深水流速剖面对隔水管横向载荷的影响.docx

1、深水流速剖面对隔水管横向载荷的影响孝磋杉1,闾伟2,那金根2,旅未阳1(1.中海石沌(中国)有限公司，北京100600；2.中国石汨大学(北京)石油工程学院，北京102249)摘要：文章通过分析浅海海域流速梯度的计算方法，结合艾克曼海流理论，提出了新的深海流速割面的计算方法，并且通过理论计算和数值模拟比较了新老两种计算方法对深水钻井隔水管受到的海流横向总载荷以及对底部挠性接头横向反力的影响。为海洋深水钻井隔水管的海流载荷计算以及后续的水下井口稳定性分析提供了新的理论参考。关键词：深水钻井；流速剖面；海流载荷；隔水管；井口稳定doi:10.3969/j.issn.1001-2206.2012.0

2、4.003bhbwu阍生海流合成流在开阔的地区，的风生海流流速按下式计算:如果没有统计数据，静水平而()引言伴随着石油工业的发展和技术的进步，海洋钻井也迈向更深的海域。海洋钻井过程中水F井口保持稳定是各顼工程顺利完成的前提，而环境载荷汁算又是分析水下井口稳定性的基础。在影响水下井【1稳定性的各项载荷中，隔水管海流载荷所占的比例最大，所以如何准确计算海洋深水钻井隔水管的海流载荷成为水下井口稳定性分析的关键问题.日前介绍这方面计算方法的文献较少，而建立在滩海理论基础上的海洋结构载荷计算方法不能照搬于深水.为此，开展了对海洋深水钻井隔水管海流载荷计算方法的研究。1海流载荷的计算公式求海流单独作用时的

3、海流载荷即海流拖曳力按下式川计算：F=Q(y/2g)4oVc2式中F垂直作用于杆件轴线单位长度上的水动力/(N/m)；G拖曳力系数；y水的重度/(N/m3)；g重力加速度/(m/s2);.4o垂直于杆件轴线单位长度上的投影面积(对圆形杆件为直径)/m；Vc垂直于杆件轴线的水流速度/(m/s)。由上式可知，要想计算出整个隔水管身所承受的海流力，必须计算出不同深度处海流的流速,即流速梯度。2浅海流速梯度计算在水深较小的水域(一般指水深小于150m),没有实测海流资料的情况卜,可按照下式御来计算流速梯度："=*(奇)了+Vw(奇)(2)式中*海面的潮生海流速度/(in/s)；海面的风生海流

4、速度/(m/s)；>距海底的距离/m；/水深/m。各海流速度沿水深分布情况如图1所示。风生海流浅海海流流速合成示意Vw=0.01Vw.(3)当*=0时，流速*=0,即认为海底的流速为0,由海底往上流速逐渐增加；当y=H时，流速为风生海流和潮生海流流速之和。3深海流速梯度计算方法的提出-般认为水深超过500m的海域为深海。目前海洋钻井的深度已经达到1500m甚至更深，不能直接引用浅海地区的经轮计算公式，应当结合深海海流理论来分析深水隔水管所受的海流载荷。艾克曼(Ekman)理论认为风的切力是海洋上层海洋漂流的主要动力源，洋流流速主要是风生海流和潮生流流速的合成。根据艾克曼漂流理论，得到海洋

5、表面流速与风速的关系式以及摩擦深度的计算公式：Vc=Vsin4)D=Vsin巾式中4>地理纬度/(°)；D摩擦深度/m；V风水面风速/(m/s)o根据艾克曼漂流理论，当深度达到摩擦深度。时，由风引起的漂流已经十分微弱。由风引起的漂流沿深度是线性递减的，到摩擦深度处近似为零，摩擦深度以F是较为低速稳定的洋流，与潮生海流有关，这样就得到r可用于深海区域结合了艾克曼理论的流速剖面的计算公式：（4）Uc=t（奇）+Vw（工%*D-）了NH-。y<H-D(6)各项参数意义同上，各海流速度沿水深分布情况如图2所示。4实例计算为了比较浅海计算公式和深海计算公式，将非洲赤道某海域的海况资

