0 引　言

深水钻井隔水管是深水钻井过程中不可或缺的设备，其作用是连接钻井平台与水下井口并隔离海水。在正常进行钻井作业时，钻井隔水管与水下井口连接。但在遭遇台风等极端恶劣工况时，海洋钻井平台需要与水下井口紧急断开后，悬挂钻井隔水管一并进行撤离避台，对深水钻井隔水管的安全应用受到了极大的挑战。因此，研究深水钻井隔水管极端环境下的悬挂响应特征，揭示悬挂钻井隔水管在不同环境载荷条件下的动态响应，对确定深水钻井隔水管的设计条件、预测隔水管的动态响应以及保障深水钻井隔水管的安全具有非常重要的意义。

目前有许多研究者从理论、数值以及试验方面提出了深水钻井隔水管响应特征的验证方法。张修占^[1]以深水半潜式平台运动为钻井隔水管顶部运动边界条件，以波浪和海流作为环境载荷条件，建立了深水钻井隔水管非线性运动方程。王宴滨等^[2]基于Vander Pol尾流振子模型，建立了深水钻井隔水管动力学模型，分析了涡激-参激耦合振动对钻井隔水管危险点处的疲劳损伤影响。王金龙^[3,4]研究了隔水管的疲劳寿命预测方法，分析了水下井口产生循环弯矩载荷和加速度对隔水管疲劳寿命的影响。许亮斌等^[5]建立了深水钻井隔水管时域非线性动态响应模型，在考虑深水钻井平台有一定的偏移工况时，对钻井隔水管的随机振动特性进行了数值模拟。畅元江等^[6]研究发现钻井液密度、钻井隔水管悬挂模式、浮力装置的分布方式和涡激振动抑制装置等因素对隔水管系统的动态响应有一定的影响。王召^[7]等研究了浅水平台软悬挂的模式，通过算例对隔水管进行强度和涡激振动疲劳分析。杨进等^[8]以南中国海某超深水钻井隔水管为研究对象，验证其动态响应特征，采用管柱力学理论分析了真实与有效轴向力对钻井隔水管力学特性的影响，分析结果表明隔水管的有效轴向力会影响深水钻井隔水管的稳定性。盛磊祥等^[9]总结了我国超深水钻井隔水管设计影响因素，提出安全作业窗口控制钻井船的方法，从而提高钻井隔水管对海洋环境的适应性。李旭等^[10]采用Hamilton理论建立了深水钻井隔水管的数学模型，并利用Hermite插值函数将钻井隔水管数学模型离散化，验证了深水钻井隔水管的力学性能特征。刘律江^[11]采用Ansys建模分析了深水钻井隔水管的固有特性，基于模态叠加理论研究了深水隔水管涡激振动疲劳损伤，进而提出了深水隔水管系统优化配置方案和方法。孙有义等^[12]采用有限元方法，分析了波致疲劳对深水钻井疲劳寿命的影响。Lane^[13]分析了3658 m水深下的钻井隔水管的力学性能，开展了深水钻井隔水管与水下防喷器的耦合力学分析，分析波致疲劳对深水钻井隔水管的影响。周守为等^[14]在分析钻井隔水管所处的海洋环境和载荷条件以及钻井隔水管的结构特点的基础上，研发了钻井隔水管力学实验系统，并研究了不同海流条件和深水钻井工况对隔水管力学特性的影响。向正新等^[15]研究了深水钻井隔水管与水下井口的耦合力学行为，结果表明钻井平台运动对地层管柱的变形和受力状态影响较小，适当的增加钻井隔水管顶部张力可以提高水下井口的稳定性。白雪峰^[16]采用Abaqus软件分析船体和波浪载荷共同作用下的TTR立管的非线性动力响应。

综上，由于受各种因素的影响，深水钻井隔水管具有复杂的运动特性。需要对深水钻井隔水管在不同悬挂长度、悬挂模式和风浪流条件下的运动响应进行分析。同时结合极端环境状态下的响应特征，对深水钻井隔水管的布置进行调整，以确保水钻井隔水管系统的安全运行。本文主要研究深水钻井隔水管在波浪和海流作用下的动力响应。基于有限元软件软件建立了包含钻井平台、钻井隔水管、防喷器、柔性接头等设施的深水钻井隔水管系统动力学模型。计算了不同悬挂长度、不同环境工况、不同悬挂模式、不同水动力系数的深水钻井隔水管系统运动响应，并分析其应力和疲劳状态。

1 数值模型建立

本计算为钻井平台、钻井隔水管系统、防喷器等设施在波浪和海流动力条件下的耦合分析数值模型。基于有限元分析软件ORCAFLEX建立了某深水浮式钻井平台和隔水管系统的有限元分析模型。表1为钻井平台的基本参数，表2为钻井隔水管系统参数。

根据表1和表2的钻井平台和钻井隔水管参数，建立深水钻井隔水管动态响应分析模型，如图1所示。为分析其动力响应变化规律，需要对波浪和海流参数进行设置，具体参数见表3。

