动力定位钻井作业装置漂移分析

王荣耀，盛磊祥，许亮斌，刘秀全

(1.湖南城市学院 机械与电气工程学院，湖南 益阳 413000；2.中海油研究总院有限责任公司，北京 100027；3.中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心，山东 青岛 266580)

当动力定位钻井作业装置突然失去动力时，会在风、浪、流的共同作用下发生漂移(drift-off)，这个时候需要借助分析来确定漂移的极限点，以便平台在漂移到极限位置前能够采取有效措施来解脱隔水管，保障设备和人员安全.另外，有时平台动力存在但动力定位系统失效，平台会在推动力作用下偏离井口，发生驱离(drive-off)事件.驱离事件发生时，通常需要关停动力定位作业装置的推进器，将驱离事件转化为漂移事件来处理.

我国南海的海域蕴藏着丰富的油气资源，其中大部分位于深水水域[1].深水钻完井普遍采用动力定位钻井平台(船)实施作业，南海特殊的台风和内波流环境给动力定位钻井作业装置的定位安全性带来了挑战.本文基于ISO规范[2]的一般要求，采用有限元分析方法建立动力定位钻井作业装置的漂移分析模型，开展动力定位钻井作业装置漂移分析，为动力定位钻井作业装置漂移事件发生时的作业决策提供指导.

1 漂移力计算的数学模型

动力定位作业装置的漂移力计算需考虑其在风、海流、波浪、阻尼和水动力载荷，以及隔水管引起的载荷等作用下的的低频响应.其中，隔水管引起的载荷通过平台与隔水管的耦合模型予以考虑；风、海流、波浪、阻尼和水动力载荷则是单独考虑，其作用位置为平台重心.

以动力定位装置的重心为原点，在局部坐标系中考虑环境荷载的影响，坐标系的定义如图1所示.动力定位作业装置的纵荡(surge)方向定义为局部y坐标方向；横荡(sway)方向定义为局部z坐标方向；实时艏向θ以整体坐标Y轴的逆时针方向为正.

图1 坐标系定义

根据其在水平面内的运动形式，动力定位作业装置将受到纵荡方向的作用力Fy、横荡方向的作用力Fz和作用于重心的摇艏运动力矩Mθ/G这3个自由度的广义力作用.风和海流方向的定义同样也是以整体坐标Y轴逆时针方向为正，与前述动力定位作业装置实时艏向θ的定义类似.

1.1 水动力载荷

作用于动力定位作业装置上的水动力载荷FHy，FHz和MHθ/G的计算表达式为

其中，FHy和FHz分别表示作用于动力定位作业装置y方向和z方向的水曳力；MHθ/G表示作用于动力定位作业装置几何中心的水曳力矩；Mayy，Mazz，Maθθ和Mazθ分别表示动力定位作业装置纵荡运动、横荡运动、摇艏运动和横荡-摇艏耦合运动的附加质量；θ表示动力定位作业装置的实时艏向；u′和v′分别表示动力定位作业装置与海流的相对速度在局部坐标系y和z方向的分量.

1.2 海流载荷

作用于动力定位作业装置上的海流载荷FCy，FCz和MCθ/G的计算表达式为

其中，FCy和FCz分别表示作用于动力定位作业装置y方向和z方向的海流力；MCθ/G表示作用于动力定位作业装置几何中心的海流力矩；ρW为海水密度；CCy，CCz和CCθ分别表示当前入射方向下动力定位作业装置纵荡、横荡和摇艏方向的曳力系数；T为动力定位作业装置的吃水深度；B为动力定位作业装置迎流面的宽度；Lbp为动力定位作业装置首尾垂线之间的距离；uC为海流流速.

1.3 波浪载荷

作用于动力定位作业装置上的波浪载荷的计算表达式为

其中，FDG(t)表示作用于动力定位作业装置的波浪载荷(FDy，FDz和MDθ/G)；ak表示波浪谱中第k阶波幅值；ωk表示波浪谱中第k阶波频率；φk表示波浪谱中第k阶波相位；QTFG表示波浪在当前入射方向和频率下的二次传递函数值.sign(QTFG)表示QTFG的符号，即当QTFG＜0时，其值为-1；当QTFG=0时，其值为0；当QTFG＞0时，其值为1.

1.4 阻尼载荷

作用于动力定位作业装置上的阻尼载荷的计算式可表示为

其中，FBy和FBz分别表示作用于动力定位作业装置y方向和z方向的阻尼力；MBθ/G表示作用于动力定位作业装置几何中心的阻尼力矩；Byy，Bzz和Bθθ分别表示动力定位作业装置纵荡、横荡和摇艏运动的线性阻尼系数.

1.5 风载荷

作用于动力定位作业装置上的风载荷可通过式(5)进行计算，即

其中，FWy和FWz分别表示作用于动力定位作业装置y方向和z方向的风力；MWθ/G表示作用于动力定位作业装置几何中心的风力矩；CWy，CWz和CWθ分别表示在当前入射方向下，动力定位作业装置纵荡、横荡和摇艏方向的风载阻尼系数；ρa表示当前环境条件下的空气密度；AT和AL分别表示动力定位作业装置横荡和纵荡方向的迎风面积；uW为风速.

