海洋工程第9章 钻井和生产立管
海洋工程9
和刹车系统
• 锚泊设备: 锚泊设备主要是牵引就位锚，兼作临时锚泊。
• 起重设备: 采用液压操作系统。其主要数据有：
• 1) 起重设备的吊机应符合CCS的要求，应具有载荷监控 和安全警报系统。起吊范围能照顾整个井场和钻台。
• （5）自存工况系指极端环境条件下，平台不能继续作业， 但可通过调整可变载荷或放弃部分载荷以及其他措施以达 到某种较为安全的状态
• 操作手册
• 平台上应备有一份可供所有人员随时使用 的操作手册，作为在正常情况和预料到的 紧急情况下安全操作平台的指南。该手册 除了介绍平台总体情况外，还应包括所有 对平台至关重要的操作程序及指导和限制 条件，以确保作为入级依据的装载条件和 环境条件在作业中不被超过。
• 业主/ 作业者应确保平台的实际海床条件不劣于其 设计的假定值。
• 海床条件应记录在平台的操作手册中。
平台重量和重心
• 平衡条件 • 移动式平台平衡于水中的必要条件是重力等于浮
力以及重力与浮力在同一铅垂线上，即：
• 空载重量： 结构钢料+钻井设备+动力装置+电气 设备+升降装置+舾装设备+……；
海洋工程基础
设计专题--自升式平台
自升式平台的结构
• 1.平台主体 • 2.桩腿 • 3.升降装置
自升式平台的结构布置特点
• 带有能够自由升降的桩腿，作 业时桩腿下伸到海底，站立在 海床上，利用桩腿托起船壳， 并使船壳底部离开海面一定的 距离（气隙）。拖航时桩腿收 回，船壳处于漂浮状态。
• 作业水深范围从12/14 英尺直 至550 英尺。大多数自升式钻 井平台的作业水深在250至300 英尺范围内。
海洋立管概述PPT课件
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➢ 这两个立管的规范从原理上是不 仅相同,
➢ 美国石油协会的RP 2RD 是基于 许用应力方法,
➢ 而挪威船级社的OS F201 是基 于可靠性分析的荷载抗力系数法 (LRFD)。
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➢ 一般说来, API 的立管规范要 比挪威船级社的立管规范相对 保守一些。
➢ 由于美国石油协会的规范出台 比较早, 因而应用的也比较广 泛。
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➢ 这一点从比较海洋立管在浅水与深水中的概念上 的不同就可以看出来。
➢ 浅水的立管都是钢管固定在 平台的桩腿上的,
➢ 而深水中的立管却有着各式 各样的变化, 以适用于不同 的开发需要。
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所以，深水海洋立管是深水工程技术 的核心，
还因为：
➢ 深水的挑战需要新颖的海洋立管概念；
➢ 浅水立管技术完全不适应于深水；
➢ 早期立管的主要结构是钢铁生产管 线的简单延伸，通常在导管架腿柱 上夹紧。
➢ 早期的立管设计以使用不同安全系 数的独立的管道标准为基础。
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➢ 深水开发需要新方案和新技术 来处理在浅水开发中遇不到的 挑战。为了解决深水立管技术 也需要一个新型的工业立管设 计标准。
➢ 第一个立管设计标准是美国石 油协会RP 2RD，然后是挪威船 级社OS F201。
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➢ 下图是西非的AKPO 深海油田立体图, 其平台为浮式生产储油轮的形 式。该油田全部采用了钢悬链立管(SCR)组合作为海洋立管系统。
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一、概述 二、立管设计规范及标准 三、立管设计分析工具 四、立管的工程设计 五、立管的海上安装 六、涡激振动
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➢ 尽管立管已经存在很多年了，但它 只是在近些年来随着深水技术的发 展而产生了巨大的进步。
海洋钻井工程技术简介课件
利用海洋丰富的风能资源，建设海上 风电场，为可再生能源产业提供支持 。
海洋波浪能开发
利用海洋波浪的能量，研发波浪能发 电技术，为偏远岛屿和海上设施提供 电力。
海洋科学研究
海洋地质研究
通过钻井获取海底地层样本，研究海洋地质构造、沉积物分布和地球物理特征 。
海洋生物研究
利用钻井技术获取海底沉积物和岩心样本，研究海洋生物群落、生态系统和古 生物遗迹。
包括半潜式和浮式钻井平 台，可在不同水深作业， 灵活性高。
人工岛
在近岸浅水区建造的人工 岛屿，用于支持钻井作业 。
海洋钻井设备与工具
钻机
泥浆泵
井口装置
防喷器
用于破碎海底岩层，形 成钻孔。
将钻屑从钻孔中排出。
用于控制和密封钻孔的 设备。
在钻井过程中控制井内 压力，防止井喷。
海洋钻井工程设计
地质勘探
智能化与自动化
自动化钻井系统
通过自动化控制系统，实现钻井设备的远程监控和操作，减少人 工干预和操作风险。
智能化钻井决策支持系统
利用人工智能技术，开发智能化的钻井决策支持系统，提供实时钻 井优化方案和风险预警。
智能化钻井装备
研发智能化的钻井装备，如智能钻头、智能稳定器等，提高钻井过 程的稳定性和安全性。
海洋钻井工程技 术简介
目录
• 海洋钻井工程概述 • 海洋钻井工程技术 • 海洋钻井工程应用 • 海洋钻井工程挑战与解决方案 • 未来海洋钻井工程技术展望
01
海洋钻井工程概述
海洋钻井工程定义
01
海洋钻井工程是指利用钻井技术 ，在海洋环境中进行石油、天然 气等资源的勘探和开发的过程。
02
海洋钻井工程涉及多个学科领域 ，包括地质学、地球物理学、海 洋工程学、石油工程学等。
钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究
第53卷 第10期 2023年10月中国海洋大学学报P E R I O D I C A L O F O C E A N U N I V E R S I T Y O F C H I N A53(10):063~073O c t .,2023钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究❋李效民,柳润波,顾洪禄,李福恒,郭海燕(中国海洋大学工程学院,山东青岛266100)摘 要: 为研究海流作用下钻井立管在下放安装过程中的涡激振动(V o r t e x -i n d u c e d v i b r a t i o n ,V I V )响应特性,本文基于光纤光栅应变传感器技术,考虑立管下部组件(L o w e r m a r i n e r i s e r s p a c k a ge ,L M R P )设计制作了多种钻井模型立管,对其下放安装过程中自由悬挂状态下的动力响应进行了水槽实验研究㊂实验制作了具有移动滑轨的下放装置,测试得到了0.4m /s 的均匀水流下模型立管动态应变响应时程曲线,并基于有限元法求得立管模型的固有频率和振型函数,再利用模态叠加法重构了立管模型位移响应㊂分析结果表明:立管在横流向(C r o s s -l i n e ,C F )的应变大于顺流向(I n -l i n e ,I L )的应变,但两个方向的频率相同;自由端顺流向位移随L M R P 质量增大而减小,但当质量超过管重时位移变化趋于稳定;自由端最大振幅受底部L M R P 质量的影响较小,约为立管最大振幅的十分之一㊂关键词: 钻井立管;安装下放;立管下部组件;模态叠加法;涡激振动中图法分类号: T U 311.3 文献标志码: A 文章编号: 1672-5174(2023)10-063-11D O I : 10.16441/j.c n k i .h d x b .20230005引用格式: 李效民,柳润波,顾洪禄,等.钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究[J ].中国海洋大学学报(自然科学版),2023,53(10):63-73.L i X i a o m i n ,L i u R u n b o ,G u H o n g l u ,e t a l .E x p e r i m e n t a l s t u d y o n v o r t e x i n d u c e d v i b r a t i o n r e s p o n s e o f d r i l l i n g r i s e r d u r i n gl o w e r i n g a n d i n s t a l l a t i o n [J ].P e r i o d i c a l o f O c e a n U n i v e r s i t y of C h i n a ,2023,53(10):63-73. ❋ 基金项目:国家自然科学基金项目(51979257);山东省自然科学基金项目(Z R 2019M E E 032)资助S u p p o r t e d b y t h e N a t i o n a l N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f C h i n a (51979257);t h e S h a n d o n g Pr o v i n c i a l N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n ,C h i n a (Z R 2019M E E 032)收稿日期:2023-01-07;修订日期:2023-02-20作者简介:李效民(1982 ),男,博士,副教授,主要研究方向为海洋工程结构动力分析㊂E -m a i l :l x m 0318@o