深海水下采油树结构及强度计算

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.凶此,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.     

锁块式水下采油树井口连接器性能分析

水下采油树井口连接器是连接采油树和井口的关键设备,对深海水下勘探开发及采油树的安装连接具有不可或缺的重要意义。以一种锁块式水下连接器为例,介绍其结构组成和工作原理,通过有限元建立连接器的三维模型,分析连接器在下放安装工况、连接锁紧工况、正常生产工况和钻完井工况下的连接性能,得出井口与采油树本体接触面作用力、VX钢圈接触应力和锁块受力情况随外部载荷的相互关系。结果表明,VX钢圈在整个过程中都能够保持良好密封,井口与采油树本体接触面未发生分离,弯矩对连接器连接性能影响很大,在额定弯矩作用时连接器部分锁块已发生弹塑性失效。     

水下油气生产系统技术及基础设备发展与研究

水下油气生产系统是保证深海油气开采顺利进行的关键设备之一,它的研发与国家深海资源开发有着密切的联系.文章就国外水下油气生产系统基础设备,如水下采油树、水下管汇、脐带缆等的发展现状、结构形式以及安装与设计时的热点问题进行了介绍,并对水下生产系统整体发展进程进行了详细叙述,综合国内研发情况,为我国水下生产系统的研发提供学习和借鉴的建议.     

水下目标磁探测的测线间距设计

测线间距设计是水下磁性目标探测的重要环节。把水下目标简化为磁偶极子，导出了更加合理的测线间距计算公式；为提高水下目标磁探测的可靠性与作业效率，分析了影响测线间距设计的各种因素，认为水下目标磁矩、海洋环境噪声水平和测点定位误差是测线间距设计中必须考虑的三个主要因素。     

基于扩展单调速率算法的水下平台通信系统

针对水下平台工作环境复杂、通信实时性和可靠性要求高的特点,设计了一套分布式冗余通信系统。该通信系统以西门子PLC S7-400H和工控机为主控制器,基于波分复用技术建立了冗余的光纤传输通路;同时提出了一种新型的扩展单调速率算法,对水下平台的任务进行了优先级分配,并基于此算法进行了通信系统软件设计。经过可靠性分析和半实物仿真试验验证,该通信系统的实时性、可靠性及冗余机制符合设计要求,可以成功应用于水下平台,效果良好。     

可着陆式水下机器人的多体动力学建模与仿真

可着陆式水下机器人由于变浮力机构的设计要求,其外形与结构较之传统的水下航行器更为复杂。在设计阶段对可着陆式水下机器人进行仿真和操纵性分析具有重要意义。文中采用多体系统动力学方法分析可着陆式水下机器人动力学特性,将作用在系统各组成部分上的流体动力、推进力以及其它作用力分别计算和考虑,建立了多体动力学模型,并进行了三维空间运动仿真。该方法为具有较复杂附体结构的水下机器人设计和动力学仿真提供了有效途径。     

基于多阶段贝叶斯网络法的脐带缆全寿命周期可靠性分析

脐带缆是深海油气开发的关键设备之一,主要由钢管单元、电缆单元、光缆单元、护套及铠装单元组成。脐带缆在全寿命周期经过设计制造、储存、安装、在位运行、修复阶段,其每个阶段的可靠性并不是某个常数,而是随时间变化的函数,因此有必要对脐带缆全寿命周期可靠性的变化进行分析。建立某气田水下脐带缆在储存、安装、在位运行阶段的故障树模型,将其转化为多阶段贝叶斯网络模型进行建模分析,基于OREDA手册数据,假设部件寿命服从指数分布,对脐带缆存储、安装、在位运行阶段的可靠性进行分析,得到不同阶段脐带缆可靠性的变化曲线,并与可靠性框图方法进行对比分析。同时,通过引入条件可靠性对该方法进行了优化,分析脐带缆修复后的可靠性变化,以及对脐带缆关键部件进行重要度分析,针对薄弱环节提出改进措施。可靠性分析可为水下脐带缆的安全运行提供技术支持,同时也为海洋结构与设备的全寿命周期可靠性分析提供了一种方法参考。     

