張力腿平臺叢式立管安裝作業窗口分析＊

暢元江 張偉國 韓彬彬 陳 斌

（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安裝作業窗口分析＊

暢元江1張偉國2韓彬彬1陳 斌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）

在對立管安裝模型進行理論研究的基礎上，考慮叢式立管之間的干涉作用，提出導向架－導向繩作用模擬方法，建立了TLP叢式立管－導向架－導向繩耦合分析模型，形成了一種以平臺偏移值、表面海流流速組合參數形式確定TLP立管安裝作業窗口的分析方法及流程，并以我國南海某深水油井為例開展了TLP立管安裝作業窗口研究及參數敏感性分析，結果表明，TLP立管安裝至海底井口但尚未對接成功工況下安裝作業窗口最小，此時作業窗口在低流速區主要受立管回接連接器與豎直方向夾角限制，在高流速區主要受立管之間干涉的限制；隨著波浪的增加，立管安裝作業窗口逐漸變??；適當增加導向架數量并合理布置有助于增大TLP立管安裝作業窗口；立管間距的減小會加劇叢式立管之間的干涉，從而使得TLP立管安裝作業窗口變小。本文相關方法和研究成果可為TLP叢式立管安裝作業提供理論依據。

張力腿平臺；叢式立管；安裝作業窗口；參數敏感性分析

張力腿平臺（TLP）以優良的運動性能和較高的作業效率滿足了降本增效的要求，在全球海域得到了較廣的應用。TLP采用叢式井槽和叢式海底井口，可以滿足鉆井、完井、修井、生產等要求，適用于叢式井開發且維護方便。立管系統是連接TLP井槽和海底井口的工作通道，立管安裝作為海上油氣鉆采的第一步，作業時立管下端自由度較大，立管整體水平方向位移較大，易與其他已有立管發生干涉碰撞，嚴重威脅到TLP立管安裝作業的安全，因此有必要進行TLP立管安裝作業安全性研究。

目前國內外在TLP立管干涉碰撞分析方面已有一定研究，Huse［1］考慮叢式立管之間的遮蔽效應，提出了計算下游立管海流拖曳力HUSE尾流模型；Koska等［2］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；Xing等［3］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［4］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；閻巖［5］、石云［6］、何楊［7］等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。在立管作業分析方面，Mike等［8］提出一種特定海流下TLP立管安裝作業平臺極限位置的確定方法；鞠少棟、劉康、王宴濱 等［9－12］針對深水隔水管連接、懸掛、測試作業提出了不同模式下的作業窗口分析方法；康莊 等［13］使用專業軟件ORCAFLEX對鋼懸鏈立管J形鋪設作業進行了安裝作業窗口分析；Andrew Lennon［14］進行了帶底端總成的海洋隔水管的下放與安裝分析，但沒有考慮立管之間的相互干涉。截至目前還沒有發現針對TLP叢式立管安全作業窗口的文獻報道。

本文針對我國南海東部某油田開發的迫切需要，開展了TLP叢式立管系統安裝作業窗口的研究，在對分析模型進行理論研究的基礎上，結合TLP平臺立管系統作業工藝，考慮立管的強度和立管之間的干涉作用，提出了導向繩－導向架相互作用模擬方法，采用有限元分析軟件建立了TLP叢式立管－導向架－導向繩耦合分析模型，確定了TLP立管安裝作業限制準則，形成了TLP叢式立管系統安裝作業窗口分析方法和流程，并以南海某油井為例開展了TLP立管安裝作業窗口研究及參數敏感性分析。本文相關方法與研究成果可為我國南海TLP叢式立管安裝作業提供理論依據。

1 TLP立管安裝作業窗口分析模型

TLP叢式立管系統如圖1所示，立管安裝過程中一般采用導向繩和導向架來引導立管安裝（圖2）。導向繩一般采用鋼絲繩，頂部與TLP相連接，下部與井口導向基盤相連接。導向架用來連接導向繩和立管，進而限制立管的水平位移，防止其與其他已有立管發生碰撞。立管－導向架－導向繩的耦合和叢式立管之間的干涉是TLP立管安裝的主要特點。

圖1 TLP叢式立管系統Fig．1 TLP risers system

圖2 TLP立管安裝示意圖Fig．2 Installation diagram of TLP risers

TLP立管安裝作業立管－導向架－導向繩系統受力模型如圖3所示，立管頂部與平臺直接相連并受平臺振蕩作用，底部通過導向架與導向繩相連接，整個立管系統在海洋自然環境、自身重力和導向架約束力等載荷的作用下發生橫向變形，過大的變形會導致正在安裝的鉆井立管或者生產立管與其他已有生產立管發生碰撞。

圖3 TLP立管安裝作業立管－導向架－導向繩系統受力模型Fig．3 Stress model of TLP risers installation risers piperunguide line system