u c .e d u .c n海洋立管是连接海洋平台和海底设备的纽带,是深水油气资源开发的核心构件㊂深海钻井立管力学性能特殊,是薄弱易损构件之一㊂在安装过程中立管底部处于悬空状态,水下长度随着立管下放逐渐变长,且下端没有任何约束限制㊂此时,相比于已经安装完成的立管,悬挂式立管更脆弱㊁不稳定,下放过程中产生的涡激振动也会加速立管的疲劳破坏,这导致其在复杂海洋环境下的安装窗口时间大大缩短,因此必须保证立管在安装时的整体稳定性㊂如何在复杂海况下安全㊁快速地安装钻井立管已经成为海洋立管研究中的关键问题之一㊂当前关于立管安装过程的研究主要集中在数值模拟方法上㊂林秀娟等[1]开发了一个用于深海采油树下放安装的分析模型,可以分析立管的动态响应㊂龚铭煊等[2]考虑不同边界条件建立了悬挂立管力学模型,使用有限元方法对下放到不同水深时立管的力学特性进行了研究㊂H u 等[3]基于有限差分法将立管近似离散成多个刚性段,建立了不同边界条件㊁不同水深下的动力模型,分析了安装下放时不同长度立管的动态响应㊂W a n g 等[4-6]采用变分法分析了立管安装过程中的应力㊁变形和振动特性,并基于立管安装时的力学行为,给出了立管安装时的安全操作窗口㊂W a n g 等[7]把水下集束管汇的安装分成3个阶段,并用O r c a F l e x 软件对其安装过程进行了建模分析㊂L i u 等[8]建立了一个有限元模型,用于研究紧急疏散条件下深水钻井平台立管系统的动态行为㊂T i a n 等[9]通过有限差分法建立了一个双立管模型,将生产立管和安装钻井立管串联布置,考虑生产立管干扰效应,研究了水深㊁立管壁厚和水下防喷器质量对钻井立管安装的影响㊂L i u等[10]建立了一个考虑复杂边界条件的数学模型,将立管简化为弹性杆和块体的组合,研究了深水钻井立管在提升工况下的轴向振动㊂而当前相关的实验研究还仅限于软㊁硬悬挂立管以及相关模型的动力响应,并未考虑立管的下放过程㊂G a o 等[11]对均匀流中自由悬挂圆柱体的轨迹和流态进行了实验研究,探究了外部流速对圆柱体轨迹响应和尾流模式的影响㊂W a n g 等[12]对深水井中自由悬挂式立管在船舶运动下的动力响应进行了实验研究,研究表明船舶运动引起的涡激振动导致立管受到的阻力显著增大㊂M a o 等[13]基于应变仪测试技术对悬挂式疏散Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年立管进行了模型实验,考虑轴向拉力和立管下部组件(L o w e r m a r i n e r i s e r s p a c k a ge ,L M R P )质量等因素的影响,采用有限元特征值法分析了悬挂立管的固有频率和振型㊂J u n g 等[14]对自由悬挂立管在静水中的受迫振动进行了数值和实验研究㊂F r a n z i n i 等[15]研究了倾斜圆柱体在水流中的动力响应,得出了一定雷诺数范围内倾斜圆柱体的涡激振动新测量值㊂综上所述,国内㊁外学者大多是对下放到特定阶段的立管进行研究,并未对立管安装下放的连续过程进行实验研究,也没有深入了解安装下放时立管的涡激振动特性,对带有重型L M R P 的悬挂式立管在安装下放过程中变形机制和振动特性的了解还远远不够㊂为进一步探究钻井立管下放时的动力响应,本文基于光纤光栅技术设计了悬挂立管模型的安装下放实验,通过有限元法分析了模型的固有频率和振型函数,再通过模态叠加法重构立管位移,研究并分析了底部悬挂不同质量的L M R P 对立管安装下放过程中动力响应的影响㊂1 实验描述1.1实验装置实验在中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室波流水槽进行,水槽长60m ㊁宽3m ㊁深1.5m ㊂在实验过程中,水流发生器模拟了流速为0.4m /s 的均匀水流,并在实验支架前2m 处安装了多普勒测速仪,用来实时监测立管下放过程中的水流速度,实验装置如图1所示㊂在开始下放前,立管完全露在水面以上,立管模型上端通过万向节连接到可以上下滑动的支架顶板上,立管底部是自由端,通过万向节悬挂着不同质量的柱型铁块,用于模拟L M R P 重物,铁块底部紧贴水面,如图2所示㊂实验支架和实验槽之间通过夹紧装置固定,防止在水流作用下支架与模型之间的耦合振动㊂图1 实验装置图F i g .1 S k e t c h o f e x pe r i m e n t a l d e v i ce 图2 立管模型图F i g .2 D e t a i l d r a w i n g of r i s e r m o d e l 等到多普勒测速仪显示水流速度稳定时立管开始下放㊂实验通过绞盘来控制绞线实现立管的匀速下放,开始下放的同时采集应变传感器数据,待立管底部触底时停止采集㊂由于支架上顶板的重力远大于滑轨的摩擦力,故绞盘绞线的释放速度可以看作是顶板的下放速度㊂定制绞盘的小齿轮每转动10齿,支架上顶板就会下降0.03m ㊂水槽的水深控制在1.2m ,实验保持每秒一齿的下放速度,400s 后立管下放到水槽底部,实验工程设置如表1所示㊂表1 工况设置T a b l e 1 W o r k i n g c o n d i t i o n d e s i gn 参数①工况②1234L M R P 质量③/k g0.50.81.11.4水流速度④/(m /s )0.40.40.40.4下放速度⑤/(m /s )0.0030.0030.0030.003下放时间⑥/s400400400400N o t e :①P a r a m e t e r ;②C o n d i t i o n ;③L M R P m a s s ;④W a t e r v e l o c i t y;⑤L o w e r i n g s p e e d ;⑥L o w e r i n gt i m e 1.2立管模型设计在测试了各种类型管道的机械性能并考虑了刚度46Copyright ©博看网. All Rights Reserved.10期李效民,等:钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究和模态要求之后,选择透明有机玻璃管作为立管模型材料㊂立管模型主要参数如表2所示,横截面和应变传感器布置如图3所示㊂立管模型由有机玻璃管和紧贴在管上的光纤光栅应变传感器组成,沿立管长度均匀布置6个应变测试点,其中1号测试点的一端为立管模型顶部,6号测试点的一端为立管模型底部㊂每个测试点(绕管一圈)布置4个应变传感器,2个在横流(C r o s s-l i n e,C F)方向,2个在顺流(I n-l i n e,I L)方向,测试点间距为0.30m,立管顶端和底端留有0.25m的边距,应变仪的采样频率为1000H z㊂表2立管模型的主要参数T a b l e2 M a i n p a r a m e t e r s o f t h e r i s e r m o d e l 参数P a r a m e t e r数值V a l u e 长度L e n g t h L2.0m 水深W a t e r d e p t h Z1.2m 泊松比P o i s s o n's r a t i oν0.32立管密度R i s e r d e n s i t yρ0.31k g/m 外径E x t e r n a l d i a m e t e r D o16m m 内径I n t e r n a l d i a m e t e r D i14m m 弹性模量E l a s t i c m o d u l u s E1.5G Pa图3应变传感器布置示意图F i g.3 A r r a n g e m e n t o f s t r a i n s e n s o r s2位移重构2.1模态叠加法实验使用光纤光栅应变传感器测量立管的应变响应㊂根据L i等[16]的数据处理方法,V I V在C F方向和I L方向引起的弯曲应变可以写成:εV I V-C F=εC F1-εC F22,(1)εV I V-I L=εI L1-εI L2-εI L1-εI L22㊂(2)式中:εV I V-I L和εV I V-C F分别是涡激振动在I L和C F方向上引起的平均应变;εC F1㊁εC F2㊁εI L1和εI L2分别表示在位置C F1㊁C F2㊁I L1㊁I L2的原始应变采样数据㊂为了消除环境噪声对测量应变的影响,本文使用带通滤波对实测应变进行滤波,滤波范围为0.5~19H z㊂基于应变数据,根据模态叠加法可以获得立管的V I V位移响应㊂只要沿立管布置足够数量的传感器,且位置合理,就可以通过模态叠加法得到任意位置的位移响应㊂根据模态叠加法,立管位移响应y为不同模态函数的线性叠加:y(z,t)=ðN n=1ωn(t)φn(z),zɪ(0,L)㊂(3)式中:ωn(t)是模态权重;φn(z)是模态函数;z是沿立管轴向位置,单位是m;t是立管下放时间,单位是s㊂对于本文中的立管模型,弯曲应变ε和曲率κ之间的关系可以表示为:κz,t=εz,t/R㊂(4)式中R是立管模型的外半径㊂根据几何关系,曲率值可近似为位移相对于空间变量的二阶导数:2yz2ʈκ(z,t)㊂(5)通过将式(5)代入式(4),可以得到式(6):56Copyright©博看网. All Rights Reserved.