深海水下采油树结构及强度计算_秦蕊

第29卷第2期

2011年5月海洋工程

THE OCE AN ENGINEERING Vol. 29No. 2May 2011

文章编号:1005-9865(2011) 02-0025-07

深海水下采油树结构及强度计算

秦 蕊, 罗晓兰, 李清平, 张 怡, 段梦兰11231

(1. 中国石油大学(北京) 海洋油气研究中心, 北京 102249; 2. 中国海洋石油研究总院, 北京 100027; 3. 中海油能源发展股份有限公司深圳油建分公司, 广东深圳 518067)

摘 要:针对不同水深、油气温度等操作条件对水下采油树结构的影响, 采用ABAQUS 软件对深水水下采油树在正常生产工况下的整体结构强度进行计算, 总结出不同水深以及不同油气温度对水下采油树结构强度影响的规律。计算结果表明:在高油气温度、深水条件下, 采油树的综合应力受其水下导向基座及H4连接器等固定边界的影响很大。因此, 在设计水下采油树时需特别考虑水下导向基座及H4连接器等的设计, 尽量减小固定边界的边界效应对采油树的影响范围, 避免这些边界效应与采油树所受外力产生的应力叠加。同时, 为减小热应力值, 应注意采油树的保温设计。

关键词:水下采油树; 结构强度; AB AQUS 软件; 深海; 油气温度

中图分类号:P751 文献标识码:A

Calculation of the overall strength of christmas tree in the deep water

QI N Rui 1, LUO Xiao -lan 1, LI Qing -ping 2, ZHANG Yi 3, D UAN Meng -lan 1

(1. Offshore Oil &Gas Research Center, China Uni versity of Petroleum, Beijing 102249, China; 2. CNOOC Research Insti tute, Beijin g 100027, China; 3. C NOOC Energy Technology &Services -Oilfield Construction Engineering Co. in Shengzhen, Shengzhen 518067, China) Abstract:The overall strength of a subsea X -tree has to be checked in different operati ng conditi ons which are closely related wi th water depth, oil &gas temperature, etc. By using the ABAQUS software, a finite element model for a subsea X -tree operati ng in an oil field of 300m waters in South China Sea is developed and the overall structural strength analysis is performed. The numerical results show that the restrainin g conditions (boundary effects) of the subsea guide base and H4connector, etc. have great influences on the integrated stresses of the X -tree. It is stressed that the water -oriented base and H4connector should be specially desi gned to meet the requirements of the overall s trength of the subsea tree by mi nimizing the boundary effects on the Christmas tree, and the combined action of the boundary effects and the external force on the subsea tree should be avoided. Meanwhile, insulation measures have to be taken to reduce the thermal stresses of the subsea tree. Key words:christmas tree; structural strength; AB AQUS; deep water; oil &gas temperature

我国深水海域幅员辽阔且蕴含丰富的油气资源, 尤其在有/第二个波斯湾0之称的南海, 其石油地质储量约占到中国总资源量的三分之一, 但中国在南海的开发却极其的有限, 主要原因是我国没有先进的海洋技术和海洋装备[1]。为此, 在即将实行的/十二五0规划中, 国家将攻破60m 以内浅海的水下设备列为目标。

实现海上油气田的开发, 必须具备可满足水下运行的水下生产系统。水下生产系统包括井口设备、采油树、管汇、基盘、控制系统、脐带管、管线、增压系统和水下处理系统等[2], 如图1所示。水下采油树是水下生

收稿日期:2010-09-06

基金项目:国家科技重大专项课题资助项目(2008ZX05027-002-07/08; 2008ZX05026-004)

作者简介:秦 蕊(1985-) , 女, 河北石家庄人, 博士生, 从事海洋石油设施的设计理论与方法方向的研究。E -mail:qinrui2009@163. com 通讯作者:段梦兰。E -mail:mlduan@cup. edu. cn

产系统的关键设备之一, 它的工作状态决定了整个水下生产系统运行的状态, 因此研究水下采油树有着非常

重要的意义。

图1 水下生产系统的组成

Fig. 1 Subsea production system

长期以来, 水下采油树的关键技术被美国FMC 、Cameron 和挪威Aker Kvaerner Subsea 三大厂商所垄断, 这三家企业占有世界采油树市场90%以上的份额。由于水下采油树的结构复杂, 对材料性能和密封技术的

