基于流固耦合算法的采油树钻杆安装力学分析

欧阳赛赛，王 懿，刘亚男，张 凯，罗晓兰

(中国石油大学(北京)，北京 102249)



基于流固耦合算法的采油树钻杆安装力学分析

欧阳赛赛，王 懿，刘亚男，张 凯，罗晓兰

(中国石油大学(北京)，北京 102249)

根据水下采油树的钻杆安装流程，确定了安装工况的载荷和边界条件。建立了采油树钻杆安装的三维流固耦合力学模型，分析了浅水条件下钻杆安装采油树工况的应力分布和横向位移情况。计算结果表明，水下采油树在下放安装过程中，钻杆顶部位置会出现较大应力，同时钻杆底部发生严重横向偏移，海流力和采油树的重力对钻杆影响较大。下放过程中采油树的位置和角度偏移会为安装精度带来困难。通过钻杆力学分析可以预测采油树安装偏差，更好地指导实际工程中安装施工方案和ROV辅助对接作业。

水下采油树；钻杆；安装；流固耦合；有限元分析

水下采油树是水下生产系统的关键设备，采油树的下放安装是海洋油气开发的重要组成。水下采油树的安装方法有钻杆、绞车和摆动安装等，钻杆安装在中浅海具有独特的优势。为了能够确保采油树钻杆安装的安全与可靠，钻杆下放过程中的力学分析必不可少，国内外的研究多数集中在下放技术和工艺流程的开发[1-6]。林秀娟[7]建立了水下采油树下放过程钻杆二维力学分析模型，通过对模型进行数值求解，研究钻杆的横向位移、漂移角、弯矩和剪力。龚铭煊[8]通过建立钻杆二维模型进行有限元计算，分析不同边界条件和载荷作用下下放钻杆的应力、横向位移和变形情况。汤建冬[9]建立采油树月池无导向安装钻杆力学分析模型，基于材料力学小变形梁理论，建立弯矩平衡方程，采用有限差分法进行数值求解，推导出钻杆在安装过程中的横向位移、合力以及弯矩等求解公式。

上述研究因钻杆二维模型的局限性，存在如下不足：

1) 无法考虑采油树结构形态对下放钻杆的影响。

2) 无法考虑由于钻杆发生大变形而引起的海流力的变化。

本文建立了钻杆和采油树的三维模型，通过流固耦合的方法分析下放安装采油树时钻杆的受力情况。

1 采油树钻杆下放安装分析

1.1 钻杆安装工艺流程

水下采油树的下放安装处于深海环境，安装工艺十分复杂，钻杆在下放过程中要受到海流和海浪的冲击作用、钻杆和采油树的轴向拉伸作用以及海上平台运动的影响，分为4个阶段，如图1所示[7]。

图1 采油树下放安装流程

1) 水下采油树下放经过月池，穿越飞溅区，刚刚没入水中。

2) 采油树下放到海中，本体及钻杆受到波浪力和海流力的共同作用。

3) 采油树下放到距离井口距离约15 m处，采油树因海流较小受到的作用可以忽略，系统主要作用为钻杆受到的海浪和海流。

4) 水下采油树已经安装在井口上，钻杆受到海浪和海流作用的共同影响，下端与井口头固定。

由于在第3阶段中钻杆已下放一定深度，且底部及所连接的采油树一直处于自由状态，导致在第4阶段钻杆形变量最大，并且易发生危险。本文重点对此阶段进行分析。

1.2 计算方法

水下采油树下放安装过程受力情况如图2所示。为方便研究，此模型中做如下假设：

1) 钻杆是整体连续的、材料均匀且各向同性。

2) 海流流速随着深度增加线性递减，直至海底。

3) 采油树树体结构简化为边长为2 m的立方体。

4) 钻杆与采油树视为整体，不考虑其接触。

图2 采油树下放安装受力示意

钻杆上受到的波浪力由拖曳力和惯性力组成，其中拖曳力是因海水流过钻杆时的速度引起，惯性力是因海水的加速度引起。根据Morison方程，波浪力的计算方程[10-11]为

(1)

式中：fD为钻杆在单位长度上所承受的阻力；f1为钻杆在单位长度上所承受的惯性力；CD为阻力系数；ρ1为海水密度；D为钻杆的外径；CM为惯性力系数；u为垂直于钻杆轴线的水质点水平速度；du/dt为垂直于钻杆轴线的水质点水平加速度。