中国海洋大学学报2023年εz,t/RʈðN n=1ωn(t)φᵡn(z),zɪ(0,L)㊂(6)式中N是立管模型振动涉及的最高振型数㊂2.2频率及振型分析使用有限元法对立管模型的前6阶固有频率和振型进行计算,计算结果如表3㊁4和图4所示㊂由于几何对称性,立管模型在I L和C F这两个方向上的固有频率和模态相同㊂表3展示了没有悬挂重物和底部悬挂不同重物时立管模型的前六阶频率㊂悬挂重物的立管模型频率要明显低于普通立管模型频率,且重物质量越大,频率降低的幅度越小㊂表4展示了考虑水流附加质量影响的悬挂0.8k g重物立管模型在下放过程中的频率变化,随着立管的下放,附加质量逐渐增大导致了立管的振动频率逐渐变小㊂图4(a) (f)展示了悬挂立管模型和普通悬臂模型的前六阶振动模式㊂悬挂重物不会影响立管振型的振幅,只会影响立管振型底部的位移,立管底部悬挂的重物相当于给立管增加了一个约束,限制了立管底部的位移,变成了类似于简支梁的振型㊂表3立管模型的前六阶固有频率T a b l e3F i r s t s i x n a t u r a l f r e q u e n c i e s o f r i s e r m o d e l阶数O r d e r无重物N o w e i g h tL M R P质量L M R P m a s s0.5k g0.8k g1.1k g1.4k g 12.391.671.651.601.58 27.736.276.216.196.17 316.1313.9113.8513.8213.81 427.5924.6024.5824.5224.50 542.1038.3538.2938.2638.25 659.6755.1658.1155.0755.05表4悬挂0.8k g重物立管模型下放过程中的频率变化T a b l e4F r e q u e n c y v a r i a t i o n o f0.8k g h e a v yr i s e r m o d e l d u r i n g l o w e r i n g阶数O r d e r未下放N o t l o w e r e d下放时间L o w e r i n g t i m e100s200s300s400s 11.651.641.611.541.45 26.216.135.785.655.59 313.8513.4012.9512.6112.07 424.5823.5123.1022.0921.48 538.2936.6835.5334.7133.65 658.1153.0351.2349.4847.85图4悬挂0.8k g重物立管模型与无重物悬挂立管模型的前六阶振型比较F i g.4C o m p a r i s o n o f t h e f i r s t s i x m o d e s o f t h e0.8k g h e a v y r i s e r m o d e l a n d t h e w e i g h t l e s s r i s e r m o d e l66Copyright©博看网. All Rights Reserved.10期李效民,等:钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究3 结果与讨论3.1立管模型V I V 特性结合上述方法分析当流速为0.4m /s㊁立管底部重物为0.8k g 时立管模型下放安装过程中的振动特性㊂图5为立管模型下放到100和300s 左右时1~6号应变测试点的应变特性㊂图5 下放到100s 和300s 左右时立管6个实验段的应变特性F i g .5 S t r a i n c h a r a c t e r i s t i c s o f s i x e x pe r i m e n t a l s e c t i o n s of r i s e r w h e n l o w e r e d t o a b o u t 100s a n d 300s 76Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年在图5(a)列中每个应变测试点随时间都呈现出周期性的往复振动模式,且6个应变测试点在C F 方向上的应变幅值略大于I L 方向的应变幅值㊂立管的最大振动幅度出现在节点4附近,离节点4越远,振动幅度越小,符合立管的一阶振动特性㊂这是由于实验用以模拟L M R P 的重物有不可忽略的长度,导致立管的中心点更接近节点4导致㊂在图5(b)列中立管的1~5号应变测试点在C F 和I L 方向上的主频均为2.3H z,略高于立管的一阶固有频率,因此在下放到100s 左右时立管以一阶振动模态为主㊂每个应变测试点的主频都相同,频率响应在C F 和I L 方向上的分布几乎相同,原因可能是实验采用的立管长细比不够大,在恒定的低速水流下,导致悬挂立管的自由端的两个方向频率相同,这种现象同M a o 等[13,17]的研究结果相吻合㊂立管的第六应变测试点在I L 方向上出现了一个7.2H z的高频响应,这是因为当立管开始下放时,立管底端先浸入水面,底部悬挂物受到水流的冲击发生剧烈振动,因此在立管底部会出现以二阶频率为主的局部振动㊂从图5(c )列中可以看出当立管下放到300s 左右时,立管的最大振动幅度出现在节点2和节点5附近,立管的中心节点4的振幅最小,每个应变测试点都呈现出应变随时间周期性的往复振动模式,且6个应变测试点上C F 方向的应变幅值均明显大于I L 方向的应变幅值,立管整体表现出以二阶模态为主导的振动,C F方向各实验断面的应变幅值远大于I L 方向,I L 方向的振动明显受到C F 方向振动的干扰和控制㊂在图5(d)列中,在C F 和I L 方向上,立管的应变测试点(节点)1㊁2㊁3㊁4㊁5和6的主频均为6.1H z,与立管在水流中的二阶振动频率非常接近,因此立管在下放后期以二阶振动模态为主㊂除了节点4之外,每个应变测试点的主频都相同,且I L 方向上的振幅要弱于C F 方向,I L 方向上的振动明显受到C F 方向上振动的干扰和控制㊂立管的应变测试点4在C F 方向上的主频为2.3H z,在I L 方向上的主频为1.9H z,这是因为应变测试点4位于立管正中间,立管处于二阶振动时节点4的振动幅度最小,而一阶振动幅度最大,因此表现出局部一阶模态的振动特性㊂图6分析了立管模型的位移时空云图㊂图6(a) (b )分析了立管模型下放到100s 左右时在I L 和C F 方向上5个运动周期的弯曲应变分布㊂从图6中可以看出,立管在C F 和I L 方向上的应变都是非常规则并具有周期性的,表现出典型的行波特征,响应以第一种模式为主㊂另一方面,与C F 方向上的响应相比,I L 方向响应的规则性略差,且C F 方向的应变要略大于I L 方向应变㊂图6(c ) (d )展示了立管下放到300s 左右时的弯曲应变的分布,从图中可以看出,立管下放到300s 左右时应变响应变为典型的驻波特征,响应以第二种模式为主,且立管表现出来的规律与下放到100s 左右时一致,即在C F 方向上响应的规律性要好于I L 方向㊂图6 下放到100s 和300s 左右时立管位移时空云图F i g .6 T e m p o r a l a n d s p a t i a l n e p h o g r a m o f r i s e r d i s p l a c e m e n t w h e n l o w e r i n gt o a b o u t 100s a n d 300s 86Copyright ©博看网. All Rights Reserved.10期李效民,等:钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究3.2立管下放时间对立管位形的影响基于上述的位移重构方法分析立管沿长度方向上的振幅大小,每隔20s 绘制一次立管位形图(见图7)㊂从图中可以看出,当立管刚开始下放时,立管在两个方向上的振幅几乎相同,均表现出一阶模态㊂在下放过程的前160s 里,立管振幅变化很小,最大值约为0.02D ,最小值约为-0.02D ,立管底部位移约为0.003D ,立管的最大振幅总是出现在立管的中点㊂随着立管模型的继续下放,振幅急剧增大㊂当立管下放到240s 时开始在C F 方向上表现出明显的二阶模态,此时模型的振幅最大值为0.11D ,最小值为-0.11D ,最值点出现在x /L =0.3处,并且在I L 方向上的振幅明显小于C F 方向,立管底部位移约为0.01D ㊂当下放进行到340s 时,振幅增加的速度逐渐变缓㊂下放到400s 时立管振幅约为0.31D ,最小值为-0.30D ,底部位移约为0.033D ㊂由图7分析可得立管模型在下放到180~320s 时振幅的增长速度最为剧烈,刚下放和即将完成下放时振幅变化较为平缓㊂立管底部自由端的振幅约为最大振幅的十分之一㊂立管模型在I L 方向上的振幅曲线看起来不像C F 方向那样对称,这与两个方面有关:1.V I V 具有随机性;2.在立管下放过程中会受水流冲击从而在I L 方向上产生一个较大的位移,这就导致立管在I L 方向上的运动平面是一个倾斜平面,因此会出现振幅曲线不对称的现象㊂图7 立管下放过程中的位形变化F i g .7 C o n f i g u r a t i o n c h a n g e d u r i n g r i s e r l o w e r i n g3.3下放时间对立管振幅的影响图8分析了当流速为0.4m /s,立管底部重物为0.8k g 时,立管模型的振动幅值随下放时间的变化趋势㊂图8(a)为立管模型在安装下放过程中立管振动最96Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年大幅度,图8(b)为立管底部自由端的振动幅度㊂立管模型的最大振幅的下放时间在0~150s 时稳定在0.01D 左右,且在两方向上表现得非常接近㊂下放到150s 后,C F 方向上的振动幅度开始缓慢变大,在经历了50s 的过渡期后振幅增速加快,在400s 时达到0.3D ㊂I L 方向上的最大振幅则在250s 时出现增大趋势,并一直保持缓慢增加的速度直到下放结束,最大值约为0.09D ㊂立管底部的振动幅度在前150s 一直保持稳定,下放到150s 时开始缓慢增大,直到下放结束,且在C F 方向上的振幅一直大于I L 方向㊂图8 立管安装下放过程中的振幅分析F i g .8 A m p l i t u d e a n a l y s i s d u r i n g r i s e r i n s t a l l a t i o n a n d l o w