-5]-6]要求很高[4, 控制系统和阀等单元部件容易出现问题[5, 加之国外的专利保护和技术封锁等原因, 我国甚至连一棵独立自主开发的浅水水下采油树都没有, 研制工作才刚刚起步。为了打破垄断, 满足南海深水开发的需要, 有必要研究水下采油树的结构并对其进行强度计算, 通过研究分析为水下采油树的国产化设计提供理论依据。[3]

1 水下采油树的结构

水下采油树的种类很多, 按照安装方式可以将其分为立式采油树和卧式采油树两种, 仅对卧式采油树进行分析计算。卧式采油树由采油树导向基盘、采油树本体、采油树帽、油管悬挂器、H4连接器、主阀、翼阀和管道等部件组成, 其内部结构如图2所示[8]

。[7]

图2 卧式采油树的内部结构示意

Fig. 2 T he internal structure of horizontal tree

在设计水下采油树时需要考虑多方面的因素, 如水深、工作压力和海洋环境条件等, 不同的油品特性也会影响水下采油树材料的选取和密封形式的设计。伴随着深水油气勘探开发的良好前景, 国外学者对水下采油树的设计进行了更加深入的研究探索。Dwight Janoff 和Janardhan Davalath [9]针对减少水下采油树和管汇

等设备水合物堵塞的问题, 提出了水下采油树的热绝缘材料。D Carre 和J O c Sullivan [10]指出设计、制造采油树面临的最重要的问题就是热绝缘保温设计。A A B radley 、A R B rimmer 和R Pettus [11]利用FEA 软件对水下采油树的关键组成结构进行了分析。因此, 此处利用ABAQUS 软件对水下采油树的整体结构进行初步研究。

水下采油树有安装、拆卸、压力试验和正常生产等几种不同的工况, 在不同的工况下水下采油树整体结构的受力情况是不同的。在安装、拆卸工况下, 水下采油树仅受重力、下部油管重量和上部提升力的作用; 在压力试验工况下, 仅有部分水下采油树的元件会受到压力的作用; 而在正常生产工况下水下采油树受到的力最为复杂, 可近似看为其他工况下力的集合体, 因此, 对最具代表性的工况即水下采油树在正常生产时的整体结构强度进行分析计算, 以得到水下采油树的设计启示, 其三维有限元模型如图3所示。

2 力学模型

正常生产时采油树安放在海底, 坐落于水下井口装置的导向基盘上。一般可认为导向基盘是水下采油树的固定基座, 于是采油树可近似认为是一悬臂梁, 整体模型采用静力分析, 选用理想弹塑性模型。

2. 1 材料选择

计算中选取采油树的材料为20CrNiMo, 其屈服强度为785MPa, 弹性模量为2. 1@10MPa, 泊松比为0. 30, 密度为7. 85@103kg/m 3, 热膨胀系数为14. 5@10-6m/e , 热传导系数为15. 2kcal/m. h. e 。

2. 2 边界条件

在正常生产的工况下, 水下采油树和水下基盘相连接, 可将水下采油树的导向架底端进行全约束, 避免产生刚性位移; 安装在采油树本体下面的H4连接器与水下井口相连接, 可将H4连接器的底端视为固定端, 进行全约束; 其余结构完全无约束, 如图4

所示。5

图3 卧式采油树的有限元模型

Fig. 3 The finite element model of horizontal

tree 图4 边界条件的设定Fig. 4 Boundary condition

2. 3 载荷条件

水下采油树的结构会受重力、水压、水温、油气压力和油气温度等因素的影响, 因此, 把这些力均模拟成静载荷施加在水下采油树上, 其加载情况如图5所示。水下采油树的重力以体积力的方式施加在采油树的整体上; 油管悬挂器所承受的油管重量以集中力的方式施加在RP -2点上, 点RP -2和油管悬挂器的底部做耦合约束, 将重量施加在油管悬挂器上; 水压和水温以分布力的方式施加在水下采油树的外壁上; 油气压力和油气温度以分布力的方式加载在阀和管道的内壁上。