2 不同悬挂长度影响分析

深水钻井隔水管的应用范围与平台的能力息息相关，不同的悬挂长度工况下钻井隔水管应采用不同的配置。使用浮力单根等方式减轻湿重，使钻井隔水管能够安全应用。分别使用上述参数建立1000、1500、2000、2500、3000 m等5种不同悬挂长度的深水钻井隔水管软悬挂模型，研究不同悬挂长度对钻井隔水管应力水平的影响。5组工况的环境条件均为一年一遇。5种不同悬挂长度工况下隔水管顶端位置处的应力时程曲线如图2所示。

由图2可知，5种悬挂长度工况的深水钻井隔水管应力差别不大，均在材料的屈服强度之内。主要原因在于深水钻井隔水管全采用浮力单根，整体上承受的重力呈线性增加。

3 不同悬挂模式的影响分析

深水钻井隔水管的悬挂作业时，深水钻井隔水管与水下井口分离。钻井隔水管悬挂于海洋平台上进行撤离，有软悬挂与硬悬挂2种不同模式。软悬挂状态下，隔水管顶部与正常作业时相同，平台通过张紧器与伸缩节外筒相连接，平台的升沉运动幅值须在伸缩节与张紧器的冲程范围内。隔水管随着平台按一定的速度航行撤离。该状况下的隔水管顶端挠性接头的转角可能过大，从而导致隔水管与平台月池发生碰撞。硬悬挂模式即隔水管顶部直接与平台卡盘相连接，平台的运动可以直接作为端部条件施加在隔水管顶部，该作业工况会使隔水管产生动态的轴向荷载。本文从深水钻井隔水管不同的悬挂模式开展极端环境等恶劣工况下的动力学响应分析，获取隔水管应力分布，对深水钻井隔水管悬挂作业安全进行评估。

采用有限元软件对悬挂隔水管系统的整体性能进行分析，模拟波浪、海流以及平台运动作用下钻井隔水管的动态响应。在软悬挂模式下，钻井隔水管通过张紧器与平台正常连接。分析时平台运动以动边界形式施加于张紧器的平台悬挂端，张紧器用非线性弹簧模拟。在硬悬挂状态下钻井平台运动直接传递至钻井隔水管顶部，在进行计算分析时钻井隔水管顶部与钻井平台刚性连接。

图3和图4为不同悬挂模式、不同悬挂工况下以及不同环境工况对深水钻井隔水管最大应力的影响，可以发现悬挂模式对钻井隔水管的应力有很大的影响。软悬挂模式下，由于有张紧器有一定补偿的作用，减少平台运动对钻井隔水管的影响，使得钻井隔水管应力相对偏小。硬悬挂模式下，钻井隔水管平台刚性接触，平台运动直接作用于钻井隔水管，导致其应力过大。

4 不同水动力系数的影响分析 4.1 强度影响分析

水动力系数是钻井隔水管分析中的一个重要影响因素，不同的水动力系数直接影响到钻井隔水管的计算分析结果，从而影响钻井隔水管的配置和安全使用。通过深水钻井隔水管不同水动力系数的敏感性分析，确定水动力系数对钻井隔水管在极端环境下的响应特征，进而保障深水钻井隔水管的安全运行。分析采用的水动力系数见表4，未修正水动力系数为规范推荐值，修正水动力系数通过CFD仿真获得。表4中C_d为托曳力系数，C_M为质量系数。

根据表4提供的水动力系数计算工况对不同悬挂长度、不同悬挂模式和不同环境工况的钻井隔水管进行分析，得出不同水动力系数作用下的钻井隔水管最大应力如图5和图6所示。对比图5和图6的计算结果，可以发现水动力系数对其应力有一定的影响。在软悬挂模式下，未修正水动力系数计算的钻井隔水管应力略高于修正水动力系数计算的钻井隔水管应力。在硬悬挂模式下，修正水动力系数计算的钻井隔水管应力高于未修正水动力系数计算的钻井隔水管应力，随着悬挂长度的增加两种水动力系数计算的应力差距逐渐减小。

4.2 波致疲劳影响分析

采用上述软悬挂模型开展深水钻井隔水管不同水动力系数工况下的疲劳强度分析，采用雨流计数法进行统计。以3000 m悬挂长度、软悬挂模型为例进行计算，获得钻井隔水管的疲劳寿命如图7所示。从图7可以看出水动力系数对钻井隔水管疲劳寿命最小值影响很小。修正水动力系数计算的钻井隔水管疲劳寿命最小值为4.8×10⁴年，未修正水动力系数计算的钻井隔水管疲劳寿命最小值为5×10⁴年，均位于水面5.6 m以下。

5 结　语

本文通过数值分析的方式，研究了不同悬挂长度、不同悬挂模式和不同水动力系数对深水钻井隔水管运动响应的影响，得出以下结论：

1）不同悬挂长度工况下深水钻井隔水管的应力差别不大，在深水钻井隔水管应用时可根据实际情况进行浮力单根配置，满足不同水深钻井的工作需求。

2）悬挂模式对钻井隔水管的应力有很大的影响，深水钻井隔水在硬悬挂的模式下应力较大。硬悬挂模式下隔水管的应力比软悬挂模式大75%左右。

3）水动力系数对钻井隔水管的应力计算有一定影响，软悬挂模式下未修正水动力系数计算的钻井隔水管应力略高于修正水动力系数计算的钻井隔水管应力，硬悬挂模式下影响相反。水动力系数对深水钻井隔水管疲劳寿命的影响很小。