支持平台钻井包跨接式软管分析计算

王安义，王维旭，张元洪，赵　涛，汪靖享

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002)



支持平台钻井包跨接式软管分析计算

王安义1，2，王维旭1，2，张元洪1，赵涛1，汪靖享1，2

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002)

根据支持平台辅助钻井技术的作业特点，研究支持平台与钻井包之间的跨接软管，运用悬链线方程并结合具体工程实际，计算其弧长、弧垂以及端部连接张力。为支持平台与钻井包之间跨接软管的设计选型以及端部连接结构的设计提供理论支撑，也可用于指导海上大跨度高空跨接软管设计、安装和施工。

支持平台；钻机；跨接软管；计算

支持平台辅助钻井技术始于20世纪中期，是一种新的钻井方式，正常作业时需要支持平台辅助钻井单元(TADU)和井口平台(Wellhead Platform)共同协作完成钻井任务，如图1。支持平台辅助钻井单元(TADU)由支持平台(Tender Support Vessel 简称：TSV)和钻井包(Mast Equipment Package 简称：MEP)组成，为固定式平台和浮式平台(SPAR、TLP)等井口平台提供钻井作业装备。支持平台辅助钻井单元(TADU)上封固有用于井口平台钻井作业的钻井包(MEP)，还装载有钻井作业所需的全套辅助设施，例如发电机组、泥浆泵组、燃料、淡水、钻杆、套管、钻井泥浆、固井水泥、重晶石等，同时具备存储、封固和运输模块化钻井包所需的空间和相关设施，并提供工作人员的生活设施。钻井作业前将装载有钻井包(MEP)的支持平台(TSV)靠近井口平台，将钻井包(MEP)各模块通过支持平台吊机吊运至井口平台并完成钻井包(MEP)的组装。钻井作业过程中支持平台(TSV)为井口平台上的钻井包(MEP)提供动力、高低压泥浆、海水、淡水、固井水泥、压缩空气等[1-2]。

图1　TADU作业效果图

支持平台(TSV)与钻井包之间安装有跨接软管(又称脐带软管)，用于传输高低压泥浆、压缩空气、海水、淡水、固井水泥、燃油等介质，其可靠性对钻井包正常钻井作业非常重要。因此，研究平台间跨接软管的力学行为、长度对支持平台与钻井包之间跨接软管的设计及应用具有重要意义[3-5]。

1　理论分析与计算

支持平台与钻井包之间跨接软管设计计算涉及的因素很多，不仅与悬挂点间距、高差有关，还与软管中流动的介质(如压缩空气、海水、淡水、燃油、高低压泥浆、固井水泥等)以及软管所在海洋环境条件(风载、波浪参数)有关，其计算过程复杂。

1.1跨接软管的悬链线方程

跨接在支持平台与钻井包之间的软管将形成1条悬链线。跨接软管设计的计算主要是该悬链线的弧长、弧垂以及端部连接张力的计算。分析跨接软管曲线的性质，考虑软管的综合比载，悬链线曲线的受力如图2所示。

图2　跨接软管工作示意

已知，跨接软管一端悬挂于钻井包A点，另一端悬挂于支持平台B点。

可以推导出跨接于两悬挂点A、B间的悬链线方程的一般形式为[6]：

(1)

式中：C1、C2为常数，其具体数值可根据初始条件和边界条件得出；σo为水平应力(即跨接软管最低点O点处的水平应力)，MPa；γ为跨接软管的比载，N/(m·mm2)。

推导悬链线的一般形式，假设以跨接软管的最低点O点为原点，那么有下述初始条件：当x=0时，y=0，并且有y′=tanα=0。

将以上初始条件代入悬链线方程的一般形式，得到：

将C1、C2常数代入悬链线方程的一般形式中，求得以最低点O点为原点的悬链线方程：

(2)

注：当坐标原点选在其他点(不是假设的最低点O点处)时，那么悬链线方程的常数项有所不同，可以得到不同表达形式的公式。

1.2跨接软管的弧长计算

以悬链线方程来计算跨接软管的弧长。设最低点O点至跨接软管上任一点的曲线弧长用Lx表示，由悬链线方程和弧长公式可以得到跨接软管的弧长为：

(3)

式中：l为跨接软管的档距，即两个悬挂点之间的距离，m。

将式(3)中的双曲正弦函数项展开，取前两项做近似计算，则悬链线形态的跨接软管弧长公式化简为：

(4)

1.3跨接软管弧垂计算[7]

当式(2)中的x代表跨接软管的档距时，求出的y即为跨接软管的弧垂。那么曲线上任意一点距最低点O点的距离为x，则该点距最低点O点的弧垂为：

fx=yB-yx=

(5)

式中：yB为悬挂点B点的纵坐标；yx为跨接软管上任意一点的纵坐标；fx为跨接软管上任意一点的弧垂，即这一点与悬挂点B点的纵坐标的差值。

当x=0时，可以得跨接软管的最大弧垂为：

(6)

将式(6)中的双曲余弦函数展开，取前两项做近似计算，则两端等高的跨接软管的最大弧垂公式化简为：

(7)

两端不等高的跨接软管的最大弧垂公式化简为：

(8)

1.4跨接软管及跨接点的张力

由图1可推导出跨接软管上任意一点的张力为：

TPsinθ=λgl

(9)

TPconθ=T0

(10)

(11)

(12)

式中：TP为点P处的张力，其方向沿切线方向，与x轴成θ角；λ为软管(含液体)的线密度。

A、B跨接点处的张力分别为：

(13)

