2. 中海石油(中国)有限公司湛江分公司;
3. 中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院
2. Zhanjiang Company of CNOOC Limited;
3. College of Safety and Ocean Engineering, China University of Petroleum(Beijing)
0 引言
针对危害巨大的井喷漏油事故[1]，我国正在开展适应于3 000 m深水水下应急封井装置[2-4]的国产化研制，下放安装技术是该装置从国产化到南海实际应用过程中必须解决的关键问题。2013年，BAI Y.等[5]介绍了一种由钻杆下放安装的1 250 m水深水下丛式管汇的三维力学分析方法，在小变形弯曲理论基础上，通过有限元离散法推导出钻杆的位移、轴向拉伸、弯矩和倾角的理论公式，并与Orcaflex的仿真模拟结果进行了比较。2014年, 汤珂等[6]通过流体动力学软件FLUENT建立1 500 m水深管汇的水动力计算模型，求得管汇非惯性水动力系数，将数值计算结果与经验估算结果进行比较，并分析管汇水动力系数的影响因素，以及下放过程不同状态下水动力系数的取值方法。2015年, 周美珍等[7]基于月池导向安装流程，考虑钻杆参数、环境载荷、钻井船漂移量、作业水深及采油树重力等特征，在不同阶段分别根据受力特点建立了力学分析模型，得到了最大偏移、钻杆轴力以及弯矩。2016年，袁冲[8]研究了基于钻井立管安装法的采油树下放过程受力情况以及环境载荷的相关理论，建立了下放过程的力学分析模型，通过Orcaflex对1 500 m钻井立管以及采油树进行了不同安装水深的力学分析、动态分析、参数敏感性分析以及参数的正交试验分析。2017年，脱浩虎等[9]采用Orcaflex软件建立了1 500 m水深时采油树下放安装过程的数值模型，研究了不同海流、波浪环境因素对安装钻杆的偏移和受力的影响。2018年，WANG Y.Y.等[10]利用Orcaflex软件研究了海流、波浪环境下1 500 m水深水下管汇安装工艺流程中钻杆的受力情况，并计算了钻杆横向位移，得到钻杆顶端部分属于危险部分，以及影响钻杆下放的众多因素。
综上所述，对于3 000 m水深水下应急封井装置的下放安装问题国内尚未展开研究。鉴于此，本文基于Orcaflex软件，利用工程船上的绞车缆绳对3 000 m水深水下应急封井装置的下放入水过程进行了模拟仿真，研究了下放速度、波浪方向角和绞车缆绳属性等不同因素对3 000 m水深水下应急封井装置下放入水过程中，绞车缆绳最大受力和装置运动响应的影响，并将Orcaflex模拟得到的仿真结果与理论公式计算结果进行了对比分析。研究结果可对水下应急封井装置快速安全地安装和回收提供指导。
1 Orcaflex仿真建模采用Orcaflex对3 000 m水深水下应急封井装置下放入水过程进行仿真建模，将水下应急封井装置的各部分模型在Orcaflex软件中进行简化。对于在Orcaflex中已有的简化模型，如船只、绞车等只需设定相应参数，以近似准确地反映该结构的特性。图 1所示为船-缆-体3D仿真模型。
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| 图 1 船-缆-体3D仿真模型 Fig.1 3D simulation model of ship-cable-emergency capping stacks |
3 000 m水深水下应急封井装置下放安装环境复杂，不仅受到风、海流和波浪的影响，还受到上部船体晃动的影响。上部船体的晃动通过绞车缆绳传递给水下应急封井装置，在绞车缆绳与水下应急封井装置下放工具连接处安装被动补偿系统，能够减小船体晃动对水下应急封井装置的影响，船体上可安装主动补偿系统来减轻自身受到风浪的作用。在正常天气下对水下应急封井装置下放入水过程进行仿真研究，只考虑缆绳下放速度、波浪方向角和绞车缆绳属性等因素对3 000 m水深水下应急封井装置下放入水过程的影响。
1.1 环境参数在工程实际中，风、海水流速和浪高的变化会对水下装备的下放产生很大影响。假设3 000 m水深水下应急封井装置的下放安装过程是在良好的气候窗情况下进行，设定流速1.07 m/s、浪高1.5 m为正常天气，绞车下放速度为0.1 m/s。