6、料作为计算条件，计算参数见表1,这里假设风速与潮流流向一致。(1) 由风速和纬度计算摩擦深度。将风速和地理纬度代入(5)式可得：心=300(m)Vsin巾项目数值水深/m1000海面风速/(m/s)6.4表面洋流速度/(m/s)0.35(实测)地理纬度(。)1.5导管外径/m0.5334曳力系数1.0海水敢度/(N/nP)10250圈2深海海流流速合成示意表1计算参数(2) 计算表面风生海流流速。将风速代入(3)式得：八=0.01V风=0.064(m/s)(3) 计算流速剖面。为了方便比较两种计算方法在1000m水深一般工况下的计算结果，没有考虑浮力块对横向载荷的影响，同时采用了两点假设：其一

7、，海流是垂住于隔水管轴线入射的；其二，海流由方向一致的风生海流和潮生海流合成，这与实际情况有所差别。(4) 计算海流载荷。按(2)式、(5)式计算海流载荷，计算结果见图34。图3(b)和图4(b)中曲线与坐标轴围成的面积即为隔水管所受的总海流载荷，未修正的计算方法计算出的总海流载荷为23.3kN,修正后的计算方法得出的总海流载荷为19.7kN,二者相差3.6kNo如果不改进计算方法，海流载荷将增大18.3%。由图3(b)和图4(b)的比较可以看出，不仅总海流载荷大小有差别，而且海流载荷的分布也有较大差别，这将影响水下井口防喷器顶端横向载荷的计算结果。(5) 计算防喷器顶端横向反力。为了分析不同

8、海流流速(载荷)剖面下水F防喷器顶端产生的横流速/(m/s»)0.00.20.4流速/(m/s»)0.00.20.4(a)流速剖面海流我荷/kN0.00.51.00100200300s4()0W500*6007008009001000流速/(m/Q海流载荷/k、0.00.20.40.00.51.00r°1/100/100/200/200/300|3001&400=400*忘500$600«600/700700/800J8001900J900/1000JJ000(a)流速削面(b)隔水管载荷梯度(b)隔水管栽荷梯度图3按浅海模式的计算结果图4按深海

9、模式的计算结果向反力,用ANSYS的PIPE59单元进行用拟计算。隔水管受力悄况如图5所示。顶部约束、平均海f面除*顶部张紧伸缩节浮力隔水管币:址+泥浆诉出海流力r-芯隔水管冬部料束T海电圈5隔水管受力情况算例中钻盘面高25m,水深1000m,曳力系数和惯性力系数均取1.0,海水密度1.025g/cm海流入射角为0。，不考虑波浪载荷的影响。计算结果见表2。改变计算方法前底部挠性接头的横向力是8732N,改进后是7236七用浅海流速剖面算法顶部横向力/N底部挠性接头的横向力/N合力/N原算法12890873221622改进后算法10838723618073算法顶部横向力/N底部挠性接头的横向力/

10、N合力/N原算法12890873221622改进后算法10838723618073表2流速割面计算法改进前后的计算结果对比公式计算的底部横向力将增大20.7%。由此可见，不同流速剖面对底部挠性接头的横向力影响较总载荷更大些。5结论及建议(1) 在缺乏海流实测资料的前提下，提出了深水流速剖面的计算方法，为隔水管海流载荷计算及水F井口稳定性分析提供了新的理论参考依据。(2) 海流沿隔水管产生的横向载荷由上部钻井船和下部水下井口共同承担。载荷分布形式不同,上下两个支点的反力就不同，这对于水下井口的稳定性分析影响较大。不同计算方法对水卜,井口横向力影响会更大一些，所以在优化设计水下井口时，首-先应该考

11、虑如何建立合理的流速剖面。(3) 文章的主要目的是比较两种流速剖面模式对隔水管横向载荷和底部挠性接头受载之间的差异，所以忽略了一些因素，例如：浮力块、波浪作用等。(4) 一般认为取偏大的计算载荷有利于结构的安全性，但是取值过大不仅不能合理地优化井口设计，还会造成材料的浪费，所以应该合理计算水下井口防喷器顶端的横向载荷。(5) 不论是浅海区域的梯度流计算公式还是艾克曼漂流理论，都是一般气象环境条件下得出的经验公式，所以笔者基于艾克曼公式得出的公式也是在一般气象环境载荷下具有参考意义，不适用于台风、飓风等恶劣天气，短时间内大风引起的流速剖面变化对隔水管横向载荷的影响有待于进一步研究。参考文献：(1SY/T4084-1995,滩海环境条件与载荷技术规范S.|2|薛强.海洋钻井和采油工艺M.