基于AMESim的鋼絲繩式隔水管張緊系統仿真分析

李歡，鄭萬里，樊春明， 李鵬， 范松

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞721002；2. 國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞721002）

0 引 言

作為連接井口防噴器與鉆井平臺之間的重要通道，鉆井隔水管系統是海洋石油勘探開發關鍵而又薄弱的環節[1-2]。而隔水管張緊系統為隔水管提供張力，補償鉆井平臺運動對隔水管系統的影響，控制隔水管系統的位移和應力，并能在浮式平臺作垂直或水平運動時，使隔水管的頂部張力近似保持恒定。作為浮式鉆井隔水管系統的關鍵裝備，隔水管張緊系統已成為新建浮式鉆井船或鉆井平臺的標準配置[3]。

目前，傳統的張緊器設計過程中通常采用手工計算的方式，通常采用絕熱氣體計算公式計算出液缸沖程-張力曲線[4]，未考慮到滑輪組轉動慣性對系統的影響及隔水管和鋼絲繩彈性變形導致的振動等因素，具有一定的局限性。針對上述問題，采用AMESim聯合仿真平臺研究鋼絲繩式隔水管張緊系統，分析其性能及影響因子，研究充放氣工況，為張緊器的設計和優化提供了一種新的思路。

1 系統原理

1.1 張緊器原理

張緊系統的關鍵部件為張緊器，正常情況下，隔水管張緊系統采用對稱布置的形式，鋼絲繩之間的水平張力相互抵消，系統形成垂直向上的合力，該合力用于克服船體升沉運動對隔水管串的影響。

鋼絲繩式隔水管張緊器由液缸蓄能器、滑輪組、支架組成，由液缸、蓄能器液端通過管路直接連接。每只液缸和對應的蓄能器為活塞式蓄能器，活塞起隔絕液壓油和空氣的作用，高壓氣瓶組位于船艙內部，氣瓶組出氣端通過壓力管道與蓄能器的氣端相連，每只蓄能器均獨立與一定數量的氣瓶相連，每只張緊器的張力均可單獨調節。

1.2 隔水管數學模型

不考慮隔水管串的橫向受力（該力是由于水流或船體漂移導致）和隔水管串模型的細長桿特性，在振動力學中通常采用瑞利法來近似模擬[5-6]。對于隔水管串這種類型的彈性體，隔水管串總質量分布為上下兩個集中質量塊m1和m2，忽略泥漿和隔水管之間存在的摩擦力，在搭建隔水管時不考慮泥漿對隔水管的影響。如圖1所示，上部質量塊m1為水面附近不帶浮力塊的隔水管質量，下部m2的質量為剩余隔水管串總質量的1/3，水下LMRP和泥漿（MUD）與下部質量塊m2看成一個集中載荷，放置在彈簧模型的末端。

1.2.1 隔水管剛度模型

隔水管串在反沖過程中假定為彈簧模型，其彈簧剛度為

式中：E為隔水管彈性模量，取210 GPa；A為隔水管截面積；L為隔水管串長度。

1.2.2 海水阻尼模型

海水對于隔水管串的運動阻力可用冪律流體的計算公式進行簡化計算：

式中：τ為剪切力：μ為稠度系數：γ為剪切速率；k為流變指數。

將海水設為牛頓流體，流變系數k取1，可以得到海水的阻力計算公式為

式中：μsea為海水稠度系數，取1.5；D為隔水管串水下動力學外徑，取1.3716 m；Vriser為隔水管串上升速度。

1.3 仿真模型搭建

以我公司生產的DRT-250K雙聯隔水管張緊器搭建3000K隔水管張緊系統，采用6組12根張緊繩的布局方式，隔水管系統參考南海某平臺2355 m作業水深配置情況，結合1.2節數學模型，考慮到隔水管張緊系統由多個重復的張緊器構成，為減小仿真計算量，對系統進行適當簡化，用單根張緊器和簡化后的隔水管搭建仿真模型，單根張緊器力學性能的12倍即為系統的力學性能，運動特性和系統保持一致。在AMESim軟件中搭建隔水管張緊器仿真模型如圖2所示，隔水管張緊器仿真部分關鍵參數如表1所示。