e r i n g3.4L M R P 质量对立管频率的影响图9显示了在下放到100和300s 且立管底部L M R P 质量分别为0.5㊁0.8㊁1.1和1.4k g 时第四应变测试点(z /L =0.575)的频率响应㊂可以看到刚开始下放时(100s 以前),立管模型以一个相对稳定的幅度低频振荡㊂频率响应由稳定的主频和一部分高频响应组成,且底部重物的质量越大,高频振动的参与越明显㊂不同L M R P 质量对应的立管在C F 方向上的主响应频率依次为2.49㊁2.29㊁2.44和2.59,在I L 方向上的主响应频率依次为2.34㊁2.32㊁2.54和2.59㊂I L 方向上的振动频率略大于C F 方向,且立管底部悬挂的重物越大,振动频率越大,而振动幅度越小㊂当立管下放到300s 左右时,悬垂立管在C F 方向上的主频显著增大,但在I L 方向上的主频没有太大变化㊂不同工况下的立管在C F 方向的振动幅度总是远大于I L 方向,底部的重物质量越大,立管模型越偏向于高阶振动㊂不同质量的立管在C F 方向上的主响应频率依次为5.42㊁5.28㊁5.28和5.16,立管的响应频率随着L M R P 质量的增大而减小㊂图9 100s (a )和300s (b)时各个工况下第四测试截面的振动响应F i g .9 V i b r a t i o n r e s po n s e o f t h e f o u r t h s e c t i o n a t 100s (a )a n d 300s (b )07Copyright ©博看网. All Rights Reserved.10期李效民,等:钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究3.5L M R P质量对立管振幅和位移的影响图10给出了考虑底部悬挂不同质量重物时立管模型的振动幅度,显示了悬挂立管的振动模型形状㊂当立管下放到100s 时,立管主要表现出一阶振动模态,此时立管的振动幅度随着底部悬挂重物质量的减小而增大,且I L 方向上的振幅要略小于C F 方向㊂最大振幅均出现在立管中部x /L =0.5处㊂当m =0.5k g时振动幅度最大,达到了0.02D ㊂当m =0.8k g 时,由于底部质量的增加,立管的振动幅度大幅度减小,随着悬挂重物质量逐渐增大,底部重物的质量已经大大超过了立管本身的质量(0.8k g),此时相当于立管模型由上端铰接下端自由转变成两端铰接,底部重物质量的增加(m =1.1k g 或m =1.4k g)对立管振动幅度的影响已经微乎其微㊂当立管下放到300s 时,立管在I L 方向上仍表现为一阶振动,底部重物对立管的影响与立管刚开始下放时一样,振动幅度随着底部悬挂重物质量的减小而增大,当m =0.5k g 时振动幅度最大,达到了0.06D ㊂在C F 方向上主要表现出二阶振动模态,当m =0.5k g时,最大振幅点在x /L =0.275处,随着底部质量的增大,立管最大振幅点会而出现下移现象㊂当m =0.8k g时立管的振动幅度最大,达到了0.2D ,此时L M B P 质量近似于立管质量,最大振幅出现在x /L =0.3处㊂当底部L M B P 质量大于立管自重时,立管的振动幅度大幅降低㊂当立管模型处在二阶振动模态时,底部质量的增大对自由端的振动幅度影响很小,4种工况下立管底部自由端的振动幅度均在0.02D 左右㊂图10 100s (a )和300s (b)时四组工况下立管模型的振动响应比较F i g .10 C o m p a r i s o n o f v i b r a t i o n r e s p o n s e s o f r i s e r m o d e l s u n d e r f o u r w o r k i n g co n d i t i o n s a t 100s (a )a n d 300s (b ) 图11(a)分析了在考虑了底部悬挂不同质量重物时立管模型的最大振幅㊂立管底部重物的质量大小对立管的最大振动幅度几乎没有影响,且C F 方向上的振幅一直大于I L 方向㊂立管模型的最大振幅的下放时间在0~150s 内表现出趋于稳定的极小值,且在两方向上表现得非常接近㊂下放到150s 后,C F 方向上的振动幅度开始增大,在经历了50s 的过渡期后振幅突然增大,在400s 时达到0.3D ㊂I L 方向上的振幅最大值则在280s 左右时开始出现增大趋势,并一直保持缓慢的速度增加,直到下放结束,最大值约为0.08D ㊂图11(b)分析了悬挂不同质量重物的立管模型在I L 方向上受水流拖曳力引起的位移,最大位移点始终位于立管模型底部㊂当重物m =0.5k g 时,立管底部的位移要远大于其他三种工况,当完成立管下放时,底部位移达到最大,约为5.0D ㊂当底部悬挂的重物达到0.8k g 时,位移出现与立管振动相似的规律,由于重物质量已经接近管体本身质量(m =0.8k g),底部重物质量的增加(m =1.1k g 或m =1.4k g)对立管振动幅度17Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年的影响已经微乎其微,故当完成立管下放时,底部重物质量为0.8㊁1.1和1.4k g 对应的底部位移分别为2.5D ㊁2.1D 和1.8D㊂图11 安装下放过程中四组工况下立管模型的最大振动幅度和最大位移F i g .11 M a x i m u m v i b r a t i o n a m p l i t u d e a n d m a x i m u m d i s p l a c e m e n t o f r i s e r m o d e l u n d e r f o u r w o r k i n gc o nd i t i o n s d u r i n g i n s t a l l a t i o n a n d l o we r i n g4 结论(1)采用有限元法分析了考虑轴向拉力和L M R P质量的立管的固有频率㊂数值模拟结果表明,随着L M R P 质量的增加,立管的固有频率逐渐减小,且质量越大,减小的幅度越小㊂(2)立管在C F 方向的涡旋脱落产生了很大的升力,I L 方向上的振动频率受C F 方向支配,但两个方向的频率相同㊂在立管安装下放过程中,C F 方向上的应变始终大于I L 方向上的应变,且当立管处于二阶模态时这种情况更为明显㊂(3)底部L M R P 质量的大小对自由端的最大振幅影响较小,其值约为立管最大振幅的十分之一㊂由于立管的结构特性,立管在I L 方向上的位移受拖曳力引起的大位移支配,自由端的大位移会随着立管的下放逐渐增大,还会随着L M R P 质量的增大而减小,但当L M R P 质量超过管重时位移变化趋于稳定㊂需要指出的是本文只分析了某一流速下悬挂立管下放安装过程的振动特性,同时由于实验测试条件的限制和测试模型支架的限制,也仅测试了某一特定长度立管的下放过程㊂后续还需要对不同环境参数条件下立管下放安装全过程的动力响应特性进行深入研究㊂参考文献:[1] 林秀娟,肖文生,王鸿雁.深水采油树下放过程钻柱力学分析[J ].中国石油大学学报(自然科学版),2011,35(5):125-129.L i n X J ,X i a o W X ,W a n g H Y .D r i l l s t r i n g m e c h a n i c a l a n a l ys i s o f r u n n i n g d e e p w a t e r o i l t r e e [J ].J o u r n a l o f C h i n a U n i v e r s i t y of P e -t r o l e u m ,2011,35(5):125-129.[2] 龚铭煊,刘再生,段梦兰,等.深海水下采油树下放安装过程分析与研究[J ].石油机械,2013,41(4):50-54.G o n g M X ,L i u Z S ,D u a n M L ,e t a l .R e s e a r c h o n t h e r u n n i n gi n -s t a l l m e n t p r o c e s s o f d e e ps e a u n d e r w a t e r c h r i s t m a s t r e e [J ].C h i n a P e t r o l e u m M a c h i n e r y,2013,41(4):50-54.[3] H u Y ,C a o J ,Y a o B ,e t a l .D yn a m i c b e h a v i o r s o f a m a r i n e r i s e r w i t h v a r i a b l e l e n g t h d u r i n g th e i n s t a l l a t i o n o f a s u b s e a p r o d u c t i o n t r e e [J ].J o u r n a l o f M a r i n e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2018,23(2):378-388.[4] W a n g Y ,G a o D .O n t h e s t a t i c m e c h a n i c s o f t h e t u b u l a r s ys t e m d u r i n g i n s t a l l a t i o n o f t h e s u r f a c e c a s i n g i n d e e p w a t e r d r i l l i n g [J ].A p pl i e d O c e a n R e s e a r c h ,2021,110:102599.