根据Airy波理论，水质点水平速度和水平加速度分别为

(2)

式中：H为波高；T为波浪周期；t为质点的运动时间；λ为波长；x为质点水平方向偏移量，z为距离海底深度；l0为钻杆下放深度。

海流力的计算方程为

(3)

式中：vC为距海底z处的海流速度；u1为海面处的潮流速度；u2为海面处的海流速度。

2 数值计算及分析

2.1 有限元模型

以500 m水深为例，建立基于ANASYS WORKBENCH的海洋流场、钻杆和采油树的有限元计算模型如图3。海洋流场水深500 m、长300 m、宽100 m、海水密度1 025 kg/m3，海面流速1 m/s，海底流速0.4 m/s。钻杆位于海洋流场中部，下放长度498 m。钻杆外径139.7 mm、壁厚10.54 mm、弹性模量210 GPa、泊松比0.3，钻杆密度7 850 kg/m3，重力加速度为9.8 N/kg。采油树质量为50 t，建立采油树的简化模型，即边长为2 m的正方体，采油树密度7 850 kg/m3，弹性模量210 GPa、泊松比0.3，重力加速度为9.8 m/s2。

图3 有限元计算模型

模型的网格划分采用多区域扫掠型，生成六面体网格如图4。为了兼顾计算的准确性和高效性，钻杆和采油树的网格划分及其临近的流场网格划分较密，其他流场区域较疏。

图4 有限元模型的网格划分

2.2 边界条件和载荷

为模拟采油树下放安装过程中受海流冲击作用，设置流场入口边界为速度入口，流速为反映实际海况的函数Flowrate=(0.6/500×y+0.4)/1[s]。采用常规k-Epsilon湍流模型，因算例中的湍流强度较低，所以设置强度为1%，湍流长度为0.25 m。出口边界为压力出口，大小为0 Pa，湍流参数与入口一致。流场模拟海洋环境，流场侧面、顶面和底面对流场影响极小，边界属性可设置为wall属性。

钻杆顶部夹持于平台的张紧器中，设定为固定约束。过程中，钻杆和采油树受到海流力、自身重力和浮力。

2.3 计算结果和分析

本算例中，钻杆表面为主要耦合面，钻杆表面的载荷分布情况对分析结果有很大影响。选取采油树已下放至海底的情况为例，钻杆表面的应力云图如图5。可知在钻杆顶部的应力较大，底部较小，基本呈线性分布。底部钻杆在海流冲击下发生横向位移，对钻杆表面的应力分布产生的影响不大。

图5 钻杆表面的应力云图

下放至500 m时的钻杆应力云图如图6，为提取流固耦合计算结果的最大应力，选取钻杆外径上点1和点2为路径绘制云图。对比ANSYS流固耦合和ABAQUS无耦合[8]计算结果，最大应力均出现在钻杆顶部，大小分别为65.8 MPa和62.59 MPa，计算结果相差4.8%。最小应力出现在钻杆底部，大小分别为58.4 MPa和46.4 MPa，计算结果相差较大，已达20.5%。引起钻杆底部应力相差较大的原因为，ABAQUS无耦合计算中所建立模型为二维模型无法考虑采油树，而采油树体积庞大，受到海流力对钻杆产生的影响不可忽视。所以，流固耦合计算结果优于无耦合的情况。

本算例海水流速的选取为平静海况，海流流速平稳且较小。当海况恶劣时，流速激增，平台起伏摆动严重，钻杆上的应力会增大，有发生断裂的危险。因此，在进行采油树下放安装作业时，要注意天气情况。

图6 钻杆的应力分布

图7为钻杆的位移云图，对比ANSYS流固耦合和ABAQUS无耦合计算结果，最大位移分别为7.68 m和6.48 m，相差15.6%。位移计算结果与应力计算结果相符。

采油树正常下放时，不可避免地出现位置偏移，下放深度越大，偏移量越大，偏转角将与偏移同时出现，一般随偏移量增加而增大，对ROV辅助对接工作要求越高。

图7 钻杆的横向位移云图

表1为下放至不同深度，钻杆最大应力及位移的流固耦合计算结果。在不同下放深度的计算中，最大应力的出现位置均为钻杆顶部，最大位移均出现在钻杆底部。随着下放深度的增加，应力最大值的变化较慢，而位移最大值的变化较快，这是由于钻杆受到的海流力小于采油树对钻杆的拉力，而钻杆的刚度却随着下放深度的增加而减小，更容易发生变形。

