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(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司， 廣東 深圳 518067)

圓筒形FWPSO鉆修井隔水套管升沉補(bǔ)償系統(tǒng)選型

袁曉兵，朱沫，楊文，歐宇鈞，王少平，曾冬

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，廣東深圳518067)

以南海流花海域?yàn)槟繕?biāo)海域，對(duì)圓筒形FWPSO(Floating Workover Production Storage and Offloading， FWPSO)隔水管升沉補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行適應(yīng)性對(duì)比及選型研究。通過理論計(jì)算和力學(xué)分析，對(duì)海上作業(yè)環(huán)境下隔水管升沉運(yùn)動(dòng)的主要因素及極端工況下的受力進(jìn)行分析，并基于計(jì)算結(jié)果對(duì)補(bǔ)償形式進(jìn)行適應(yīng)性分析。結(jié)果表明：雙聯(lián)式鋼絲繩型張緊器可滿足圓筒形FWPSO功能、布置空間及補(bǔ)償能力。

圓筒形FWPSO；隔水套管；升沉補(bǔ)償；張緊器

0 引 言

邊際油田[1]是指那些在現(xiàn)有的開發(fā)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件下經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差，但經(jīng)過努力可以達(dá)到預(yù)定最低經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的油田。在中國(guó)近海，許多已探明但未開發(fā)的海上油氣田便屬于邊際油氣田。邊際油氣田能否進(jìn)行開發(fā)，關(guān)鍵在于開發(fā)工程成本和鉆完井成本。圓筒形FWPSO(Floating Workover Production Storage and Offloading)是集修井、生產(chǎn)、儲(chǔ)存和外輸功能于一體的新型浮式設(shè)施，其功能集成度高、可重復(fù)利用、運(yùn)維方便、操作靈活，是降低邊際油田開發(fā)成本的新思路。

圓筒形FWPSO各向同性、無(wú)旋轉(zhuǎn)、無(wú)風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，在海洋鉆修井作業(yè)過程中，受風(fēng)浪等自然因素的影響會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)(如圖1所示)，包括相對(duì)于海平面上下起伏的升沉運(yùn)動(dòng)以及水平漂移[2]。當(dāng)在平臺(tái)上進(jìn)行起吊作業(yè)、修井作業(yè)時(shí)，z方向上的升沉運(yùn)動(dòng)以及xOy平面上的水平漂移會(huì)導(dǎo)致隔水套管的變形，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致隔水套管與井口或者浮體脫離甚至損壞。此外，由于圓筒形FWPSO具備儲(chǔ)存與外輸功能，其儲(chǔ)油狀況的變化會(huì)導(dǎo)致浮體吃水的變化，因而造成隔水套管的拉伸或者擠毀。為了避免上述情況的出現(xiàn)，必須采取措施對(duì)圓筒形FWPSO隔水管系統(tǒng)的升沉運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。

圖1 圓筒形FWPSO運(yùn)動(dòng)示意圖

1 圓筒形FWPSO的運(yùn)動(dòng)性能及升沉補(bǔ)償要求

1.1 圓筒型FWPSO運(yùn)動(dòng)性能

圓筒形FWPSO的運(yùn)動(dòng)性能是隔水管升沉補(bǔ)償系統(tǒng)選型的關(guān)鍵因素，它主要受2個(gè)方面因素的影響：(1)結(jié)構(gòu)特征；(2)風(fēng)、浪、流等自然條件。

根據(jù)FWPSO艙容、上部設(shè)施重量、浮體重量的要求以及穩(wěn)性、運(yùn)動(dòng)、強(qiáng)度等性能優(yōu)化和功能需求，確定圓筒形FWPSO的主尺度如圖2和表1所示。

圖2 圓筒形FWPSO主尺度

參數(shù)月池外徑/m水線處船體外徑/m主甲板外徑/m工藝甲板外徑/m阻尼板外徑/m主甲板高度/m工藝甲板高度/m雙層底高度/m設(shè)計(jì)吃水/m載重量/t取值12．088．098．0104．0110．045．051．02．432．0159000．0

設(shè)計(jì)作業(yè)工況為一年一遇季風(fēng)+內(nèi)波流，以南海流花海域?yàn)槔?，其環(huán)境條件見表2。

表2 南海流花海域修井工況下的環(huán)境條件

為確保浮體的整體穩(wěn)定性，圓筒形FWPSO的運(yùn)動(dòng)周期需避開南海風(fēng)浪周期(10～12 s)的集中范圍，其固有周期見表3，運(yùn)動(dòng)性能見表4。

表3 圓筒型FWPSO固有周期

表4 圓筒型FWPSO運(yùn)動(dòng)性能

1.2 圓筒型FWPSO升沉補(bǔ)償要求

升沉補(bǔ)償?shù)男谐讨饕芎Ｑ蟪毕⒋w水平偏移、垂蕩、吃水差、隔水管頂部張力變化以及應(yīng)急解脫工況下隔水管反沖6個(gè)方面因素的影響。

(1) 潮汐。 潮汐會(huì)引起圓筒型FWPSO相對(duì)位置的變化，南海流花海域的水位情況見表5，一年一遇環(huán)境條件下的潮差為2.15 m。

表5 南海流花海域的水位情況

(2) 船體水平偏移引起的補(bǔ)償行程。耦合系泊條件下船體的水平偏移量見表6。圓筒形FWPSO在耦合系泊條件下，按風(fēng)、浪、流同向，全極值，各向同性考慮，滿載修井工況時(shí)的水平偏移為22.97 m，此時(shí)因水平偏移引起的補(bǔ)償量為0.8 m。