[5] W a n g Y ,G a o D ,F a n g J .S t u d y o n l a t e r a l v i b r a t i o n a n a l ys i s o f m a -r i n e r i s e r i n i n s t a l l a t i o n -v i a v a r i a t i o n a l a p p r o a c h [J ].J o u r n a l o f N a t u r a l G a s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,2015,22:523-529.[6] W a n g Y ,G a o D ,F a n g J .M e c h a n i c a l b e h a v i o r a n a l ys i s f o r t h e d e -t e r m i n a t i o n o f r i s e r i n s t a l l a t i o n w i n d o w i n o f f s h o r e d r i l l i n g [J ].J o u r n a l o f N a t u r a l G a s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ,2015,24:317-323.[7] W a n g Y ,T u o H ,L i L ,e t a l .D yn a m i c s i m u l a t i o n o f i n s t a l l a t i o n o f t h e s u b s e a c l u s t e r m a n i f o l d b y d r i l l i n g p i p e i n d e e p wa t e rb a s e d o n O rc a F l e x [J ].J o u r n a l o f P e t r o l e u m S c i e n c e a nd E n g i ne e r i n g,2018,163:67-78.[8] L i u J ,W a n g P,G u o X ,e t a l .N o n l i n e a r v i b r a t i o n m o d e l a n d r e -s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c o f d r i l l i n g r i s e r s i n d e e p-s e a u n d e r s o f t s u s -p e n s i o n e v a c u a t i o n c o n d i t i o n [J ].M e c h a n i c a l S y s t e m s a n d S i g n a l P r o c e s s i n g,2022,169:108783.[9] T i a n D ,F a n H ,L e i r a B J ,e t a l .S t u d y on t h e s t a t i c b e h a v i o r o f i n s t a l l i n g a d e e p -w a t e r d r i l l i n g r i s e r o n a p r o d u c t i o n p l a t f o r m [J ].J o u r n a l o f P e t r o l e u m S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,2020,185:106652.[10] L i u J ,M a X ,Z h a n g X ,e t a l .A x i a l v i b r a t i o n o f d e e p-w a t e r d r i l l -i n g r i s e r s u n d e r l i f t i n g c o n d i t i o n s [J ].J o u r n a l o f P e t r o l e u m S c i -e n c e a n d E n g i n e e r i n g,2022,209:109903.[11] G a o Y ,T a n D S ,Z h a n g B ,e t a l .E x p e r i m e n t a l s t u d y on o r b i t a l r e s p o n s e a n d f l o w b e h a v i o r b e h i n d a f r e e l y s u s p e n d e d c y l i n d e r [J ].O c e a n E n g i n e e r i n g,2015,108:439-448.[12] W a n g J ,X i a n g S ,F u S ,e t a l .E x p e r i m e n t a l i n v e s t i ga t i o n o n t h e 27Copyright ©博看网. All Rights Reserved.10期李效民,等:钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究d y n a m i c re s p o n s e s of a f r e e-h a ng i n g w a t e r i n t a k e r i s e r u n d e r v e s-s e l m o t i o n[J].M a r i n e S t r u c t u r e s,2016,50:1-19.[13] M a o L,Z e n g S,L i u Q.E x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o n v o r t e x-i n-d u ce d v i b r a t i o n s of a h a n g-o f f e v a c u a t e d d r i l l i ng r i s e r[J].N o n l i n-e a r D y n a m i c s,2020,102(3):1499-1516.[14]J u n g D,P a r k H,K o t e r a y a m a W,e t a l.V i b r a t i o n o f h i g h l y f l e x i-b l e f r e e h a n g i n g p i p e i nc a l m w a t e r[J].O c e a n E n g i n e e r i n g,2005,32(14):1726-1739.[15]F r a n z i n i G R,F u j a r r a A L C,M e n e g h i n i J R,e t a l.E x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n o f V o r t e x-I n d u c e d V i b r a t i o n o n r i g i d,s m o o t h a n di n c l i n e d c y l i n d e r s[J].J o u r n a l o f F l u i d s a n d S t r u c t u r e s,2009,25(4):742-750.[16]L i F,G u o H,L i X,e t a l.E x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o n f l o w-i n d u c e d v i b r a t i o n c o n t r o l o f f l e x i b l e r i s e r s f i t t e d w i t h n e w c o n f i g u-r a t i o n o f s p l i t t e r p l a t e s[J].O c e a n E n g i n e e r i n g,2022,266: 112597.