本文將導向繩簡化為一根鋼管（兩者抗拉強度和抗彎剛度相同），頂部隨平臺一起運動，底部施加固定端約束。立管和導向繩都是承受波流聯合作用的細長管柱，其理論分析模型相同。波流聯合作用下管柱系統動態響應模型是位于豎直平面內的梁在水平載荷作用下變形的偏微分方程［15］，即

式（1）中：EI為管柱的抗彎剛度，N·m2；T 為軸向力，N；y為水平方向位移，m；z為豎直方向高度，m；F（z，t）為作用于管柱單位長度上的水平作用力，包括波流聯合作用力、立管之間的相互作用力以及導向架與立管之間相互作用力，N；M 為管柱單位長度振動質量，包括管柱質量、管柱內包容物質量以及單位長度的附連水質量等，即

式（2）中：D 為管柱外徑，m；Di為管柱內徑，m；ρs為管柱材料密度，kg／m3；ρm為管柱內液體密度，kg／m3；ρw為海水密度，kg／m3；CM為附加質量系數，無量綱，取2．0。

沿著來流方向，2根立管分別處于上游和下游位置。上、下游立管之間要通過流場形成遮蔽效應，上游立管直接承受海流作用，計算水動力載荷時取無干擾海流速度，采用修正的Morision方程求解作用在立管上的水動力載荷，即

式（3）中：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；aw為波浪引起的水體加速度，m／s2；CD為拖曳力系數，無量綱。

立管和導向繩結構之間通過導向架連接，導向架連接處的立管與導向繩水平位移相同，可表示為

式（4）中：yriser為立管水平方向位移，m；yrope為導向繩水平方向位移，m；z0為導向架位置，m。

對于下游立管而言，由于上游立管對海流的遮蔽作用，其尾流場會引起下游立管處平均拖曳力折減。根據DNV－RP－F203規范中的 HUSE半經驗尾流分析模型［16］計算海流通過圓柱體后的尾流場，進而求得處于上游立管尾流場中的下游立管處的海流流速，可表示為

式（5）～（7）中：Vd為下游立管處折減海流流速，m／s；k2為經驗系數，本文取k2＝0．1；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為經驗系數，本文取k1＝0．25；xs為下游立管和上游虛擬尾流源之間的距離，m。

采用有限單元法進行TLP立管安裝作業窗口分析模型求解，基于叢式立管力學分析模型，在非線性有限元分析軟件ABAQUS中建立TLP上游立管、下游立管、導向繩的有限元模型。其中，針對安裝立管和導向繩之間的結構耦合問題，建模時將導向架等效為導向繩節點和立管節點之間的滑動耦合約束；針對叢式立管的流場干涉問題，建模時對立管系統沿水深方向分為若干段切片，計算尾流場下游立管處的海流流速，以模擬上游立管對下游立管的海流屏蔽效應，通過迭代分析可得到叢式立管系統在穩定狀態，然后判斷兩立管是否發生干涉。

2 TLP立管安裝作業窗口確定準則及分析流程

TLP立管安裝作業主要受立管強度、變形和立管之間干涉的影響，綜合考慮各限制因素后形成了TLP立管安裝作業限制準則，見表1。其中，立管最大等效應力和懸掛點以下立管軸向力是為了確保立管安裝作業過程中立管系統不產生破壞和軸向不發生動態壓縮；回接連接器與豎直方向之間夾角是為了保證立管順利回接到井口；立管之間干涉是叢式立管的典型特征，安裝過程應避免立管之間發生碰撞［17］。

表1 TLP立管安裝作業限制因素Table 1 TLP risers installation job limiting factors

為了快速得到TLP立管安裝作業工況下的臨界平臺偏移值和表面海流流速值，提出了一種TLP立管安裝作業窗口臨界值搜索算法及分析流程，如圖4所示。其中，循環一開展TLP立管動力學迭代分析，提取立管最大應力、懸掛點以下立管軸向力和回接連接器與豎直方向之間夾角信息，參照TLP立管安裝作業限制準則，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一，稱為安全作業邊界；循環二開展TLP叢式立管靜力學迭代分析，參照立管之間無干涉準則，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二，稱為立管干涉邊界。因此，安全作業邊界和立管干涉邊界的交集即為TLP立管安裝作業窗口。

圖4 TLP立管安裝作業窗口分析流程Fig．4 Analysis procedure of TLP risers installation operational envelope

3 分析實例

以南海340 m水深的WL油井為目標井，該井采用TLP進行鉆完井和生產作業，鉆井立管和生產立管系統配置見表2。鉆井立管外徑為0．393 98 m，壁厚為0．020 6 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時取1．2，水深150 m以下時取0．7；慣性力系數取2．0。

