0 引 言

萨哈林海域处于亚北极地区，水深较浅,其气候寒冷、环境恶劣及海冰冰封等自然条件给油田施工尤其是隔水导管的安全带来了巨大的挑战。隔水导管是海洋钻井的重要装备，一旦失效，将破坏平台与井口的连接通道，造成灾难性的后果。因此冷海隔水导管强度校核是冷海钻井的关键技术之一。

目前国内外常规海况隔水导管强度校核技术已相对成熟。但常规海况隔水导管强度校核往往只考虑海风、海浪和海流等常规环境因素，未考虑海冰的撞击和挤压作用，因此该类隔水导管强度校核技术只适用于温带、热带海域，以及无海冰或海冰较少的海洋钻井。随着石油探勘开发逐步向亚北极、北极延伸，冷海海域的海洋钻井技术亟需一套考虑海冰作用的隔水导管强度校核新方法。

笔者在总结常规海况隔水导管强度校核方法的基础上，考虑海冰作用力，提出了一种浅冷海隔水导管强度校核的新方法。将隔水导管视为上端铰支、下端固定的简支梁，分别建立海风、海浪、海流和海冰作用力的计算模型，在考虑隔水导管顶部张紧力、重力和浮力基础上，采用有限元离散法建立隔水导管有限元模型，并利用有限元软件ABAQUS进行综合分析计算。选用亚北极萨哈林海域近50年来海风速度、海浪高度、海流速度及海冰厚度最大值对该方法进行强度校核验证，并与常规隔水导管强度校核方法的计算结果进行了对比。计算结果表明：该方法可更好地为浅冷海钻井隔水导管强度校核提供指导，对亚北极萨哈林浅冷海油田开发具有重要意义，同时也为其他地区浅冷海海域及易结冰海域的隔水导管设计提供了借鉴^[1-2]。

1 隔水导管各载荷计算模型的建立 1.1 海风作用力模型

隔水导管暴露在海面以上部分受海风作用力，依据伯努利方程可得到海风作用力F_D计算公式：

(1)

式中:A_p为受风物体面积在与风向垂直面上的投影值，m²；C_D为拖曳力系数，又称阻力系数；g为重力加速度，m/s²；γ为空气密度，kg/m³，在标准大气压下，气温15 ℃时，干燥空气的密度为1.225 kg/m³；v为风速，m/s。

迎风面积A_p由隔水管外径和水面上长度计算，拖曳力系数C_D可取0.95。由于海风风速随着季节及地区的不同而变化，所以海上结构物被设计成能够承受风力最大、出现概率最低的风速。隔水导管受力及变形如图 1所示。

1.2 海浪作用力模型

海浪作用下隔水导管受力及变形如图 2所示。椭圆余弦波理论能适应水深较浅的波浪，很好地解释波浪在浅水中的传播，所以选用椭圆余弦波理论解释波浪最为精确。而波浪的波高H和响应的周期应采用设计波浪理论。因此，隔水导管就会被设计成能承受出现概率最低的波浪，这对于隔水导管的安全具有重要意义。

隔水导管属于细长管状结构，直径与波长之比(D/L)<0.2，因此应使用莫里森方程计算波浪力：

(2)

式中:F是作用于隔水导管投影面积为A的波浪力，N；ρ_w为海水密度，kg/m³；L为隔水导管长度，m；T为波浪周期，s；r为隔水导管半径，cm；A₁和A₂为隔水导管投影面积，m²；C_D和C_M分别是阻力系数和惯性力系数，与雷诺数Re及表面粗糙度有关。各国采用的C_D和C_M的取值如表 1所示。

1.3 海流作用力模型

除海风、海浪作用力外，隔水导管从海面到海底泥线处还会受到海流力的作用。由于海流可近似看作一种稳定的平面流动，所以海流与海洋钻井隔水导管的相互作用可用平面流与铅直圆柱作用的载荷公式来表示。其受力及变形如图 3所示。

海流力是作用在隔水导管上的一种流动阻力，这种阻力是由于运动的水所产生的定长流动阻力。根据海洋石油结构物的阻力是流体动能函数的原理，按照稳定流动条件下阻力的数学表达方法，可得到隔水导管总海流力公式：

(3)

式中：F_c为总海流力，N；D为隔水管外径，m；μ为海流速度，当无实测数据时，从海面到海底按式(4)进行递减计算，m/s；dz为垂直方向的长度增量，m。

(4)

式中：v_ch为距海底h处的海流速度，m/s；v_m为海面的风流速度，m/s；v_T为海面的潮流速度，m/s；h′为水深，m；h为计算深度距海底的高度，m。

1.4 海冰作用力模型

冰载荷会对隔水导管的稳定性产生很大影响，并且影响往往很严重。因此，在浅冷海环境下，海冰对隔水导管安全的影响不能忽视，海冰作用下的隔水导管受力和变形如图 4所示。

为达到钻井隔水导管强度设计和校核目的，假定海冰与隔水导管相撞或挤压后会破碎，此时隔水导管所受应力最大，应用动量理论计算隔水导管极限海冰作用力：

(5)