表1 不同下放深度的流固耦合计算结果

3 结论

1) 采用流固耦合算法对水下采油树钻杆下放力学分析可以得到更为精确可靠的结果，下放至500 m时，钻杆最大应力为65.8 MPa，最大横向位移为7.68 m。基于流固耦合的钻杆力学分析可以结合涡激振动进一步研究，更全面地模拟采油树下放安装过程。

2) 水下采油树用钻杆下放安装时，钻杆的应力最大处为张紧器夹持处，因此要尽量减小船体运动。注意采油树下放安装时的天气以及海流的变化，并且使用具备动力定位和升沉补偿的钻井船进行安装作业，以降低采油树安装的风险。

3) 水下采油树下放至海底时，会不可避免地产生位移和偏转角。采油树所受海流力对偏转的影响可达10%～20%，可通过采油树的形状设计或者下放时在采油树外部安装球形外壳结构以减小其海流力。实际工程中要预先通过模拟计算偏移幅度，指导ROV完成辅助对接作业。

[1] Thomas J S.Subsea hardware installation from an FDPSO[R].OTC 20495，2010.

[2] Voss R，Moore T.Subsea tree installation，lessons learned on a West Africa development[R].OTC 15371，2003.

[3] Guan Zhichuan，Su Kanhua，Su Yinao.Numerical simulation of subsea wellhead stability for deepwater drilling[R].SPE 130823，2010.

[4] Jordanm M，Sjuraether K，Collins I R．Life cycle management of scale control within subsea fields and its impact on flow assurance，Gulf of Mexico and the North Sea Basin[R]．SPE 71557，2001.

[5] 王懿，段梦兰，李丽娜．深水立管安装技术进展[J]．石油矿场机械，2009，38(6)：4-8．

[6] 王立忠．论我国海洋石油工程技术的现状与发展[J]．中国海洋平台，2006，21(4)：9-11.

[7] 林秀娟，肖文生，王鸿雁．深水采油树下放过程钻柱力学分析[J]．中国石油大学学报：自然科学版，2011，35 (5)：125-130.

[8] 龚铭煊，刘再生，段梦兰．深海水下采油树下放安装过程分析与研究[J]．石油机械，2013，41(4)：50-54.

[9] 汤建冬，尚照辉，阮伟东．采油树月池无导向安装力学分析[J]．低温建筑技术，2015(9)：72-75.

[10] WILSON J F．海洋结构动力学[M]．杨国金，郭毅，唐钦满，等译．北京：石油工业出版社，1991.

[11] 何生厚，洪雪福．浅海固定式平台设计与研究[M]．北京：石化出版社，2003：47-49.

Drill String Mechanical Analysis of Running Underwater Christmas Tree Based on Fluid-structure Interaction

OUYANG Saisai，WANG Yi，LIU Yanan，ZHANG Kai，LUO Xiaolan

(ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)

The running and installment process of underwater christmas tree is very important to offshore oil and gas development.In the paper，the important installment stage was determined by analysis of the running installment technological process of underwater christmas tree.The mechanical analysis model of drill string in the running and installment process of underwater christmas tree was established.The fluid-structure interaction computation analysis of the model was conducted．The stress and lateral displacement under the normal ocean condition were analyzed.The results show that the maximum stress and lateral displacement were produced by the running drill string in the running installment process of the christmas tree，the wave and charismas tree had great influences on the drill string.The angular distortion and displacement had effect on installment process of the christmas，and the ROV could be used to complete the installment better with the drill string mechanical analysis of underwater christmas tree.

underwater christmas tree；drill string；installment；fluid-structure interaction；FEM

2016-05-12

国家工信部2013年高技术船舶(海洋装备)科研项目——水下采油树配套工具

欧阳赛赛(1990-)，男，辽宁朝阳人，硕士研究生，2012年毕业于中国石油大学(北京)，研究方向为海洋石油装备，E-mail：1011747654@qq.com。

1001-3482(2016)11-0039-05

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.008