[17] H u e r a-H u a r t e F J,B e a r m a n P W.W a k e s t r u c t u r e s a n d v o r t e x-i n d u c e d v i b r a t i o n s o f a l o n g f l e x i b l e c y l i n d e r P a r t1:D y n a m i cr e s p o n s e[J].J o u r n a l o f F l u i d s a n d S t r u c t u r e s,2009,25(6):969-990.E x p e r i m e n t a l S t u d y o n V o r t e x I n d u c e d V i b r a t i o n R e s p o n s e o fD r i l l i n g R i s e r D u r i n g L o w e r i n g a n d I n s t a l l a t i o nL i X i a o m i n,L i u R u n b o,G u H o n g l u,L i F u h e n g,G u o H a i y a n(C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g,O c e a n U n i v e r s i t y o f C h i n a,Q i n g d a o266100,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o s t u d y t h e r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c s o f v o r t e x-i n d u c e d v i b r a t i o n(V I V)d u r i n g t h e i n s t a l l a t i o n o f d r i l l i n g r i s e r u n d e r s e a c u r r e n t,s e v e r a l d r i l l i n g m o d e l r i s e r s w e r e m a d e b a s e d o n t h e f i b e rB r a g g g r a t i n g s t r a i n s e n s o r t e c h n o l o g y a n d c o n s i d e r i n g t h e l o w e r m a r i n e r i s e r p a c k a g e(L M R P),a n d t h e d y n a m i c r e s p o n s e u n d e r f r e e s u s p e n s i o n d u r i n g t h e i n s t a l l a t i o n p r o c e s s w a s s t u d i e d b y f l u m e e x p e r i-m e n t.A l o w e r i n g d e v i c e w i t h a m o v i n g s l i d e r a i l w a s m a d e i n t h e e x p e r i m e n t.T h e d y n a m i c s t r a i n r e-s p o n s e o f m o d e l r i s e r u n d e r u n i f o r m f l o w o f0.4m/s i s o b t a i n e d.T h e n a t u r a l f r e q u e n c y a n d v i b r a t i o n m o d e f u n c t i o n o f t h e r i s e r m o d e l w e r e o b t a i n e d b a s e d o n t h e f i n i t e e l e m e n t m e t h o d,a n d t h e d i s p l a c e-m e n t r e s p o n s e o f t h e r i s e r m o d e l w a s r e c o n s t r u c t e d u s i n g t h e m o d e s u p e r p o s i t i o n m e t h o d.T h e a n a l y s i s r e s u l t s s h o w t h a t t h e s t r a i n o f t h e r i s e r i n t h e c r o s s-l i n e(C F)i s g r e a t e r t h a n t h a t i n t h e i n-l i n e(I L),b u t t h e f r e q u e n c y o f t h e t w o d i r e c t i o n s i s t h e s a m e;T h e d o w n s t r e a m d i s p l a c e m e n t o f t h e f r e e e n d d e c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e L M R P m a s s,b u t t h e d i s p l a c e m e n t c h a n g e s t e n d t o b e s t a b l e w h e n t h e m a s s e x-c e e d s t h e p i p e w e i g h t;T h e m a x i m u m a m p l i t u d e a t t h e f r e e e n d i s i n d e p e n d e n t o f t h e L M R P m a s s a t t h e b o t t o m,w h i c h i s a b o u t o n e t e n t h o f t h e m a x i m u m a m p l i t u d e o f t h e r i s e r.K e y w o r d s:d r i l l i n g r i s e r;l o w e r i n g a n d i n s t a l l a t i o n;t h e l o w e r m a r i n e r i s e r p a c k a g e(L M R P);m o d a l s u p e r p o s i t i o n m e t h o d;v o r t e x i n d u c e d v i b r a t i o n(V I V)责任编辑高蓓37Copyright©博看网. 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海洋立管课程概述
安装过程
定位与锚定
根据技术要求，对立管进 行精确定位和锚定，确保
其稳定性和安全性。
连接与固定
将立管分段连接，并进 行必要的固定，确保立 管的稳定性和可靠性。
防腐处理
对立管进行防腐处理， 延长其使用寿命。
检测与调试
安装完成后，对立管进 行检测和调试，确保其
性能符合设计要求。
维护与保养
日常检查
定期对立管进行检查，发现异 常及时处理。
监督，确保项目的安全和可靠性。同时，应建立完善的事故应对机制，
及时处理和解决问题。
05 未来海洋立管发展趋势
高强度材料的应用
高强度材料如碳纤维增强塑料（CFRP）和玻璃纤维增强塑料 （GFRP）等，具有轻质、高强、耐腐蚀等特点，能够有效减轻 立管重量，提高其承载能力和使用寿命。
高强度材料的研发和应用将进一步推动海洋立管技术的进步 ，降低建设和维护成本，为深海油气资源的开发提供更可靠 的支撑。
海洋立管制造工艺
焊接工艺
01
焊接是制造海洋立管的关键工艺之一，要求焊接质量高、强度
高、气密性好。
热处理工艺
02
热处理工艺可以提高海洋立管的机械性能和耐腐蚀性能。
无损检测
03
无损检测是确保海洋立管质量的重要手段，可以通过超声波检
测、射线检测等方法检测立管内部和表面的缺陷。
海洋立管标准与规范
1 2
API标准
海洋立管课程概述
目录
• 海洋立管简介 • 海洋立管基础知识 • 海洋立管安装与维护 • 海洋立管案例分析 • 未来海洋立管发展趋势 • 结论与建议
01 海洋立管简介
定义与功能
定义
海洋立管是用于连接海底井口和 海面设施的管道系统，通常由钢 制材料制成，用于输送石油、天 然气等流体。
海洋立管概述
一、概述 二、立管设计规范及标准 三、立管设计分析工具 四、立管的工程设计 五、立管的海上安装 六、涡激振动
立管的分析可以分为静力和动力分析。 静力分析：使用ABAQUS 等软件进行的管道模型静 力分析利用大位移效应、材料非线性、边界非线性来 处理非线性问题，如连接、滑动和摩擦（管道/海床相 互作用）。
2、材料选择 立管最常用的材料是从碳钢（如美国石油协会 －5L 规格，等级X52-X70 和更高）到特种钢 （也就是合金钢，如13%铬）的钢材。下列因 素决定了材料的选择： 成本 抗侵蚀能力 重力要求 焊接性能
3、强度分析
所有依据极限状态用公式表达的相关失效公式 都应在管道和立管设计中考虑。极限状态的分 类如下： 工作极限状态（SLS） 最大极限状态（ULS） 疲劳极限状态（FLS） 意外极限状态（ALS）
深海工程中的立管系统研究
一、概述 二、立管设计规范及标准 三、立管设计分析工具 四、立管的工程设计 五、立管的海上安装 六、涡激振动
什么是深海？
适合于不同水深的平台形式
适合于深水的平台
FPSO
什么是立管？ 深海立管与浅水立管的区别？
作为深海油气田开发系统结构的重要组成部分， 海洋立管以其全新的形式、动态的特性、以及高 技术含量变得格外引人注目。
2、初步设计 该阶段的主要任务是进行材料选 择和确定壁厚；确定生产管线和 立管的尺寸；执行设计标准检查； 准备MTO 和授权应用。基本方案 需要在这个阶段定稿，也称作 “定义阶段”。
3、详细设计 该阶段的所有设计工作需要 足够详细以进行采购和制造。 而且，工程过程、说明书、 准备MTO、测试、勘测和 制图需要全面开展。这个阶 段也称作工程“执行阶段”。
海洋工程结构
➢ 3)small-diameter hydraulic line, used to power the seabed BOP
6
法国IFP和Framatome公司CLIP隔水管 从20世纪80年代起,法国石油研究院(IFP)和Framatome公司就在开发CLIP隔水管, 如图3~4。开发CLIP隔水管的主要目的是为了提供快速和安全连接的隔水管接头, 来满足大直径、超深水钻井所需的高压力压井和节流管线的连接需要。目前,已经
➢ Riser joint is equipped with syntactic foam buoyancy modules to reduce the weight in water.