表6 耦合系泊條件下的水平偏移

(3) 垂蕩。由表4可知：在壓載修井工況下，船體的垂蕩為0.11 m。

(4) 滿載、壓載工況時(shí)的吃水差。圓筒形FWPSO在修井過程中會(huì)經(jīng)歷從空載到滿載的過程，因此，升沉補(bǔ)償需考慮船體吃水的變化。根據(jù)模擬計(jì)算，滿載工況時(shí)的吃水為32 m，壓載工況下的吃水為25 m，吃水差為7 m。

表7 滿載和壓載工況下的船體情況

(5) 頂部張力變化引起的沖程。隔水管的彈簧常數(shù)為

式中：Ar為隔水管的橫截面積；Er為隔水管的彈性模量；Hr為隔水管的長(zhǎng)度。

假定隔水管最小張力是空管情況，則最小張力值為Tmin=1 540 kN，隔水管最大頂張力為(起防噴器工況)Tmax=2 633kN。頂部張力變化引起的沖程為

(6) 應(yīng)急解脫引起的反沖。在極端惡劣天氣等情況下，有時(shí)須采取臨時(shí)棄井的措施以確保隔水管及井口的安全。當(dāng)?shù)撞扛羲芸偝?Lower Marine Riser Package, LMRP)與防噴器緊急脫離后，儲(chǔ)存在隔水管系統(tǒng)中的巨大勢(shì)能將釋放出來，使隔水管出現(xiàn)反沖，若不采取控制措施，會(huì)引發(fā)災(zāi)難性事故[3]。緊急脫離后隔水管的反沖響應(yīng)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，涉及張緊器、隔水管、鉆井液及海水等的相互作用和耦合，難以精確描述[4]。當(dāng)遭遇極端惡劣天氣或者液壓缸脫開、張緊環(huán)失效時(shí)，關(guān)斷閥逐漸地切斷或者鎖停，給液壓缸供油以消除或者減少隔水管的反沖對(duì)系統(tǒng)的影響。但該過程不可避免地會(huì)引起隔水管的運(yùn)動(dòng)。因此，須由張緊器補(bǔ)償反沖產(chǎn)生的位移，通常取2 m。

補(bǔ)償行程共由6個(gè)部分構(gòu)成，且各部分相對(duì)獨(dú)立，因此，總的補(bǔ)償行程共計(jì)12.74 m，見表8。由于圓筒形FWPSO隔水管升沉補(bǔ)償行程較大，所選的升沉補(bǔ)償裝置應(yīng)滿足大補(bǔ)償行程的要求。

表8 補(bǔ)償行程 m

2 隔水管升沉補(bǔ)償系統(tǒng)選型

2.1 隔水管升沉補(bǔ)償型式

隔水管升沉補(bǔ)償系統(tǒng)又稱為張緊器，主要由主體、控制架、固定滑輪組、空氣壓力容器、主控制臺(tái)、慣性控制系統(tǒng)和蓄能器液體補(bǔ)充系統(tǒng)等部件組成，其主要作用是在鉆修井作業(yè)過程中對(duì)隔水管系統(tǒng)保持恒定的張力。通過司鉆控制室遠(yuǎn)程啟動(dòng)、設(shè)置、監(jiān)控和關(guān)閉控制閥塊，可以很好地調(diào)整壓力和張力。當(dāng)平臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，張緊器張緊缸收縮或伸長(zhǎng)。當(dāng)液缸伸長(zhǎng)時(shí)，壓縮空氣將通過控制閥塊進(jìn)入壓縮氣罐；當(dāng)液缸收縮時(shí)，壓縮空氣將沿相反方向通過控制閥塊。

隔水管升沉補(bǔ)償系統(tǒng)主要有平衡錘型、鋼絲繩型、液壓缸直接作用型和浮箱型等，其技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用情況見表9。

表9 隔水管升沉補(bǔ)償型式適應(yīng)性分析

由表9可知：針對(duì)圓筒形FWPSO升沉補(bǔ)償量大的特點(diǎn)，可選用鋼絲繩型隔水管升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，通過增加滑輪組減少液壓缸的受力，并縮小液壓缸的尺寸，從而降低投資成本和風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 張緊力計(jì)算

張緊力是隔水管升沉補(bǔ)償系統(tǒng)選型計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)。鋼絲繩型隔水管張緊器的繞繩數(shù)通常為4，此時(shí)液壓缸的尺寸和壓力組合最優(yōu)[5]，液壓缸的尺寸將縮短至升沉補(bǔ)償行程的1/4，而提供給隔水管的拉力等同于液壓缸推力的4倍。

