李歡，鄭萬里，樊春明， 李鵬， 范松

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002；2. 國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞721002）

0 引 言

作為連接井口防噴器與鉆井平臺之間的重要通道，鉆井隔水管系統(tǒng)是海洋石油勘探開發(fā)關(guān)鍵而又薄弱的環(huán)節(jié)[1-2]。而隔水管張緊系統(tǒng)為隔水管提供張力，補(bǔ)償鉆井平臺運動對隔水管系統(tǒng)的影響，控制隔水管系統(tǒng)的位移和應(yīng)力，并能在浮式平臺作垂直或水平運動時，使隔水管的頂部張力近似保持恒定。作為浮式鉆井隔水管系統(tǒng)的關(guān)鍵裝備，隔水管張緊系統(tǒng)已成為新建浮式鉆井船或鉆井平臺的標(biāo)準(zhǔn)配置[3]。

目前，傳統(tǒng)的張緊器設(shè)計過程中通常采用手工計算的方式，通常采用絕熱氣體計算公式計算出液缸沖程-張力曲線[4]，未考慮到滑輪組轉(zhuǎn)動慣性對系統(tǒng)的影響及隔水管和鋼絲繩彈性變形導(dǎo)致的振動等因素，具有一定的局限性。針對上述問題，采用AMESim聯(lián)合仿真平臺研究鋼絲繩式隔水管張緊系統(tǒng)，分析其性能及影響因子，研究充放氣工況，為張緊器的設(shè)計和優(yōu)化提供了一種新的思路。

1 系統(tǒng)原理

1.1 張緊器原理

張緊系統(tǒng)的關(guān)鍵部件為張緊器，正常情況下，隔水管張緊系統(tǒng)采用對稱布置的形式，鋼絲繩之間的水平張力相互抵消，系統(tǒng)形成垂直向上的合力，該合力用于克服船體升沉運動對隔水管串的影響。

鋼絲繩式隔水管張緊器由液缸蓄能器、滑輪組、支架組成，由液缸、蓄能器液端通過管路直接連接。每只液缸和對應(yīng)的蓄能器為活塞式蓄能器，活塞起隔絕液壓油和空氣的作用，高壓氣瓶組位于船艙內(nèi)部，氣瓶組出氣端通過壓力管道與蓄能器的氣端相連，每只蓄能器均獨立與一定數(shù)量的氣瓶相連，每只張緊器的張力均可單獨調(diào)節(jié)。

1.2 隔水管數(shù)學(xué)模型

不考慮隔水管串的橫向受力（該力是由于水流或船體漂移導(dǎo)致）和隔水管串模型的細(xì)長桿特性，在振動力學(xué)中通常采用瑞利法來近似模擬[5-6]。對于隔水管串這種類型的彈性體，隔水管串總質(zhì)量分布為上下兩個集中質(zhì)量塊m1和m2，忽略泥漿和隔水管之間存在的摩擦力，在搭建隔水管時不考慮泥漿對隔水管的影響。如圖1所示，上部質(zhì)量塊m1為水面附近不帶浮力塊的隔水管質(zhì)量，下部m2的質(zhì)量為剩余隔水管串總質(zhì)量的1/3，水下LMRP和泥漿（MUD）與下部質(zhì)量塊m2看成一個集中載荷，放置在彈簧模型的末端。

1.2.1 隔水管剛度模型

隔水管串在反沖過程中假定為彈簧模型，其彈簧剛度為

式中：E為隔水管彈性模量，取210 GPa；A為隔水管截面積；L為隔水管串長度。

1.2.2 海水阻尼模型

海水對于隔水管串的運動阻力可用冪律流體的計算公式進(jìn)行簡化計算：

式中：τ為剪切力：μ為稠度系數(shù)：γ為剪切速率；k為流變指數(shù)。

將海水設(shè)為牛頓流體，流變系數(shù)k取1，可以得到海水的阻力計算公式為

式中：μsea為海水稠度系數(shù)，取1.5；D為隔水管串水下動力學(xué)外徑，取1.3716 m；Vriser為隔水管串上升速度。

1.3 仿真模型搭建

以我公司生產(chǎn)的DRT-250K雙聯(lián)隔水管張緊器搭建3000K隔水管張緊系統(tǒng)，采用6組12根張緊繩的布局方式，隔水管系統(tǒng)參考南海某平臺2355 m作業(yè)水深配置情況，結(jié)合1.2節(jié)數(shù)學(xué)模型，考慮到隔水管張緊系統(tǒng)由多個重復(fù)的張緊器構(gòu)成，為減小仿真計算量，對系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)簡化，用單根張緊器和簡化后的隔水管搭建仿真模型，單根張緊器力學(xué)性能的12倍即為系統(tǒng)的力學(xué)性能，運動特性和系統(tǒng)保持一致。在AMESim軟件中搭建隔水管張緊器仿真模型如圖2所示，隔水管張緊器仿真部分關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

