深水流速剖面對隔水管橫向載荷的影響.docx

1、深水流速剖面對隔水管橫向載荷的影響孝磋杉1,閭偉2,那金根2,旅未陽1(1.中海石沌(中國)有限公司，北京100600；2.中國石汨大學(北京)石油工程學院，北京102249)摘要：文章通過分析淺海海域流速梯度的計算方法，結合艾克曼海流理論，提出了新的深海流速割面的計算方法，并且通過理論計算和數(shù)值模擬比較了新老兩種計算方法對深水鉆井隔水管受到的海流橫向總載荷以及對底部撓性接頭橫向反力的影響。為海洋深水鉆井隔水管的海流載荷計算以及后續(xù)的水下井口穩(wěn)定性分析提供了新的理論參考。關鍵詞：深水鉆井；流速剖面；海流載荷；隔水管；井口穩(wěn)定doi:10.3969/j.issn.1001-2206.2012.0

2、4.003bhbwu閽生海流合成流在開闊的地區(qū)，的風生海流流速按下式計算:如果沒有統(tǒng)計數(shù)據(jù)，靜水平而()引言伴隨著石油工業(yè)的發(fā)展和技術的進步，海洋鉆井也邁向更深的海域。海洋鉆井過程中水F井口保持穩(wěn)定是各頊工程順利完成的前提，而環(huán)境載荷汁算又是分析水下井口穩(wěn)定性的基礎。在影響水下井【1穩(wěn)定性的各項載荷中，隔水管海流載荷所占的比例最大，所以如何準確計算海洋深水鉆井隔水管的海流載荷成為水下井口穩(wěn)定性分析的關鍵問題.日前介紹這方面計算方法的文獻較少，而建立在灘海理論基礎上的海洋結構載荷計算方法不能照搬于深水.為此，開展了對海洋深水鉆井隔水管海流載荷計算方法的研究。1海流載荷的計算公式求海流單獨作用時的

3、海流載荷即海流拖曳力按下式川計算：F=Q(y/2g)4oVc2式中F垂直作用于桿件軸線單位長度上的水動力/(N/m)；G拖曳力系數(shù)；y水的重度/(N/m3)；g重力加速度/(m/s2);.4o垂直于桿件軸線單位長度上的投影面積(對圓形桿件為直徑)/m；Vc垂直于桿件軸線的水流速度/(m/s)。由上式可知，要想計算出整個隔水管身所承受的海流力，必須計算出不同深度處海流的流速,即流速梯度。2淺海流速梯度計算在水深較小的水域(一般指水深小于150m),沒有實測海流資料的情況卜,可按照下式御來計算流速梯度："=*(奇)了+Vw(奇)(2)式中*海面的潮生海流速度/(in/s)；海面的風生海流

4、速度/(m/s)；>距海底的距離/m；/水深/m。各海流速度沿水深分布情況如圖1所示。風生海流淺海海流流速合成示意Vw=0.01Vw.(3)當*=0時，流速*=0,即認為海底的流速為0,由海底往上流速逐漸增加；當y=H時，流速為風生海流和潮生海流流速之和。3深海流速梯度計算方法的提出-般認為水深超過500m的海域為深海。目前海洋鉆井的深度已經達到1500m甚至更深，不能直接引用淺海地區(qū)的經輪計算公式，應當結合深海海流理論來分析深水隔水管所受的海流載荷。艾克曼(Ekman)理論認為風的切力是海洋上層海洋漂流的主要動力源，洋流流速主要是風生海流和潮生流流速的合成。根據(jù)艾克曼漂流理論，得到海洋

5、表面流速與風速的關系式以及摩擦深度的計算公式：Vc=Vsin4)D=Vsin巾式中4>地理緯度/(°)；D摩擦深度/m；V風水面風速/(m/s)o根據(jù)艾克曼漂流理論，當深度達到摩擦深度。時，由風引起的漂流已經十分微弱。由風引起的漂流沿深度是線性遞減的，到摩擦深度處近似為零，摩擦深度以F是較為低速穩(wěn)定的洋流，與潮生海流有關，這樣就得到r可用于深海區(qū)域結合了艾克曼理論的流速剖面的計算公式：（4）Uc=t（奇）+Vw（工%*D-）了NH-。y<H-D(6)各項參數(shù)意義同上，各海流速度沿水深分布情況如圖2所示。4實例計算為了比較淺海計算公式和深海計算公式，將非洲赤道某海域的海況資