當(dāng)緊急情況發(fā)生，LMRP被迫與水下防噴器解脫時(shí)，整個(gè)隔水管系統(tǒng)由張緊器懸掛，此時(shí)所需的張緊力最大，它包括隔水管系統(tǒng)的重量、LMRP在水中的重量以及整管泥漿作用在隔水管上的重量。此外，設(shè)計(jì)中還需考慮張緊器失效工況下的冗余量。由于隔水管張緊器在浮式平臺(tái)上圍繞井口對(duì)稱布置，當(dāng)一個(gè)隔水管張緊器失效后，其對(duì)角的張緊器也同步失效。因此，每根張緊鋼絲繩所需的張力為

式中：Fe為隔水管每根張緊鋼絲繩(或鏈條)所需的張力；Wr為隔水管在空氣中的總質(zhì)量；WLMRP為L(zhǎng)MRP在空氣中的總質(zhì)量；ρs為海水相對(duì)密度；ρr為隔水管相對(duì)密度；ρm為泥漿相對(duì)密度；dr為隔水管內(nèi)徑；Lr為隔水管長(zhǎng)度；z為隔水管張緊器的數(shù)量(一般為4，8，12個(gè))；φ為隔水管軸心線與隔水管張緊繩張緊后的夾角；K為隔水管超張緊力系數(shù)(一般約為1.25)。

原美國(guó)休斯頓近海公司推薦超張緊力系數(shù)公式為

式中：G為隔水管上端漂移與水深的比率；v為隔水管所受最大海流流速；H為海浪高。

隔水管系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表10。

表10 隔水管系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

將表10中的參數(shù)代入式(3)，計(jì)算不同張緊器個(gè)數(shù)時(shí)單個(gè)張緊器的張緊力，結(jié)果如圖4所示，可以看出：張緊器個(gè)數(shù)越少，單個(gè)張緊器所需張緊力越大，液壓缸的尺寸越大，制造工藝越高；張緊器個(gè)數(shù)越多，單個(gè)張緊器所需張緊力越小，布置空間要求越高。目前，生產(chǎn)方推薦的張緊力為267～890 kN，因此，張緊器個(gè)數(shù)為8時(shí)最合適。結(jié)合修井機(jī)的空間情況以及張緊器對(duì)稱布置的要求，選擇雙聯(lián)式鋼絲繩型隔水管張緊器可以在兼顧液壓缸尺寸壓力的情況下減小布置空間，如圖5所示。

圖4 隔水管張緊器個(gè)數(shù)優(yōu)選

圖5 雙聯(lián)式鋼絲繩型隔水管升沉補(bǔ)償系統(tǒng)

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 隔水管升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的選型需考慮張緊力和補(bǔ)償行程在最大工況下的要求，最大張緊力發(fā)生在軟懸掛工況，而最大補(bǔ)償行程需綜合考慮海洋潮汐、船體水平偏移、垂蕩、吃水差、隔水管頂部張力變化以及應(yīng)急解脫工況下隔水管反沖等6個(gè)方面的因素。

(2) 采用圓筒形結(jié)構(gòu)的FWPSO運(yùn)動(dòng)性能較好，在一年一遇季風(fēng)+內(nèi)波流條件下的垂蕩和橫搖較小，對(duì)升沉補(bǔ)償?shù)挠绊戄^小。

(3) 圓筒形FWPSO的吃水會(huì)隨著儲(chǔ)油和卸油過程發(fā)生較大變化，該變化須由隔水管升沉補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，這是圓筒形FWPSO補(bǔ)償行程較大的主要原因。

(4) 鋼絲繩型隔水管升沉補(bǔ)償系統(tǒng)可通過滑輪組將液壓缸的長(zhǎng)度縮短至升沉補(bǔ)償行程的1/4，而提供給隔水管的拉力等同于液壓缸推力的4倍，從而大幅提高液壓缸的補(bǔ)償能力。同時(shí)，可通過采用雙聯(lián)式鋼絲繩型張緊器減少布置時(shí)所需的空間。

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ModelSelectionofHeaveCompensationSystemofDrillingandWorkoverRiserinCylindricalFWPSO

YUAN Xiaobing， ZHU Mo， YANG Wen， OU Yujun， WANG Shaoping， ZENG Dong

(CNOOC EnerTech Equipment Technology Co., Ltd., Shenzhen 518067， Guengdong, China)

Taken the cylindrical FWPSO(Floating Workover Production Storage and Offloading) of Liuhua in South China Sea as a case study, the riser heave compensation techno-logy adaptability is analgzed. Through the theoretical calculation and mechanical analysis on the main factors of riser heave movement and extreme working conditions, the adaptability is analyzed based on the calculated results. It can be concluded that the double wire rope type tensioner can satisfy the function, space and compensation ability of the cylindrical FWPSO.

cylindrical FWPSO； riser； heave compensation； tensioner

1001-4500(2017)06-0093-06

2016-06-21

工信部重大專項(xiàng)“邊際油田生產(chǎn)裝置自主開發(fā)”(工信部聯(lián)裝[2016]26號(hào))

袁曉兵(1977-)，男，高級(jí)工程師

TE935

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