0 引言

现今陆地油气资源开采日益严峻，油气资源开发逐渐转向水下，尤其是深海、超深海油气开采是海洋钻井技术发展的必然趋势。随着海洋平台981在我国南海上应用，海洋钻采变得极为重要。要进行海洋油气资源开发，必然会用到一系列海洋钻采装备。钻井隔水管是现代海洋工程结构中的重要组成部分，也是极易失效的部件，其主要作用就是隔离海水，循环钻井液，引导钻具。

隔水管所处的海洋环境复杂，受到风、波浪和流的作用，以及平台漂移的影响。海洋钻井隔水管系统承受复杂的载荷，钻采过程中容易出现断裂，使钻井工作中断，甚至出现安全事故，对海洋钻井工作造成巨大的损失^[1-5]。因此，有必要研究和分析隔水管对环境的响应，其研究结果对工程实际具有重要的指导作用。

对于隔水管系统，国内外许多学者进行了研究，形成了一套系统的理论及研究方法。B.G.BURKE等提出了隔水管的静、动态力学分析模型，使用莫里森方程确定了海流力。毛良杰等^[6]研究了剪切流对隔水管涡激振动的响应机理，并通过试验发现了隔水管的“三分之一”效应。H.H.FAN等^[7]在研究中考虑了平台平均偏移下隔水管的随机振动。

目前的研究主要集中在钻井隔水管顶张力的研究^[8]、钻井液密度、钻柱耦合作用^[9-10]等参数影响以及静态平台偏移作业^[11]，未考虑隔水管在不同波浪以及海流作用下的变化规律。笔者利用Abaqus/Aqua模块建立了隔水管有限元计算模型。由于隔水管最大弯矩是隔水管的一个重要力学特性，故笔者在研究中以其为研究指标，考虑了不同风浪流载荷下的隔水管作用和平台偏移带来的影响，计算结果更符合实际情况。

1 钻井隔水管的数学模型 1.1 基本假设

不考虑隔水管中钻柱的影响；忽略隔水管速度场为线性势理论；隔水管的中心轴线可以拉伸变形并且遵守线性应力应变理论；忽略隔水管管接头的影响，波浪海流为同一方向并且不考虑波流的升力作用。

1.2 隔水管运动方程

以隔水管的底端为坐标原点，沿隔水管向上为z轴正方向，波流流动方向为x轴正方向，建立二维xz坐标系，如图 1所示。

根据假设，可将隔水管系统看成是上、下边界约束的简支梁，其微分控制方程为^[11-13]：

(1)

式中：EI为隔水管的弯曲刚度；u(z, t)表示t时刻竖直方向长度为z的隔水管单元的横向位移；T_e为有效张力；c为结构线性黏性阻尼系数；m为单位长度的隔水管重力；f(z, t)为隔水管所受的波流作用力。

水平方向上，波浪作用力f(z, t)包括2个部分：波流对隔水管的拖曳力f_D和周围流体引起的惯性力f_M，根据Morison方程有：

(2)

式中：ρ为海水密度；D为隔水管直径；v(z, t)为隔水管周边水质点速度；C_d为拖曳力系数，取值范围为0.4~1.6；C_m为惯性力系数，取值范围为0.93~2.30；C_a为水动力附加质量系数；阻力系数C_d及惯性力系数C_m的确定，为方便起见，采用各国船级社和有关部门的建议，其取值可以参见表 1。

2 隔水管系统波流耦合作用分析方法

基于浮式钻井平台-隔水管系统力学模型，利用Abaqus建立隔水管系统有限元分析模型，用管单元模拟隔水管，并通过AQUA模块编辑关键词^[14]施加波浪和海流模拟海洋环境载荷，隔水管底部为铰支，顶部通过张紧器连接在平台上，并有升沉补偿装置；风浪主要作用在平台，其对隔水管顶部的影响主要体现在隔水管对平台的受迫运动上，由于升沉补偿装置的作用，不考虑平台的垂荡运动。平台的水平运动可以简化为^[15]：

(3)

式中：S₀为钻井平台偏移井口的平均偏移量；为平台长期慢漂运动项；S_L为慢漂幅值；T_L为慢漂周期，与波浪周期相同；α_L为平台慢漂运动和波浪的相位角，一般取0°。