2. 4 网格划分

水下采油树的导向基盘、H4连接器等部件在正常生产中仅受自身重力和水压的作用, 且仅起支撑和连接的作用, 所以网格划分相应稀疏一些; 而水下采油树的阀和管道部位在正常生产中除受到上述力的作用外, 还会受到油气压力和油气温度的作用, 网格划分相应比较密, 如图6所示。

图5 水下采油树的载荷施加情况

Fi g. 5 Load in the subsea X

-tree

图6 水下采油树的网格划分

Fig. 6 Mesh of the subsea X -tree

3 正常生产工况下水下采油树整体结构的计算

不同的水深、不同的油气温度下, 水下采油树所受的应力值均不同。因此, 分别取300、600、750、1000、1200和1500m 水深与60e 、90e 和120e 油气温度进行分析计算。

第2期秦 蕊, 等:深海水下采油树结构及强度计算29

3. 1 水下采油树的计算载荷和计算结果

油气压力统一取为15. 5MPa, 则水下采油树在正常生产时所受的载荷, 如表1所示。

表1 正常生产时水下采油树的受力载荷

Tab. 1 Load of the subsea X -tree in the normal production

水深/m

300

600

750

1000

1200

1500外水压/MPa 3. 06. 17. 610. 112. 115. 1水温/e 11. 09. 06. 060/90/1204. 03. 53. 015. 59. 8100油气温度/e 油气压力/MPa 重力加速度/(m #s -2) 油管重量/t

经过计算得到水下采油树在正常生产时的最大应力值, 如表2所示。

表2 正常生产时水下采油树的最大应力值

Tab. 2 Maxim um stress of the subsea X -tree in the normal production

水深/m 油气温度60e 时的

最大应力值/MPa

225. 9

264. 7

262. 9

272. 3

289. 1

304. 6油气温度90e 时的最大应力值/MPa 257. 1277. 6273. 2297. 6312. 1335. 2油气温度120e 时的最大应力值/MPa 314. 0310. 8302. 4369. 9385. 7394. [***********]1500

水深300m, 油气温度60e 时的应力分布如图7

所示。

图7 水下采油树在300m 水深油气温度60e 时的应力分布

Fi g. 7 The stress distribution of the subsea X -tree in an oil field (300m water depth and 60e oil &gas temperature) 不论油气温度为多少, 水下采油树在600、750、1000、1200和1500m 水深的应力分布图与300m 水深的

30海 洋 工 程第29卷应力分布图近似, 只是最大应力的数值以及各个应力值的分布区域不同。以上18种情况下, 水下采油树的最大应力值均出现在管道上。

3. 2 计算结果分析

根据计算结果绘制出图8

。

图8 水深、油气温度和最大应力值的关系

Fig. 8 The relation of water depth, oil &gas temperature and maximum stress

从图中可以看出:

1) 在相同水深的情况下, 水下采油树所受的最大应力值随油气温度的升高而增大, 这是热应力增大之故。同水深同油气压力下, 水压相同, 水下采油树的压力应力值不变; 水温相同, 油气温度不同, 油气温度越高, 水下采油树的内外温差越大, 其热应力值越大, 从而水下采油树所受的综合应力值越大。因此, 在设计水下采油树时需特别考虑油气温度的影响作用, 油气温度越高, 对材料的性能要求越高。

2) 在油气温度为60e 和90e 的情况下, 水下采油树所受的最大应力值随水深的增加先增大后减小, 然后又增大。这是因为水深小于600m 时, 随水深的增加, 海水的环境温度降低, 环境压力加大, 此时油气温度与海水环境温度的差值增大, 使得由温差引起的热应力增加; 外部环境压力与内部油气压力的压差增大, 使得由压差引起的压力应力增加, 最终造成水下采油树的综合最大应力值的增大。

当水深超过600m 时, 由于材料的性能会受压力和温度的影响, 水压越大, 水温越低, 对材料的性能影响就越大, 600m 水深已属于深水[12]、低温的环境, 所以此时水下采油树所受的综合应力值将超过材料的比例极限, 使得其部分材料发生塑性变形, 正是这部分材料的塑性变形, 使得水下采油树的应力有所释放, 即水下采油树的综合应力值随水深的增加而降低, 但水下采油树的变形将随之增加。