表2 南海340m水深WL井TLP鉆井和生產立管系統配置Table 2 TLP drilling risers system and productin risers system confiquration of Well WL in depth 340min the South China Sea

TLP只有一套鉆井立管，其余為生產立管。鉆井立管安裝時，下游立管為生產立管。立管初始間距4．5 m，假設導向架數量為1個，依據本文模型及流程計算的TLP鉆井立管分別下放25%、50%、75%和100%（立管系統最末端的回接連接器與海底井口即將對接，整個立管系統處于最長自由端狀態）等4種工況下安裝作業窗口如圖5所示，圖中綠色區域內可安全進行鉆井立管安裝作業，紅色區域內實施鉆井立管安裝作業有風險。由圖5可以看出：立管下放25%工況下，立管安裝作業窗口只受安全作業邊界限制，這是由于此時下放立管長度較短，不易與下游生產立管發生干涉；立管下放50%、75%和100%工況下，立管安裝作業窗口在低流速區受安全作業邊界（回接連接器與豎直方向夾角）限制，在高流速區受立管干涉邊界限制，這是因為隨著下放立管長度增加，立管橫向變形逐漸增大，易與下游生產立管發生干涉。對比可知，該井立管下放100%時TLP鉆井立管作業窗口最小，實施立管安裝作業最危險，因此下面僅針對立管下放100%工況分析導向架數量、導向繩數量、立管頂張力、波浪及立管間距等參數對TLP立管安裝作業窗口的影響。

圖5 南海340m水深WL井TLP鉆井立管安裝作業窗口Fig．5 TLP production risers installation operational envelope of Well WL in depth 340min the South China Sea

3．1 導向架和導向繩數量對TLP立管安裝作業窗口的影響

不同導向架數量下WL井TLP鉆井立管安裝作業窗口如圖6所示，可以看出，隨著導向架數量的增加，允許TLP平臺偏移量增加，TLP鉆井立管安裝作業窗口也逐漸增大，立管安全作業邊界略有增大，而立管干涉作業邊界明顯增大。3個導向架時TLP鉆井立管安裝作業窗口只受立管安全作業邊界限制，立管之間不會發生干涉。這是由于導向架數量的增加使得鉆井立管更好地貼近導向繩，限制了鉆井立管的水平位移，更不易與下游立管發生干涉。故適當增加導向架數量并合理排布有助于擴大TLP鉆井立管安裝作業窗口。

圖6 南海340m水深WL井TLP鉆井立管導向架數量對立管安裝作業窗口的影響Fig．6 TLP drilling risers installation operational envelopes of different guide frame number of Well WL in depth 340m in the South China Sea

針對使用導向繩數量分別為2根、4根的工況計算得到的WL井TLP鉆井立管安裝作業窗口如圖7所示，可以看出，導向繩數量對TLP鉆井立管安裝作業窗口影響微小，其影響主要體現在對低流速區立管自身受力邊界和干涉邊界的擾動。雖然導向繩數量對TLP立管安裝作業窗口的影響較小，但是推薦采用4根導向繩，可以增加導向架的空間穩定性。

3．2 波浪對TLP立管安裝作業窗口的影響

不同波浪下WL井TLP鉆井立管安裝作業窗口如圖8所示，可以看出，隨著波浪的增強，允許TLP平臺偏移量減小，TLP鉆井立管安裝作業窗口也逐漸減小，其中立管安全作業邊界和立管干涉邊界均逐漸減小。這是由于波浪的增強使得環境更加惡劣，立管受力變形更大，故選擇合適的環境有助于安全實施TLP立管安裝作業。

圖7 南海340m水深WL井TLP鉆井立管導向繩數量對立管安裝作業窗口的影響Fig．7 TLP drilling risers installation operational envelopes of different guide line number of Well WL in depth 340m

圖8 南海340m水深WL井TLP鉆井立管波浪對立管安裝作業窗口的影響Fig．8 TLP drilling risers installation operational envelopes of different wave of Well WL in depth 340m in the South China Sea

3．3 立管間距對TLP立管安裝作業窗口的影響

不同立管間距下WL井TLP鉆井立管安裝作業窗口如圖9所示，可以看出，隨著立管間距的減小，允許TLP平臺偏移量減小，TLP鉆井立管安裝作業窗口也逐漸減小，主要受立管干涉邊界限制。這是由于立管間距的減小導致立管之間許用橫向變形空間減小，且加劇了上游立管對下游立管的屏蔽效應，故在TLP設計階段應考慮作業海域海況進行井口及槽口間距設計。

圖9 南海340m水深WL井TLP鉆井立管間距對立管安裝作業窗口的影響Fig．9 TLP drilling risers installation operational envelopes of different riser space of Well WL in depth 340min the South China Sea