水下目标光学隐蔽参数测量方法研究

水下目标光学隐蔽参数测量技术在光学侦察、探测水下目标等军事运用中发挥了非常重要的作用。为了改变以往使用透明度盘测量海洋光学参数方式,提高测量的效率和测量结果精准度,在分析水下目标光学隐蔽参数的基础上,设计了船载水下目标光学隐蔽参数测量方法,利用lightools软件优化光学探头设计,采用无线方式实时传输海水光学参数数据,并进行了海上实验,测量得到了海水辐照比、海水体衰减系数和漫衰减系数,完成水下目标光学隐蔽参数分析,实验证明了该测量方法的可行性和可靠性。     

新型干树半潜式海洋平台垂荡运动性能研究

在深海油气田开发中,干式采油树比湿式采油树具有更多优势。为减小半潜平台的垂荡运动,使其能够采用干式采油树,对一种深吃水且具有大面积下浮箱的新型半潜平台的运动性能进行了探究。基于势流理论,采用频域和时域相结合的分析方法,计算了平台在多种海况下的运动响应,为新型平台的运动分析和设计提供指导。同时,开展了水池模型试验,将计算结果与试验结果相比较,验证了数值模拟结果的准确性。为进一步探究新型平台的运动性能,研究了下浮箱放置深度对平台运动性能的影响,并进行相应的模型试验。研究表明:下浮箱的存在可大幅改善新型干树半潜平台的垂荡运动性能。综合考虑平台运动性能和工程实际应用条件,确定了最合适的下浮箱放置深度值。     

顾及地形变化的多测线粗差剔除方法在一体化水深测量中的应用

单波束测深仪是现代海洋和内河水下地形测量中使用最为频繁的测量仪器。硬件设备固有特性和水下复杂的特殊环境,易导致单波束测深仪在实际使用中产生各类型的粗差。单波束采集时按照每条测线进行处理,在数据处理上往往存在不同船只、不同测线难以一体化处理的问题。文中针对水深值粗差的特点,设计了单波束数据采集和处理一体化方法,在区域处理单波束数据的基础上,提出一种顾及地形的单波束水深测量数据多测线粗差检测方法,并针对上海周边实测区域对单波束测深数据采集和处理进行全方位的验证,结果表明应用本方法不但提升了数据精度和数据处理可靠性,而且大幅提高了作业效率。     

Strength design method for tubing hanger of subsea christmas tree against big temperature difference

The tubing hanger is an important component of the subsea Christmas tree, experiencing big temperature difference which will lead to very high thermal stresses. On the basis of API 17D/ISO 13628-4 and ASME VIII-1, and by comprehensively considering the erosion of oil and the gravity load of the tubing, a calculation model is established by regarding design pressure and thermal stress, and the method for designing the tubing hanger of the horizontal Christmas tree under big temperature difference condition is developed from the fourth strength theory. The proposed theory for strength design of the tubing hanger in big temperature difference is verified by numerical results from ABAQUS.     

水下连接器故障分析及预防

介绍了海洋石油钻井设备水下连接器,以H-4型水下连接器在现场使用中出现的故障现象为例,通过对H-4型水下连接器的结构原理的分析,分析在现场使用连接器发生脱不开故障的原因,并根据原因介绍了其预防的措施;旨在为海洋浮式钻井平台现场使用水下连接器作业提供借鉴和指导作用.     