式中:m为桩柱结构迎冰面的形状系数，圆形结构取0.90；A′为冰温系数，按表 2取值，取结冰期最低冰温；b为柱体迎冰面投影宽度，m；t为计算冰厚，m；R_y为冰抗压强度标准值，kPa，可取当地冰温为0 ℃时的抗压强度，一般取750 kPa^[3-7]。

考虑隔水导管顶部张紧力和浮重等因素建立隔水导管受力模型。其中轴向力为分布力，坐挂井口拉力为集中力。泥线以上管体受力模型如图 5所示。图中将各种载荷放在一个平面内，隐含假设这种载荷作用方式下导管的变形最大。

2 复杂海况隔水导管有限元模型

将隔水导管沿轴向离散为若干单元，将轴向力、海风、海浪、海流和海冰作用力等因素作为外力移置到单元节点上(考虑到隔水导管单元径向尺寸与轴向尺寸在同一数量级，因此将隔水导管作短梁单元处理)。图 6是隔水导管单元节点力和节点位移示意图。

对于短梁单元，轴向力和剪切变形对其的影响不容忽视，则隔水导管单元的节点力和节点位移为：

(6)

根据虚功相等的原则将隔水导管单元节点上的原分布载荷浮重、海风、海浪、海流和海冰作用力进行等效节点力转换，将集中载荷顶部张紧力等直接作用到节点上，利用有限元软件ABAQUS求解，可得隔水导管应力和位移分布^[8-10]。

3 实例分析 3.1 背景介绍

以ABAQUS软件为工具，以萨哈林海域目前所钻井中水深最深、导管强度设计要求最高的South Ayashsky#1井为例，对浅冷海隔水导管强度校核技术进行验证，并与常规海况隔水导管强度校核技术的计算结果进行对比。

该井海水深度64.5 m，隔水导管长度87.5 m，直径762 mm，钻井液密度1 054 kg/m³。将隔水导管视为上端铰支、下端固定的简支梁，利用ABAQUS中的PIPE31建立隔水导管简支梁受力模型。环境参数选用设计环境参数，即亚北极萨哈林海域近50年来海风速度、海浪高度、海流速度及海冰厚度的最大值，如表 3所示。

综合考虑隔水导管顶部张紧力、浮重、海风作用力、海浪作用力、海流作用力和海冰作用力等因素，假设4种外力同方向作用于导管上(此时隔水导管变形最大)，并对海浪和海流作用力进行耦合，海风载荷和海冰载荷按照均布线载荷施加。

3.2 计算分析

载荷施加完成后运用ABAQUS软件中的Aqua模块进行分析计算，得出隔水导管在海风、海浪、海流和轴向载荷作用下的应力分布(见图 7)，以及在海冰、海风、海浪、海流和轴向载荷作用下的应力分布(见图 8)。South Ayashsky#1井选用的隔水导管钢级X-52，壁厚25.4 mm，强度358.84 MPa，考虑安全系数的校核结果见表 4。

综上所述，隔水导管最大应力位于海冰作用位置，其值为326.10 MPa，考虑安全系数1.1后其值为358.71 MPa，而在用隔水导管强度为358.84 MPa，因此现用隔水导管可满足各种海况下安全施工要求。

常规海况隔水导管最大应力位于泥线附近，其值为79.25 MPa，远小于考虑海冰作用力情况的326.10 MPa，在进行隔水导管强度设计时，除考虑常规的载荷外，还要考虑海冰的挤压撞击作用。因此，浅冷海隔水导管强度校核新方法更适用于浅冷海作业环境，可更好地为亚北极萨哈林浅冷海隔水导管强度设计提供指导，同时也能为其他地区浅冷海海域及易结冰海域的隔水导管设计提供借鉴。

4 结 论

(1) 针对亚北极萨哈林浅冷海海域复杂海况，考虑海冰作用力，分别建立海风力、海浪力、海流力和海冰作用力的计算模型，并利用有限元离散法建立了隔水导管的有限元模型，提出了综合考虑海风、海浪、海流和海冰作用的浅冷海隔水导管强度校核新方法。

(2) 实例计算结果显示，隔水导管最大应力位于海冰作用位置，为326.10 MPa，考虑安全系数1.1后为358.71 MPa，而在用隔水导管强度为358.84 MPa，因此现用隔水导管可满足各种海况下安全施工的要求。

(3) 用常规海况隔水导管强度校核方法计算出的最大应力位于泥线附近，其值为79.25 MPa，而采用考虑海冰作用力的新校核方法计算出的最大应力位于海冰作用位置，其值为326.10 MPa，是未考虑海冰作用力时的4.11倍，因此新校核方法更适用于浅冷海作业环境。