11
Low-pressure Drilling Riser
peripheral lines:
➢ 1)kill and choke lines, used to communicate with the well and circulate fluid in the event of a gas kick for which the seafloor blowout preventer(BOP) has to be closed;
为Pride International公司制造了2套系统,Pride International公司已经在Pride Africa和Pride Angola钻井船上使用。
7
海洋立管课程概述
海洋立管的设计和 制造需要考虑到各 种复杂的环境因素 ，如水深、海流、 波浪、冰层等
海洋立管分类
按材料分类：碳钢、不锈钢、铜镍合金等 按功能分类：排放立管、泥浆立管、电缆立管等 按连接方式分类：法兰连接、焊接连接、承插连接等 按用途分类：深海立管、浅海立管等
海洋立管材料
钢管：强度高，耐腐蚀，但重量较 大
维护保养
定期检查：确 保立管系统的
正常运行
清洁保养：保 持立管的清洁
和防腐蚀
维修更换：及 时修复损坏的
立管部件
培训与资质： 确保维护人员 具备专业知识
和技能
常见问题及解决方案
安装过程中出现 的问题：立管安 装不牢固、连接 处漏水等
维护过程中出现 的问题：立管腐 蚀、管道堵塞等
解决方案：加强安 装前的检查工作， 选择合适的防腐材 料，定期进行管道 清洗等
设计流程
确定设计参数： 根据海洋环境、 管道性能要求等 确定设计参数， 如管道直径、壁 厚、材料等。
建立数学模型： 根据设计参数建 立数学模型，进 行力学分析、流 体力学分析等。
优化设计：根据 分析结果，对设 计进行优化，提 高管道性能、降 低成本等。
审核与验证：对 设计进行审核与 验证，确保设计 符合规范要求， 并进行必要的修 改和完善。
钛管：强度高，耐腐蚀，重量轻， 但价格昂贵
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
玻璃钢管：轻便，耐腐蚀，但强度 较低
塑料管：轻便，价格低廉，但耐腐 蚀性较差
海洋立管应用场景
海洋石油和天然气开 采
海洋观测和探测
海洋工程设施
海洋科学研究
海洋立管设计原理
第三章
设计原则
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第九章钻井和生产立管James Brekke GlobalSantaFe公司, 美国德克萨斯州休斯顿市Subrata Chakrabarti Offshore Structure Analysis有限公司, 美国伊利诺斯州普兰菲尔德市John Halkyard Technip Offshore有限公司，美国德克萨斯州休斯顿市9.1概述立管常用来容纳压井液（钻井立管）并从海底向平台运送碳氢化合物（生产立管）。
立管系统是海上钻井和浮式生产作业的一种关键部件。
在本章中，9.2节涵盖了在可移式海洋钻井装置（MODU）的浮动钻井作业中的钻井立管，9.3节则阐述了浮式生产作业中的生产立管（以及钻井立管）。
对于许多浮式海洋结构，立管是一种独特的公共装置。
立管把浮式钻井/生产设备与水下井连接起来，对油田安全作业至关重要。
对于深水作业，立管设计是最大挑战之一。
当在浮式钻井作业中使用时，钻井立管是MODU作业的管道。
尽管大部分时间处于连通状态，但钻井立管在它们的寿命期间经受了反复部署和回收作业，并且受到恶劣天气下紧急解脱和悬挂的意外事故影响。
当今正应用的生产立管包括顶部张紧生产立管（TTR）、挠性管钢悬链线立管（SCR）和自由直立生产立管。
现今，用于深水和超深水的超过50种不同的立管方案正在发展中。
一些最常见的立管方案如图9.1所示。
根据Clausen和D’Souza（2001）的统计，当今有超过1550种生产立管和150种钻井立管正在使用中，连接在各种各样的浮式平台上。
大约85％的生产立管是挠性立管。
挠性立管用于不超过1800m水深的水域，而顶部张紧立管和钢悬链线立管则用于水深达1460m水域。
世界上最深的生产立管是在巴西1853m 水域里用于Roncador Seillean FPSO的立管，该立管同时用于钻井和早期生产。
钻井立管则正在大于3000m水深中使用。
图9.1 立管方案示意图[Clausen 和D’Souza,Subsea7/KBR(2001)提供的图片] （STANDARD FLEXIBLE RISER CONFIGURATIONS-标准挠性立管结构；Steep Wave-陡波；Lazy Wave-惰波；Free Hanging-自由悬挂；Steep S-高弯度S 形；Lazy S-低弯度S形；Chinese Lantern-中国灯笼；ALTERNATIVE FLEXIBLE RISER CONFIGURATIONS-可选择的挠性立管结构；U-Shape-U型；Fixed S-固定S形；Camel S-驼峰S形；Tethered Wave-系缆波；Tethered S-系缆S形；Lazy Camel-惰驼峰）顶部张紧立管是细长的垂直圆柱形管，安置在海面或海面附近，并延伸到海底（参见图9.2）。
这些立管有时称为“刚性立管”或“直接垂直通道“立管。
不同类型的立管随立管尺寸（直径：单位为英寸）和水深（直到2000m）的发展情况如图9.3所示。
图中也给出了不同立管类型的包络。
同时图中还给出了为各种浮式装置所安装的SCR。
立管系统的技术难度和关联成本都随着水深的增加而显著增加［Clausen和D’Souza,2001］。
深水钻井和生产平台的立管系统的成本常常跟船体和系泊系统的成本不相上下。
连接浮式装置和海底的立管被用来钻探或开采位于浮式装置下面的单独油气井，或者用来传输井内油气流产品。
这些立管与水下井口装置相连接，水下井口装置则固定在泥面下的支撑套管上。
钻井立管通过外部回接连接器进行连接，而生产立管可以通过外部或内部回接连接器进行连接［Finn,1999］。
立管在回接连接器上方的第一个接头是一个称为应力接头的特殊部分，该部分被设计为能抵抗大弯矩，但又具备足够的柔度，从而可以满足立管的最大允许角位移的要求。
这些接头一般由钢或钛制成的锥形截面管组成。
更新的设计需要由一系列对接焊的管段或由一组焊接在特殊终端法兰上的同心管构成的应力接头。
为了适应海底的弯曲，可以用合成橡胶挠性接头或球形接头来替代应力接头。