2 張緊器性能影響因子分析

2.1 作業(yè)海況對系統(tǒng)性能影響分析

分析不同海況對張緊系統(tǒng)性能的影響，分別將5～8級海況帶入模型中進(jìn)行批處理得到張緊器性能曲線如圖3所示，其中海況等級對應(yīng)的參數(shù)為目標(biāo)船型計算而來[7]，統(tǒng)一以正弦曲線模擬隨機(jī)波浪。

由圖3和表2可以看出，隨著海況的逐漸惡劣，隔水管頂部張力波動變大，主要原因是由于升沉速度的加快引起流體阻力變大導(dǎo)致的。海況變差將導(dǎo)致最小頂部張力變小，所以隨著海況的惡劣，應(yīng)適當(dāng)增加頂張力。

表1 仿真部分關(guān)鍵參數(shù)

2.2 氣瓶容積對系統(tǒng)性能影響分析

現(xiàn)以4級海況、2355 m水深為模型仿真條件，分析不同氣瓶體積對系統(tǒng)性能的影響。

表2 不同海況下系統(tǒng)仿真結(jié)果

由圖4可知，單缸對應(yīng)的工作氣瓶體積越大，隔水管頂部張力波動越小，這和理論計算值一致；單缸對應(yīng)的工作氣瓶體積越大，隔水管頂部張力中位值越大，即頂張力和頂部位移呈現(xiàn)變大的趨勢，相應(yīng)的氣瓶壓力也越大，該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是仿真初始的隔水管軸向拉伸和鋼絲繩拉伸引起的，氣瓶體積越大，將導(dǎo)致隔水管和鋼絲繩的拉伸越大。

2.3 氣路管道長度對系統(tǒng)性能影響分析

現(xiàn)以4級海況、2355 m水深為模型仿真條件，管道內(nèi)徑20 mm，分析不同氣路管道長度對系統(tǒng)性能的影響。由圖5可以看出，氣路管線長度對系統(tǒng)性能影響較小，這里主要原因是氣路管道模型為理想模型，加之運動速度較慢，管路損失較小，整體管線長度對于整個系統(tǒng)的性能影響可以忽略。

2.4 氣路管道尺寸對系統(tǒng)性能影響分析

現(xiàn)以4級海況、2355 m水深為模型仿真條件，管道長度為20 m，分析不同氣路管道尺寸對系統(tǒng)性能的影響。

由圖6可知，氣路管道尺寸對系統(tǒng)的影響主要原因在于管線節(jié)流損失及氣體總體積的影響，具體表現(xiàn)為氣路管道尺寸越小，系統(tǒng)張力波動變大，相應(yīng)的隔水管的運動相位將產(chǎn)生滯后。

3 充放氣研究

由于充放氣過程屬于非線性、等溫過程，利用AMESim建立充放氣簡化模型，仿真得到充放氣時間。建立充放氣模型如圖7所示，模型分為工作氣瓶組、備用氣瓶組、控制模塊和空氣壓縮機(jī)，流體介質(zhì)為干空氣（實際氣體、范德瓦爾斯模型）。

由圖8可知，對于工況Ⅰ所需的時間為2150 s，平衡后壓力可達(dá)7.1 MPa，該工況預(yù)計充氣時間為35.8 min。由圖9可知，對于工況Ⅱ所需的時間為156 600 s，所以該工況預(yù)計充氣時間為43.5 h。由圖10可知，對于工況Ⅲ所需的時間為97 200 s，所以該工況預(yù)計充氣時間為27 h。由圖11可以得到，在管徑20 mm、管道長度20 m的情況下，將所有氣瓶放氣至安全壓力（小于1 MPa）所需的時間為14 400 s，合計4 h。

表3 充放氣工況表

4 結(jié) 語

1）由于隔水管張緊器的“液氣彈簧”原理，加上隔水管串及鋼絲繩的彈性變形，整個張緊系統(tǒng)在海況較好的情況下張力波動很小，隔水管頂部張力幾乎保持恒定，有效地保障了海洋鉆井作業(yè)的順利開展。

2）隔水管張緊器的工作性能受海況影響較大，主要體現(xiàn)在隨著海況的惡劣，隔水管頂部張力波動將變大。氣瓶容積、管線長度對系統(tǒng)性能影響較小，管線內(nèi)徑不大于50 mm時對系統(tǒng)波浪跟隨性帶來一定影響。

3）利用備用氣瓶為工作氣瓶進(jìn)行增壓操作是一種切實有效的途徑，通過仿真可以得到隔水管系統(tǒng)在不同工況下的充放氣時間，操作人員可利用該時間合理安排鉆井作業(yè)流程。