3．4 立管頂張力對TLP立管安裝作業窗口的影響

立管張力比（TTF）為張緊力與立管系統濕重的比例。下游生產立管張力比分別取1．8、2．3和2．8時計算得到的 WL井TLP鉆井立管安裝作業窗口如圖10所示，可以看出，下游立管頂張力對TLP鉆井立管安裝作業窗口影響微小，主要體現在對立管干涉邊界的影響，隨著下游立管頂張力的增大，立管干涉邊界逐漸縮小，導致TLP鉆井立管安裝作業窗口略有減小。這是由于下游立管頂張力的增大使得下游立管剛度增加，橫向變形減小，上游鉆井立管更易與之發生干涉。

圖10 南海340m水深WL井TLP鉆井立管下游立管張力對立管安裝作業窗口的影響Fig．10 TLP drilling risers installation operational envelopes of different TTF of Well WL in depth 340min the South China Sea

4 結論

1）本文提出了導向架－導向繩作用模擬方法，建立了TLP立管安裝作業立管動力學分析模型，確定了TLP立管安裝作業限制準則，主要包括立管應力、軸向力、回接連接器轉角和立管干涉，形成了一種以平臺偏移值、表面海流流速組合參數形式確定TLP立管安裝作業窗口的分析方法，可以有效開展TLP立管安裝作業窗口分析。

2）以南海340 m水深WL油井為目標井，開展了TLP立管安裝作業窗口研究及參數敏感性分析，結果表明：立管下放25%工況下，TLP立管安裝作業窗口最大，主要受安全作業邊界限制；立管下放50%、75%和100%工況下，立管安裝作業窗口在低流速區受安全作業邊界（回接連接器與豎直方向夾角）限制，在高流速區受立管干涉邊界限制。導向架數量、波浪環境和立管間距對TLP立管安裝作業影響顯著，導向繩數量和下游立管頂張力對TLP立管安裝作業影響較小，因此通過適當的增加導向架數量、增大立管間距以及選取溫和的波浪環境條件進行立管安裝作業，可以有效增大TLP立管安裝作業窗口，提高TLP立管安裝作業安全性能。

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Envelopes for the installation operations of TLP cluster risers

CHANG Yuanjiang1ZHANG Weiguo2HAN Binbin1CHEN Bin2
（1．Centre for Offshore Engineering and Safety Technology，China University of Petroleum，Qingdao，Shandong266580，China；2．Shenzhen Branch of CNOOC Ltd．，Shenzhen，Guangdong518067，China）

Based on the theoretical research on TLP cluster riser installation processes and with the consideration of the interference between cluster risers，a simulation method for the guide line and guide frame was proposed．And a coupling analysis model of TLP cluster－risers－guide line－guide frame was developed．Analysis method and procedure for establishing the installation operation envelope were proposed，which was determined by the combination of such parameters as the drilling platform offset and the current speed．Taking a deepwater oil well in South China Sea as an example，a study on the installation operation envelope of TLP cluster risers and sensitivity analysis for the influencing factors were conducted．The results show that the operation envelope is narrowest when TLP risers touch the seabed but are not successfully connected．At this time point the envelope is mainly limited by the angle between the tie－back connector and the vertical in low current region，and by the riser interference in high current region．Waves have certain effect on TLP riser installation and stronger waves will lead to narrowing of the envelope．The number of guide frames has significant effect on TLP riser installation，so the envelope could be widened by increasing guide frames，which have also to be properly deployed．The operation envelope narrows with the decrease in the riser－spacing which can aggravate the interference between the risers．The research results and the relevant methods can provide practical basis for the installation operation of TLP cluster risers．

TLP；cluster risers；installation operation envelope；sensitivity analysis

TE52

A

暢元江，張偉國，韓彬彬，等．張力腿平臺叢式立管安裝作業窗口分析［J］．中國海上油氣，2017，29（5）：126－133．

CHANG Yuanjiang，ZHANG Weiguo，HAN Binbin，et al．Envelopes for the installation operations of TLP cluster risers［J］．China Offshore Oil and Gas，2017，29（5）：126－133．

1673－1506（2017）05－0126－08

10．11935／j．issn．1673－1506．2017．05．018

＊國家重點基礎研究發展計劃（973）課題“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）”、“十三五”國家科技重大專項“張力腿平臺鉆完井叢式立管系統設計與安全作業技術研究（編號：2016ZX05057－011）”、山東勝利石油裝備產業技術研院山東省海洋石油裝備重點實驗室項目“深水混合生產立管（HR）設計制造關鍵技術研究（編號：KRKFJJ－01）”部分研究成果。

暢元江，男，博士，副教授，目前主要從事海洋鉆井裝備及其安全評價方面的研究工作。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）海洋油氣裝備與安全技術研究中心（郵編：266580）。E－mail：changyj＠upc．edu．cn。

2017－03－19 改回日期：2017－05－18

（編輯：葉秋敏）