1.2 水下应急封井装置结构建模水下应急封井装置主要部件包括液压连接器、水下双闸板防喷器、水下双联闸阀、水下节流阀及下放工具、管汇连接器、数据声呐监测系统、ROV操作面板、框架及管路系统、整机下放工具和水下蓄能器组，总质量约为150 t。在Orcaflex软件中对主框架、主闸阀、双闸板防喷器和液压连接器等[11-12]采用6D buoy模型建模，阀体和底座等采用Shape模型中的Elastic Solid进行模拟。这是因为Elastic Solid可以模拟障碍物，从而模拟挡水面积。建好相应模型后将其连接到主框架上。图 2所示为水下应急封井装置3D模型。
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| 图 2 水下应急封井装置3D模型 Fig.2 3D model of the subsea emergency capping stacks |
2 水下应急封井装置下放入水过程仿真分析 2.1 绞车缆绳的受力
吊机在下放水下应急封井装置过程中，绞车缆绳受力与下放时间的关系如图 3所示。当水下应急封井装置在空气中下放时，绞车缆绳受力最大。在水下应急封井装置入水过程中，由于排开水的体积增加，该装置所受浮力不断增大，绞车缆绳受力逐渐减小。当装置完全入水以后，波浪的作用使绞车缆绳水平方向的力出现震荡，水下应急封井装置的浮力使垂向受力逐渐减小，缆绳受力逐渐增大。
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| 图 3 绞车缆绳受力曲线 Fig.3 Force curve of the winch cable |
2.2 水下应急封井装置的偏移
3 000 m水深水下应急封井装置在下放安装过程中一般经历4个阶段[13]：入水阶段、飞溅区阶段、深水区阶段以及接近井口阶段。在入水阶段和飞溅区阶段波浪作用对装置整体偏移影响最大，故对入水过程中水下应急封井装置的偏移进行仿真研究，结果如图 4~图 6所示。由图 4~图 6可以看出：水下应急封井装置沿环境力的X方向上最大偏移为-1.851 m，在Y方向上最大偏移为0.051 m；下放到水深约40 m以后，在X方向上偏移量基本在-0.5 m处有较小波动，在Y方向上偏移量基本在-0.006 m处有较小波动。从Z方向运动轨迹可以看出，下放高度62 m，下放水深47.71 m。在下放入水过程中，由于受到船体运动的影响，水下应急封井装置在Z方向运动轨迹上出现较小的波动[14]。
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| 图 4 水下应急封井装置在X方向上偏移曲线 Fig.4 Offset curve of the subsea emergency capping stacks in X direction |
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| 图 5 水下应急封井装置在Y方向上偏移曲线 Fig.5 Offset curve of the subsea emergency capping stacks in Y direction |
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| 图 6 水下应急封井装置Z方向运动轨迹 Fig.6 Z-direction motion trajectory of the subsea emergency capping stacks |
2.3 不同入水速度对水下应急封井装置底部最大抨击力的影响
由于水下应急封井装置底部近似为平底结构，所以其底部的空气随装置一起进入水面以下，符合空气垫效应理论。笔者通过建立水下应急封井装置入水模型，推导出其底部最大压力计算公式[15]，具体如式(1)所示。
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(1) |
式中：v为入水速度，m/s。
Chuang通过试验研究，拟合出一个底部最大压力经验公式：
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(2) |
陈震等通过仿真研究后得到了pmax的经验计算公式，即：
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(3) |
其中
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(4) |
式中：ρw为水的密度，kg/m3。
