers, which may lead to the failure of drilling and completion. This paper can provide a reference for the safety management of drilling and completion with TLP cluster-risers in the South China Sea.

TLP; cluster-risers; interference; drilling and completion; operation window; analysis method; influencing factors

1673-1506(2016)06-0115-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.06.019

*國家重點基礎研究發展計劃“深水海底井口-隔水管-平臺動力學耦合機理與安全控制 (編號：2015CB251203)”、山東省自然科學基金聯合專項“深水鉆井隔水管-張緊器耦合動力學及安全控制研究(編號：ZR2014EL018)”、中國博士后科學基金“深水修井隔水管系統耦合動力學及應用研究(編號：2015M570621)”部分研究成果。

劉紅兵，男，中國石油大學(華東)機電工程學院博士研究生，主要從事海洋鉆井技術和石油裝備強度與可靠性等方面研究。地址：山東省青島市經濟技術開發區長江西路66號研三樓(郵編：266580)。E-mail：hb_liu1988@163.com。

暢元江,男,副教授,碩士生導師,研究方向為海洋油氣工程及裝備。地址:山東省青島市黃島區長江西路66號中國石油大學(華東)機電學院(郵編：266580)。E-mail:changyj1557@126.com。

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A

2016-04-16 改回日期：2016-05-16