当水深超过750m 后, 水下采油树所受的综合应力将随热应力的急剧增加而变得更大, 这使得水下采油树的变形量快速增加, 但是由于水下导向基盘及H4连接器等固定边界的限制, 将不允许再增加变形量, 由于变形量的增加受到限制, 进而转化为水下采油树所受的应力值。所以, 当水深大于750m 时, 水下采油树所受的最大应力值又会随水深的增加而升高。

3) 在油气温度为120e 的情况下, 水下采油树所受的最大应力值随水深的增加先降低后升高。这是因为120e 的油气温度属于是高油气温度环境, 水下采油树所受的应力从一开始就超越了弹性变形的范围, 有部分应力释放, 所以最大应力值先降低。当水深大于750m 时, 水下采油树所受的最大应力值随水深的增加而升高, 这是因为水下采油树的变形量受到水下导向基盘及H4连接器等固定边界的限制而不能再增加, 转化成为水下采油树所受的应力值, 所以, 水下采油树所受的最大应力值又会随水深的增加而升高。4 结 语

对水下采油树的详细结构及相关设计进行了研究, 取得下述结果:

1) 在相同水深的情况下, 水下采油树所受的最大应力值随着油气温度的升高而增大。

2) 在不同水深的情况下, 油气温度为60e 和90e 时, 水下采油树受到的最大应力值随水深的增加先增大后减小, 然后又增大, 拐点出现在600m 和750m 水深处。油气温度为120e 时, 水下采油树所受的最大应,

第2期秦 蕊, 等:深海水下采油树结构及强度计算31

3) 水下采油树的最大应力值均出现在管道上, 且温度应力在综合应力中占主导地位, 因此在设计水下采油树时, 对管道部位的选材和布局需要特别的考虑, 并做好保温设计, 同时需满足防腐和密封的要求。

4) 水下采油树各组成部件的受力情况不同, 因此, 在设计、制造水下采油树时, 对不同的组成部件可以选取不同的材料, 以降低生产成本。

5) 在高油气温度、深水条件下, 水下采油树所受的综合应力受其水下导向基盘及H4连接器等固定边界的影响很大。因此, 设计水下采油树时需特别考虑水下导向基盘及H4连接器等的设计, 尽量增大水下采油树整体最大应力值的所在位置与水下导向基盘及H4连接器等边界条件间的距离, 减小固定边界的边界效应对水下采油树的影响范围, 避免这些边界效应与水下采油树所受外力产生的应力进行叠加。同时, 当水深超过750m 后, 为减小热应力值, 应注意水下采油树的保温设计, 选择合适的高强度合金钢或者增大水下采油树的壁厚, 使其在高油气温度、深水条件下的最大应力值小于设计要求的许用应力。

参考文献:

[1] 王立忠. 论我国海洋石油工程技术的现状与发展[J]. 中国海洋平台, 2006, 21(4) :9-11, 18.

[2] Gilles Barnay. Girassol:the subsea production system presentation and challenges[C]M OTC 14170. 2002.

[3] D H Zeiner Gundersen. Evaluation of a subsea tree after 20years c production[C]M OTC 4727. 1984.

[4] Otto Granhaug, John Soul. The garden banks 388horizontal tree design and developmen t[C]M OTC 7845. 1995.

[5] Eric D Larson P E, Kevin G Keosoff. M arginal subsea developmen t with ex i sting subsea trees[C]M OTC 16533. 2004.

[6] I Jouti Petrobras, W Azpiazu. Subsea tree recovery and redeployment:B razil c s experience[C]M OTC 5495. 1987.

[7] 曾宪锦. 海上油气田生产系统[M]. 北京:石油工业出版社, 1993:139-156.

[8] GE. Tree on Mudline[R]. 2007.

[9] Dwight Janoff, Janardhan Davalath. Application of i nsulation materials for deep water subsea completion and producti on equipment[C]M

OTC 14119. 2002.

[10] D Carr , J O c Sulli van. Moho bilondo:subsea production system experience[C]M OTC 20280. 2009.

[11] A A Bradley, A R Bri mmer, R Pettus. K2subsea trees and controls:15k; 5d bore; 70tons -the challenges[C]M OTC 18302. 2006.

[12] ISO 13268-1, Petroleu m and natural gas industries-design and operation of subsea production systems-Part 1:general requirements

and recommendations[S]. 2005.