通过Orcaflex模拟仿真不同入水速度对水下应急封井装置底部最大抨击力的影响，结果如图 7所示。将仿真结果、其他经验公式计算结果与理论公式计算结果进行对比，可以看出：随着入水速度的增大，水下应急封井装置底部所受的最大抨击力也在增大，其中Chuang公式和Chen公式计算结果曲线呈抛物线趋势，而仿真结果和理论公式计算结果曲线呈线性趋势，仿真结果比Chuang公式和Chen公式计算结果更接近理论公式计算结果。
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| 图 7 结果对比 Fig.7 Comparison of results |
2.4 不同波浪方向角的仿真结果
当波浪力从不同方向作用时，船体会产生不同的运动响应，从而对入水系统造成影响。不同波浪方向角的仿真结果如图 8、图 9和表 1所示。
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| 图 8 不同波浪方向角对沿着缆绳长度方向最大受力的影响 Fig.8 Effect of wave direction angle on the maximum force along the cable |
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| 图 9 不同波浪方向角的仿真结果 Fig.9 Simulation results under different wave direction angles |
| 波浪方向角/(°) | 绞车缆绳最大受力/kN | X方向偏移量/m | Y方向偏移量/m | X方向振动位移/m | Y方向振动位移/m | 倾斜角/(°) |
| 0 | 1 564.4 | -1.85 | 0.052 | 1.66 | 1.75 | 6.16 |
| 45 | 1 619.7 | -2.64 | 2.580 | 2.08 | -2.95 | 10.54 |
| 90 | 1 957.2 | -0.38 | -8.110 | 3.28 | 7.44 | 24.26 |
| 135 | 1 586.6 | -2.39 | -1.820 | 2.96 | 2.03 | 8.43 |
| 180 | 1 538.5 | -1.85 | 0.052 | 1.66 | 1.80 | 6.20 |
| 225 | 1 586.6 | -2.39 | 1.920 | 1.36 | -2.67 | 10.19 |
| 270 | 1 957.2 | -0.41 | 8.190 | -3.89 | -7.20 | 27.07 |
由图 8和表 1可以看出，当波浪方向角为90°和270°，即波浪力垂直于船身方向时绞车缆绳受力最大，其值为1 957.2 kN。除了这两个波浪方向角外，其他不同的波浪方向角对绞车缆绳的最大作用力差别很小。
由图 9和表 1可以看出，当波浪方向角为90°和270°，即波浪力垂直于船身方向时，水下应急封井装置的运动响应最大，Y方向偏移量为8.19 m，X方向振动位移为-3.89 m，Y方向的振动位移为7.44 m，倾斜角度最大为27.07°。考虑到水下应急封井装置的尺寸，在下放入水过程中绞车缆绳与船身的距离应超过11 m，否则会存在水下应急封井装置撞击船身的危险。在进行水下应急封井装置下放入水操作时，最好让工程船的方位角沿着波浪方向角，这样能够减小船体的运动响应对下放入水过程的影响。
2.5 水下应急封井装置入水过程的影响因素 2.5.1 绞车下放速度在下放入水过程中，环境载荷会对3 000 m水深水下应急封井装置底部产生较大的冲击，因此下放速度不宜过大，工程上下放速度一般为0.1~0.3 m/s。分别选取0.10、0.15、0.20、0.25和0.30 m/s 5种下放速度进行仿真分析，研究不同下放速度对沿着绞车缆绳长度方向的最大受力和水下应急封井装置运动响应的影响，结果如图 10、图 11和表 2所示。由图 10和表 2可以看出：下放速度越大，绞车缆绳最大受力也越大；当下放速度为0.30 m/s时，最大受力为1 657.4 kN；当下放速度一定时，沿着缆绳长度方向，其最大受力缓慢减小。由图 11和表 2可以看出，随着下放速度的增大，对水下应急封井装置在X、Y方向的偏移量以及X方向的振动位移影响很小，而Y方向振动位移不断增大，倾斜角度减小。综合考虑绞车缆绳最大受力和水下应急封井装置运动响应的影响，选择水下应急封井装置下放速度为0.10 m/s。
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| 图 10 不同下放速度对绞车缆绳最大受力的影响 Fig.10 Effect of lowering speed on the maximum force of the winch cable |