6、料作為計算條件，計算參數(shù)見表1,這里假設風速與潮流流向一致。(1) 由風速和緯度計算摩擦深度。將風速和地理緯度代入(5)式可得：心=300(m)Vsin巾項目數(shù)值水深/m1000海面風速/(m/s)6.4表面洋流速度/(m/s)0.35(實測)地理緯度(。)1.5導管外徑/m0.5334曳力系數(shù)1.0海水敢度/(N/nP)10250圈2深海海流流速合成示意表1計算參數(shù)(2) 計算表面風生海流流速。將風速代入(3)式得：八=0.01V風=0.064(m/s)(3) 計算流速剖面。為了方便比較兩種計算方法在1000m水深一般工況下的計算結果，沒有考慮浮力塊對橫向載荷的影響，同時采用了兩點假設：其一

7、，海流是垂住于隔水管軸線入射的；其二，海流由方向一致的風生海流和潮生海流合成，這與實際情況有所差別。(4) 計算海流載荷。按(2)式、(5)式計算海流載荷，計算結果見圖34。圖3(b)和圖4(b)中曲線與坐標軸圍成的面積即為隔水管所受的總海流載荷，未修正的計算方法計算出的總海流載荷為23.3kN,修正后的計算方法得出的總海流載荷為19.7kN,二者相差3.6kNo如果不改進計算方法，海流載荷將增大18.3%。由圖3(b)和圖4(b)的比較可以看出，不僅總海流載荷大小有差別，而且海流載荷的分布也有較大差別，這將影響水下井口防噴器頂端橫向載荷的計算結果。(5) 計算防噴器頂端橫向反力。為了分析不同

8、海流流速(載荷)剖面下水F防噴器頂端產生的橫流速/(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海流載荷/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)隔水管載荷梯度(b)隔水管栽荷梯度圖3按淺海模式的計算結果圖4按深海

9、模式的計算結果向反力,用ANSYS的PIPE59單元進行用擬計算。隔水管受力悄況如圖5所示。頂部約束、平均海f面除*頂部張緊伸縮節(jié)浮力隔水管幣:址+泥漿訴出海流力r-芯隔水管冬部料束T海電圈5隔水管受力情況算例中鉆盤面高25m,水深1000m,曳力系數(shù)和慣性力系數(shù)均取1.0,海水密度1.025g/cm海流入射角為0。，不考慮波浪載荷的影響。計算結果見表2。改變計算方法前底部撓性接頭的橫向力是8732N,改進后是7236七用淺海流速剖面算法頂部橫向力/N底部撓性接頭的橫向力/N合力/N原算法12890873221622改進后算法10838723618073算法頂部橫向力/N底部撓性接頭的橫向力/

10、N合力/N原算法12890873221622改進后算法10838723618073表2流速割面計算法改進前后的計算結果對比公式計算的底部橫向力將增大20.7%。由此可見，不同流速剖面對底部撓性接頭的橫向力影響較總載荷更大些。5結論及建議(1) 在缺乏海流實測資料的前提下，提出了深水流速剖面的計算方法，為隔水管海流載荷計算及水F井口穩(wěn)定性分析提供了新的理論參考依據(jù)。(2) 海流沿隔水管產生的橫向載荷由上部鉆井船和下部水下井口共同承擔。載荷分布形式不同,上下兩個支點的反力就不同，這對于水下井口的穩(wěn)定性分析影響較大。不同計算方法對水卜,井口橫向力影響會更大一些，所以在優(yōu)化設計水下井口時，首-先應該考

11、慮如何建立合理的流速剖面。(3) 文章的主要目的是比較兩種流速剖面模式對隔水管橫向載荷和底部撓性接頭受載之間的差異，所以忽略了一些因素，例如：浮力塊、波浪作用等。(4) 一般認為取偏大的計算載荷有利于結構的安全性，但是取值過大不僅不能合理地優(yōu)化井口設計，還會造成材料的浪費，所以應該合理計算水下井口防噴器頂端的橫向載荷。(5) 不論是淺海區(qū)域的梯度流計算公式還是艾克曼漂流理論，都是一般氣象環(huán)境條件下得出的經驗公式，所以筆者基于艾克曼公式得出的公式也是在一般氣象環(huán)境載荷下具有參考意義，不適用于臺風、颶風等惡劣天氣，短時間內大風引起的流速剖面變化對隔水管橫向載荷的影響有待于進一步研究。參考文獻：(1SY/T4084-1995,灘海環(huán)境條件與載荷技術規(guī)范S.|2|薛強.海洋鉆井和采油工藝M.