3 隔水管动力响应的参数研究

基础数据采用中国南海海域的环境参数，其中水深1 000 m，隔水管系统基本参数如下：隔水管长度1 000 m，隔水管外径0.533 4 m，隔水管壁厚0.025 4 m，钢材密度7 850 kg/m³，钢材弹性模量210 GPa。

顶张力比取1.2^[8]，即：

(4)

式中：T_top为顶张力；G为隔水管总重力。

3.1 波浪参数对隔水管动力响应的影响

波浪是作用在隔水管上的一个重要环境载荷，研究中选取有效波高H_s分别为4、7、10和13 m，计算了这4种波高下隔水管的动力响应情况，计算过程中取平台偏移井口的平均偏移量S₀=20 m，海流剖面取剪切流，水面流速1.5 m/s，计算结果如图 2所示。

从图 2可以看到，隔水管波浪飞溅区的弯矩很大，波浪对隔水管的作用在隔水管上段200 m范围(波浪的飞溅区部分)很明显。这是因为波浪引起的水质点速度随着水深逐渐减小，深水区域基本上无波浪力，在中部则无影响，但在水深600~900 m的区域内，不同波浪下的最大弯矩又开始交叉变化。

3.2 海流参数对隔水管动力响应的影响

以海平面高度和海底为基准，加载不同的海流速度v_z，选取海平面海流速度分别为1.0、1.5、2.0和3.0 m/s，海浪波高H_s=10 m，平台偏移井口的平均偏移量为20 m，慢漂幅值为1 m，海流速度按照剪切流形式沿水深分布为^[6]：

(5)

计算结果如图 3所示。

由图 3可以看出，当海流流速小于3 m/s时，隔水管的最大弯矩变化趋势一致且相差不大；当海流流速为3 m/s时，最大弯矩显著增大。

海流的载荷形式对于隔水管的弯矩影响较大，并且海流的作用带来的升力可能会引起隔水管的横向涡激振动，引起结构物疲劳。

API规范^[16]中推荐了4种常用的海流剖面，如图 4所示。

特定的季节气候会产生特定海流现象。其中，剪切流和板流剖面形式的海流在我国海域比较常见。根据吴海京等^[17]在南海的研究，孤立流在南海北部流花海域也有出现过。笔者针对4种不同海流剖面，取水面流速为1.5 m/s，计算了隔水管的动力响应情况，结果如图 5所示。

从图 5可以看出，前3种海流在隔水管飞溅区产生的最大弯矩较明显且无区别，在200~800 m区域，影响各有差异且交错变化并趋于平缓，在靠近隔水管底端均有一个极值点；孤立流对隔水管弯矩增加明显，在流剖面变化区域，即400~500 m区域隔水管弯矩迅速减小。

3.3 平台慢漂对隔水管动力响应的影响

平台的水平运动主要分为对井口的水平平均偏移和慢漂运动，为平台运动的慢漂项。为研究慢漂对隔水管弯矩的影响，分别计算了如表 2所示的几种平台运动情况。计算结果如图 6所示。

平台的慢漂运动对隔水管的动态响应显而易见，不考虑慢漂运动得到的隔水管弯矩较小，不符合实际情况；当慢漂幅值增大时，最大弯矩随之增大，沿隔水管长度方向上不同工况下最大弯矩的变化趋势基本一致。

4 结论

(1) 随着波高增大，隔水管弯矩峰值随之增大，最大弯矩位置在靠近水平面80 m处(即飞溅区区域)，在水平面150 m以下最大弯矩不再有明显变化。当波高为4和7 m时，最大弯矩无变化；当波高增大到10 m时，最大弯矩增大明显；而当波高增大到13 m时，最大弯矩显著增大，钻井作业时应当时刻关注波浪变化。

(2) 在不同的海流剖面下，隔水管的最大弯矩位置基本一致，隔水管对一般的海流剖面变化不敏感，但在剪切流速(流速发生反向)情况下，隔水管的动力特性变化显著，在海流剖面流速反向以上的区域沿隔水管最大弯矩整体增大，海上作业存在危险，作业期间应密切关注。

(3) 平台运动是首要的动载荷，在研究隔水管动力特性时，平台的慢漂运动是一个客观存在并且不能忽视的载荷。波浪和海流仅仅影响隔水管局部，波浪主要影响隔水管靠近水平面的部分，海流对隔水管的影响大小取决于流速，不同剖面海流主要影响隔水管靠近海底的部分。