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| 图 11 不同下放速度的仿真结果 Fig.11 Simulation results for different lowering speeds |
| 下放速度/(m·s-1) | 绞车缆绳最大受力/kN | X方向偏移量/m | Y方向偏移量/m | X方向振动位移/m | Y方向振动位移/m | 倾斜角/(°) |
| 0.10 | 1 538.5 | -1.85 | 0.052 | 1.66 | 1.80 | 6.20 |
| 0.15 | 1 569.1 | -1.73 | 0.095 | 1.55 | 2.60 | 5.77 |
| 0.20 | 1 599.1 | -1.61 | 0.140 | 1.45 | 3.88 | 5.39 |
| 0.25 | 1 628.6 | -1.77 | 0.120 | 1.62 | 4.95 | 5.05 |
| 0.30 | 1 657.4 | -1.76 | 0.096 | 1.61 | 5.43 | 4.71 |
2.5.2 绞车缆绳的属性
绞车缆绳选用的材料不同，其轴向刚度也不相同。本文主要对钢丝绳、尼龙绳和纤维缆绳这3种不同的材料进行仿真分析，得到绞车缆绳材料对下放系统的影响，结果如图 12~图 15所示。
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| 图 12 绞车缆绳选用钢丝绳时受力曲线 Fig.12 Force curve of the winch cable when using steel wire rope |
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| 图 13 绞车缆绳选用尼龙绳时受力曲线 Fig.13 Force curve of the winch cable when using nylon rope |
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| 图 14 绞车缆绳选用纤维缆绳时受力曲线 Fig.14 Force curve of the winch cable when using fiber cable |
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| 图 15 绞车缆绳选用不同材料时偏移曲线 Fig.15 Offset curves of winch cables using different materials |
由图 12~图 15可以看出：绞车缆绳选用钢丝绳时最大受力为1 538.50 kN，选用尼龙绳时最大受力为1 537.42 kN，选用纤维缆绳时最大受力为1 537.59 kN；绞车缆绳的属性对其最大受力影响较小，3种情况下绞车缆绳受力差别较小。此外，绞车缆绳的属性对水下应急封井装置的运动响应影响也较小。
3 结论基于Orcaflex软件对3 000 m水深水下应急封井装置缆绳下放入水过程进行了仿真分析，研究了不同因素对绞车缆绳受力和水下应急封井装置运动响应的影响，得到如下结论。
(1) 绞车缆绳最大受力为1 538.5 kN，发生在水下应急封井装置在空气中下放过程中，而水下应急封井装置最大运动响应发生在入水前后。
(2) 通过Orcaflex模拟得到不同入水速度对水下应急封井装置底部最大抨击力的仿真结果，将其与其他3种方法计算结果进行对比，发现仿真结果比Chuang公式和Chen公式计算结果更接近理论公式。
(3) 当波浪方向角为90°和270°，即波浪力垂直于船身方向时绞车缆绳受力最大，为1 957.2 kN，水下应急封井装置运动响应也最大，Y方向偏移量为8.19 m，X方向振动位移为-3.89 m，Y方向的振动位移为7.44 m，倾斜角最大为27.07°，而其他波浪方向角对绞车缆绳最大受力和水下应急封井装置运动响应影响差别较小。因此，在进行水下应急封井装置下放入水操作时，最好让工程船的方位角沿着波浪方向角。
(4) 绞车下放速度对绞车缆绳受力影响较大，下放速度增大则绞车缆绳受力增大，当下放速度为0.3 m/s时，绞车缆绳最大受力为1 657.4 kN，同时水下应急封井装置运动响应也增大，绞车缆绳属性对其影响较小。
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