2 張緊器性能影響因子分析

2.1 作業海況對系統性能影響分析

分析不同海況對張緊系統性能的影響，分別將5～8級海況帶入模型中進行批處理得到張緊器性能曲線如圖3所示，其中海況等級對應的參數為目標船型計算而來[7]，統一以正弦曲線模擬隨機波浪。

由圖3和表2可以看出，隨著海況的逐漸惡劣，隔水管頂部張力波動變大，主要原因是由于升沉速度的加快引起流體阻力變大導致的。海況變差將導致最小頂部張力變小，所以隨著海況的惡劣，應適當增加頂張力。

表1 仿真部分關鍵參數

2.2 氣瓶容積對系統性能影響分析

現以4級海況、2355 m水深為模型仿真條件，分析不同氣瓶體積對系統性能的影響。

表2 不同海況下系統仿真結果

由圖4可知，單缸對應的工作氣瓶體積越大，隔水管頂部張力波動越小，這和理論計算值一致；單缸對應的工作氣瓶體積越大，隔水管頂部張力中位值越大，即頂張力和頂部位移呈現變大的趨勢，相應的氣瓶壓力也越大，該現象產生的原因是仿真初始的隔水管軸向拉伸和鋼絲繩拉伸引起的，氣瓶體積越大，將導致隔水管和鋼絲繩的拉伸越大。

2.3 氣路管道長度對系統性能影響分析

現以4級海況、2355 m水深為模型仿真條件，管道內徑20 mm，分析不同氣路管道長度對系統性能的影響。由圖5可以看出，氣路管線長度對系統性能影響較小，這里主要原因是氣路管道模型為理想模型，加之運動速度較慢，管路損失較小，整體管線長度對于整個系統的性能影響可以忽略。

2.4 氣路管道尺寸對系統性能影響分析

現以4級海況、2355 m水深為模型仿真條件，管道長度為20 m，分析不同氣路管道尺寸對系統性能的影響。

由圖6可知，氣路管道尺寸對系統的影響主要原因在于管線節流損失及氣體總體積的影響，具體表現為氣路管道尺寸越小，系統張力波動變大，相應的隔水管的運動相位將產生滯后。

3 充放氣研究

由于充放氣過程屬于非線性、等溫過程，利用AMESim建立充放氣簡化模型，仿真得到充放氣時間。建立充放氣模型如圖7所示，模型分為工作氣瓶組、備用氣瓶組、控制模塊和空氣壓縮機，流體介質為干空氣（實際氣體、范德瓦爾斯模型）。

由圖8可知，對于工況Ⅰ所需的時間為2150 s，平衡后壓力可達7.1 MPa，該工況預計充氣時間為35.8 min。由圖9可知，對于工況Ⅱ所需的時間為156 600 s，所以該工況預計充氣時間為43.5 h。由圖10可知，對于工況Ⅲ所需的時間為97 200 s，所以該工況預計充氣時間為27 h。由圖11可以得到，在管徑20 mm、管道長度20 m的情況下，將所有氣瓶放氣至安全壓力（小于1 MPa）所需的時間為14 400 s，合計4 h。

表3 充放氣工況表

4 結 語

1）由于隔水管張緊器的“液氣彈簧”原理，加上隔水管串及鋼絲繩的彈性變形，整個張緊系統在海況較好的情況下張力波動很小，隔水管頂部張力幾乎保持恒定，有效地保障了海洋鉆井作業的順利開展。

2）隔水管張緊器的工作性能受海況影響較大，主要體現在隨著海況的惡劣，隔水管頂部張力波動將變大。氣瓶容積、管線長度對系統性能影響較小，管線內徑不大于50 mm時對系統波浪跟隨性帶來一定影響。

3）利用備用氣瓶為工作氣瓶進行增壓操作是一種切實有效的途徑，通過仿真可以得到隔水管系統在不同工況下的充放氣時間，操作人員可利用該時間合理安排鉆井作業流程。