(14)

2　跨接软管设计分析实例

2.1设计背景

支持平台(TSV)与井口平台(Wellhead Platform)底部间距为6.5～28.1 m，上部甲板间距为31.15 m，井口平台主甲板距海平面高度25.8 m，支持平台主甲板距海平面高度16.2 m，两平台之间共有14根跨接软管，如图3～4所示。自支持平台向井口平台看，从左至右依次为：1根直径为304.8 mm(12英寸)的泥浆回流软管，2根直径为101.6 mm(4英寸)的高压泥浆软管，2根直径为76.2 mm(3英寸)的高压水泥软管，1根直径为101.6 mm(4英寸)的污物回流软管，1根直径为50.8 mm(2英寸)的饮用水软管，1根直径为50.8 mm(2英寸)的燃油软管，1根直径为76.2 mm(3英寸)的公用空气软管，1根直径为152.4 mm(6英寸)的低压流体回流软管，1根直径为152.4 mm(6英寸)的消防水软管，1根直径为152.4 mm(6英寸)的冷却水软管，1根直径为152.4 mm(6英寸)的钻井水软管，1根直径为152.4 mm(6英寸)的低压泥浆补给软管。

图3　跨接软管工作平面图

图4　跨接软管工作立面图

2.2跨接软管长度计算

由于部分跨接软管直径大，充满液体后的总重力大，因此其连接端部的张力也很大。为了获得准确的软管端部连接张力，需计算出跨接的软管长度。下面以101.6 mm(4英寸)高压泥浆软管为例计算其长度。

已知支持平台与井口平台上部甲板间距离为31.15 m，即档距l为31.15 m。101.6 mm(4英寸)高压泥浆软管中的液体密度为2 160 kg/m3，运用式(4)可计算出跨接软管的弧长为52 m。

2.3跨接软管距海平面高度计算

根据实际作业工况要求，除了304.8 mm(12英寸)泥浆回流软管的最低点可以处于海平面以下外，其余跨接软管的最低点需处在海平面以上，因此需准确计算跨接软管的弧垂，从而确定软管距海平面的高度。

已知井口平台主甲板距海平面高度25.8 m，支持平台主甲板距海平面高度16.2 m。由式(8)可得出101.6 mm(4英寸)高压泥浆软管的最大弧垂为8.68 m(距跨接点B点)，进而得出跨接软管最低点距海平面的高度为2.31 m。

2.4跨接软管端部连接张力计算

在计算跨接软管自身张力的同时，为了设计出满足跨接软管端部连接的结构，而需要计算出跨接点A、B处的张力大小。因此，运用式(13)可计算出MEP端跨接点A处高压泥浆软管(2根)的张力TA=47.68 kN，同时可计算出A点张力TA与x轴所成夹角θ=68.63°，其值可用于指导MEP端与跨接软管连接的弯头的设计选型；同理可运用该公式计算出TSV端跨接点B处的相应张力和夹角大小分别为29.67 kN和52.68°，指导TSV端跨接点结构设计及软管连接弯头设计选型。

3　结论

1)针对支持平台辅助钻井技术的作业特点，结合支持平台与钻井包间跨接软管的实际工况，给出了跨接式软管的弧长、弧垂以及跨接点的张力计算式。

2)结合跨接软管的具体参数，运用悬链线方程及相应的计算式，计算出了跨接软管长度、弧垂、跨接点张力以及夹角。其计算结果已用于支持平台与钻井包间跨接软管的设计及跨接点处结构设计，可满足工程实际要求。

3)本文中的分析方法和计算结果可用于指导海上大跨度高空跨接软管设计、安装和施工。

[1]高杭，李平，李鹏飞，等.海洋可搬迁模块钻机可行性研究[J].石油矿场机械，2008，37(1)：21-24.

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[5]王云庆，赵军凯，刘瑜珩，等.水下软刚臂系泊FPSO-SPM跨接软管更换[J].石油工程建设，2008，34(3)：17-19.

[6]王丹，刘家新.一般状态下悬链线方程的应用[J].船海工程，2007，35(3)：26-28.

[7]邢富冲.悬链线弛垂度的计算方法[J].数学的实践与认识，2004，34(11)：98-101.

Analysis and Calculation of Jumper Hose for the Tender Support Vessel Rig

WANG Anyi1，2，WANG Weixu1，2，ZHANG Yuanhong1，ZHAO Tao1，WANG Jingxiang1，2

(1.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China；2.National Oil & Gas Drilling Equipment Research Center，Baoji 721002，China)

According to the operation characteristics of Tender Support Platform auxiliary drilling technology，the jumper hoses between the Tender Support Platform and the Mast Equipment Package are researched，and combined with engineering application and the catenary equation，the length，line sag and end tension of jumper hoses are calculated.The methods and results can provide theoretical support to design of selection and end connection structure of jumper hose between the Tender Support Platform and the Mast Equipment Package，can also be used to guide the design，installation and construction of large-span offshore jumper hoses.

tender support vessel；rig；jumper hose；calculation

1001-3482(2016)05-0028-04

2015-10-18

国家高技术研究发展计划(863计划)“深水油气勘探开发技术与装备”项目“深水钻机与钻柱自动化处理关键技术研究”(2012AA09A203)

王安义(1983-)，男，湖南岳阳人，工程师，硕士，2010年毕业于西南石油大学工程力学专业，从事海洋油气钻机及其相关产品的研究设计工作，E-mail:wanganyi03031530@sina.com。

TE951

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.006