图9.2 垂直张紧钻井立管[注意：球形接头（或挠性接头）也仅安置在钻台以下] (Wave Force-波浪力；Current Force-海流力；Horiz. Offset-水平偏移；Riser Tension-立管张紧；MWL-平均水位；Top Connection(Slip Joint&Ball Joint Type)-顶部连接（滑脱接头和球形接头型）；Riser Diam.-立管直径；Riser Weight(Pipe&Contents)-立管重量（管子和内含物）；External & Internal Fluid Pressures(Buoyancy)-内、外部流体压力（浮力）；Riser EI-立管的EI; Bottom Connection (Ball Joint Type)-底部连接（球形接头型）)图9.3 生产立管直径随水深的进展[Clausen和D’Souza,Subsea7/KBR(2001)提供的图片](Water depth-水深；Riser diameter(inches)-立管直径（in.）; Flexibles Envelopes-挠度包络；Semi(Brazil)-半潜平台（巴西）；Steel Catenary Riser(theoretically)-钢悬链线立管（理论）；Mini TLP(GOM)-Mini TLP(墨西哥湾)；TLP(GOM)-TLP（墨西哥湾）；Low Heave Benign Environment-低升沉的温和环境；Bottom Weighted Risers/Alternative Solutions-底部加重立管/ 备选方案；*Installed SCR’s to floaters-浮式装置上安装的SCR)顶部张紧立管最初保持在理想的张力状态，这有利于立管抵抗由环境荷载引起的弯矩。
这种张力由机械装置提供，对于钻井立管如图9.4a所示。
张力还可以用复合泡沫塑料或浮力罐来提供。
图9.4b给出了用于Spar平台的顶部张紧立管的示意。
Spar平台的立管一般使用浮箱来提供顶部张力。
图中同时详述了立管进入Spar平台龙骨的细节。
图9.4b说明了三种不同的立管构造形式。
第一种形式是Neptune Spar平台使用的单独的9-5/8in.直径的套管，它包含了生产油管和其它环空管。
第二种形式采用了带有内部油管的双层立管。
对于第三种形式，立管的油管柱是分开的，因而需要较少的立管管子和较少的外部浮力。
这种形式能较好的适用于深水区域，同时立管庞大的重量也随之成为一个需要重点考虑的问题。
立管结构的选择是基于风险/成本效益分析基础上的。
一般的立管尺寸是基于油藏信息和预期的钻井工序的基础上的。
油管的尺寸根据预期的油气井流量确定。
每个立管柱的壁厚根据关井压力以及钻井和完井泥浆比重来计算。
必须穿过该管的部件的外部尺寸，例如井下安全阀、钻头、或套管连接器通常确定了立管的内径。
环向应力通常决定了立管的壁厚。
在较深的水域，壁厚可能取决于轴向应力。
在计算轴向应力时，还应当考虑到由内压产生的盖帽端力。
在立管的上、下球形接头处，弯曲应力是一个决定性因素。
在这些区域可能需要对立管的壁厚进行局部加厚以降低该处的应力。
因为应力接头需要同时满足强度和柔度要求，所以它们的尺寸更难计算。
通常，需要应用有限元程序来确定立管在接头处能够弯曲到理想的最大角度。
通过不断调整接头的尺寸，直到立管达到所需的强度。
在立管部件尺寸的早期确定中，立管干扰的可能性也需要进行校核。
图9.4 钻井和生产立管的结构形式(Drill Deck(RKB)-钻井甲板（方钻杆补心高度）；Upper Flex Joint-上挠性接头；Tensioners-张紧器；MWL-平均水位；Slip Joint-滑脱接头；Riser Buoyancy Joints-立管浮力接头；Bare Riser Joints-裸露立管接头；Lower Flex Joint-下挠性接头；Conductor Casing-隔水套管；Drawing is not to scale-绘图没有按比例尺；（a）drilling-钻井；Buoyancy Tanks-浮力罐；Guides-导向器；Dual Casing-双套管；Keel Joint-龙骨接头；Single Casing-单套管；Tubing-油管；Stress Joint-应力接头；production(on Spar)-生产（在Spar平台上）)9.2 钻井立管本节将描述在浮式钻井中支持钻井立管作业所用的分析过程。
海上钻井工业依靠这些过程来保证钻井立管的完整性，用一种成本高效的方式实现安全钻井作业的目标，并不造成环境影响。
本节的主要着重点在于深水（就是说，超过900m 或3000ft ）中的钻井立管，在超深水中（就是说，超过1800m 或6000ft 水深）动力定位钻井船进行的钻井也给予了一些具体说明报道。
除了分析过程以外，操作过程以及钻井立管周围的设备也给予了一些说明报道。
然而，钻井立管操作和设备的综合处理就超出了本章的范围。
下面给出的关于工业指南的参考文献提供了附加的细节。
随着钻井作业的水深增加，钻井立管的重要性也逐步增加。
钻井立管和相关作业的有效分析支持能够极大地降低钻探海上井的成本和风险。
钻井立管的潜在损失会带来严重的后果。
目前，钻井立管的成本可能达数千万美元；但此外，由任一事件（包括钻井立管损失的）造成的操作停工时间所增加的成本可能超过1亿美元。
通过改进安全性、减少环境影响和降低保险费用，避免这种损失会进一步有益于整个石油天然气工业。
用于钻井立管分析和操作的一些指南包含在API 推荐作法16Q （1993）中。
在本书写作时，API RP 16Q 这份文件正在由国际标准化组织修订发行。
在钻井立管设计中，还可以参考使用API 公报5C3中关于压溃和爆裂的公式。
这份文件的名称是“关于套管、油管、钻杆和输送管特性的公式和计算法的公报，API 公报5C3，第六版，1994年10月1日”。
本节将包含钻井立管分析过程中的某些重要方面。
这将从海况条件的讨论开始，海况条件是确定钻井立管现场操作限制的一个控制因素。
紧随在此之后的是立管的设计和构造形式的讨论，包括涡激振动问题和可能如何修改构造形式来帮助解决这个问题。
其余部分将介绍在多种状态下钻井立管的分析，例如解脱、连接、应急解脱过程中以及解脱以后发生反跳等状态。
对于最深达2700m 或9000ft 的不同水深，本章将报告模型立管的分析结果。
这些结果取自数据可得到的在具体位置已完成的分析。
9.2.1设计基本原理和背景为了确定是弯曲应力还是立管张力作为控制因素，可以使用下面的无量纲数[Moe,2004]：20,22N tensT L n EI λπ= (9.1) 如果λN ,tens =1，抗弯刚度和拉伸刚度的刚度贡献将大约相等，如果λN ,tens >1，则拉伸刚度将起控制作用。