2 分析流程和分析模型

动力定位作业装置的漂移分析以动力定位作业装置-隔水管系统为对象，其分析流程如图2所示.需要进行的分析计算包括漂移发生后的静态/动态分析、弱点位置计算以及隔水管系统解脱点的确定[3].

图2 漂移分析流程

漂移分析首先需要进行的工作是确定隔水管系统解脱程序启动时间的判断准则，这些准则包括作用于结构上的载荷是否超出其承载能力，以及管柱的变形是否会引发结构干涉和碰撞等[4-7]，其具体内容如图3所示.一旦上述因素有一项超出准则要求，就需要立刻启动隔水管系统的紧急解脱程序，以保护隔水管系统及动力定位作业装置的安全.

图3 漂移过程中隔水管系统解脱时间的判断准则

建立动力定位作业装置漂移分析的有限元模型，如图4所示.考虑钻井液和海水浮力的影响，采用管单元模拟隔水管，利用非线性弹簧建立土壤模型，导管底部设置为固定端，并通过自定义应力-应变曲线模拟张力器的张力特性.

图4 分析模型

3 实例分析

3.1 基础数据

以我国南海某深水井为例进行实例分析，该井水深约750 m，采用的隔水管顶部张力为3.56 MN，分析采用的风速为18 m/s，海流表面流速为0.88 m/s，波浪采用P-M谱进行模拟，有效波高为4.5 m，峰值周期为9.8 s.

漂移分析除需要风速、流剖面、波高和波浪周期等数据外，还需要用到动力定位作业装置在不同方向的流系数、风系数、波浪系数和附加质量等.其中，流系数和风系数分别如图5～图6所示.

图5 流系数

图6 风系数

分析采用动力定位作业装置为钻井平台，其与分析有关的主要几何参数如表1所示.

表1 平台几何参数

隔水管系统解脱程序启动时间的判断准则所采用的限制值如下：

1)下挠性接头转角限制为6°；

2)伸缩节冲程限制为8.4 m；

3)张力器活塞杆冲程限制为7.6 m；

4)隔水管系统等效应力限制为0.67σy，其中σy为隔水管材料的许用应力(文中隔水管采用的材料为X80钢，其许用应力值为552 MPa)；

5)井口和导管弯矩限制为7.12×106N·m.

3.2 漂移分析

计算得到的漂移曲线如图7所示.图7中A为平台的漂移时间-距离曲线，B为隔水管系统紧急解脱点对应的时刻和位置.目标平台EDS执行时间为46 s，假定平台从作业状态到EDS启动的准备时间为25 s，则由解脱点发生的时刻和位置可以推出开始启动紧急脱离程序和开始准备紧急脱离程序的时间和位置.

图7 平台漂移曲线

由图7可以得出：

1)黄色警戒线(开始准备紧急解脱，图中标注为D

)与漂移初始位置的距离为16 m；

2)红色警戒线(开始启动紧急解脱程序，图中标注为C)与漂移初始位置的距离为30 m；

3)紧急解脱点与漂移开始位置的距离为65 m；

4)平台漂移至黄色警戒线位置需时50 s；

5)平台漂移至红色警戒线位置需时75 s；

6)平台从漂移开始到完成解脱的时间间隔为121 s.

在该井现场作业过程中，平台实际采用的黄色警戒线与平台距离为16 m，红色警戒线与平台距离为32 m，与本文的计算结果非常接近，这说明本文的计算方法和模型具有较高的精度，对现场作业有一定的指导意义.

3.3 影响因素分析

隔水管顶部张力是影响隔水管安全的重要因素，也是影响平台漂移参数的重要因素.不同顶部张力下平台的漂移参数见表2.从表2中可看出，顶部张力越大，漂移的应急时间就越短，顶部张力对平台的漂移应急时间有一定影响，但影响不大.

表2 不同顶部张力下平台漂移参数

环境载荷对平台漂移有着重要影响，不同海流载荷和风载荷下平台的漂移参数如表3～表4所示.从表3和表4中可看出，海流流速越大，漂移许可的应急时间就越短；风速越大，漂移许可的应急时间也越短.因此，在恶劣的环境载荷条件下，现场作业需要注意避免平台漂移事件的发生.

表3 不同海流载荷下平台漂移参数

表4 不同风载荷下平台漂移参数

4 结论与建议

1)研究了深水动力定位作业装置漂移分析方法，并基于有限元方法建立了漂移分析模型.以我国南海某深水井为例进行实例分析，并用现场作业中实际采用的数据对分析结果进行验证，结果表明了该分析方法和模型对现场作业有一定的指导意义.

2)隔水管顶部张力对平台的漂移应急时间有一定的影响，顶张力越大，漂移的应急时间就越短；环境载荷对平台漂移有着重要影响，海流流速和风速越大，漂移许可的应急时间就越短.因此，在恶劣环境载荷条件下，现场作业应注意避免平台漂移事件的发生.

3)动力定位作业装置是深水/超深水钻井的重要装备.在恶劣环境状况下，该系统失效造成的漂移会对深水钻井隔水管和水下井口造成重要影响.本文的模型和方法为相关研究提供了技术手段，可为保障深水钻井作业安全提供支持.