新型多功能干树储油半潜平台研发

针对凝析油气田开发了一型适应我国南海环境条件的深水多功能干树半潜平台,平台运动性能优良,可实现干树开采、回接水下井口、油气生产处理、凝析油存储、钻修井等功能。平台由上部组块、主船体、细长柔性连接结构、垂荡板、顶张紧式立管(TTR立管)系统、系泊系统构成,结构特点为采用细长柔性连接结构连接主船体与箱型垂荡板。垂荡板采用箱型结构,承受作业吃水压力,可实现平台与箱型垂荡板的整体拖航,平台安装简易,细长柔性连接结构可在位维修或更换。平台立柱内设置储油舱存储天然气凝析油,解决凝析油存储外输问题。平台采用成熟系统系统集成,运动性能优良,海上施工风险可控,未来有望成为一种新的深水油气田开发平台型式。     

Numerical evaluation of a subsea equipment installation method designed to avoid resonant responses

Several methods have been employed to install the different types of subsea equipment that are required for offshore oil and gas production systems. More recently, the increasing development of oil fields at remote, ultra-deepwater scenarios has been requiring heavier and more complex subsea equipment. In such scenarios the usual installation methods have been facing increasing challenges, including resonance effects associated to the dynamic behavior of the cable-equipment system. In this context, after presenting a review of the state-of-the-art of installation methods for subsea equipment, this work presents a methodology for the design and evaluation of an installation method based on the combination of steel wire and polyester ropes. The goal is to obtain a feasible and safe installation method that can avoid resonance effects along all phases of the lowering procedure, without the need of specialized devices such as heave compensators, and using only simpler installation vessels such as standard tugboats instead of more expensive and specialized vessels (such as drilling rigs). The method is evaluated by numerical simulations for case studies considering representative metocean data for Brazilian ultra-deepwater scenarios, following a methodology that considers the random characteristic of actual sea states by employing an irregular spectral representation. The results indicate that the method may indeed be feasible for the deepwater installation of heavier equipment, potentially being more cost-effective especially for remote locations where other more complex methods might become inefficient.     

Mechanics of a Grip System of Three-Key-Board Hydraulic Tongs Developed for Offshore Oil Pipe Lines

-This paper carries out the analysis of mechanics of a grip system of three-key-board hydraulictongs developed for offshore oil pipe lines which has been successfully used in oil fields in China.The mainimprovement of this system is that a lever frame structure is used in the structural design,which reducesgreatly the stresses of the major components of the oil pipe tongs.Theoretical analysis and numerical calcu-lation based on thirteen basic equations developed show that the teeth board of the tongs is not easy to slipas frequently happens to other systems and is of higher reliability.     

基于监测数据的深水水下井口循环弯矩计算方法

水下井口的疲劳完整性是海洋油气田长期安全开采的前提。工业界往往采用贴应变片直接测量水下井口应变来计算弯矩和疲劳损伤,但水下井口应变片粘贴困难且不能长时间连续工作。采用对水下井口监测方法,基于隔水管—防喷器组—水下井口的运动和力学特性,考虑防喷器组惯性力矩建立系统耦合动力学方程,最终形成基于监测数据的水下井口循环弯矩计算方法。以南海某深水水下井口为例,建立隔水管—防喷器组—水下井口系统有限元模型并进行动态分析,提取隔水管底部张力、转角、防喷器组加速度及转角等参数,代入所建立的系统耦合动力学模型,得到水下井口弯矩与有限元计算结果吻合良好。研究表明只需通过在线监测获得所需的输入数据,无需监测水下井口应变即可获取水下井口循环弯矩。建立的系统耦合动力学模型可为水下井口疲劳完整性评估提供理论依据。     

柔性管道骨架层压溃失效机理和安全评价方法研究进展

非黏结柔性管道作为深水油气开发领域的关键设备,是连接海底井口和海洋平台的主要纽带。海洋油气开发水深已经超过了3 000 m,高静水压力是深水软管设计和安全评价的主要挑战,明确深水柔性管道压溃失效机理,并准确地预测柔性管道的压溃压力可以为柔性管道结构设计和安全评价提供依据,柔性管道的压溃压力与骨架层的几何形状以及骨架层之间复杂的相互作用有关,准确高效地预测压溃压力变得极具挑战性。针对柔性管道失效机理研究和压溃压力预测方法进行了总结,指出当前柔性管道压溃失效分析中薄弱的环节,为我国非黏结柔性管道的结构设计和安全评价提供参考。     

Review of challenges in reliable electric power delivery to remote deep water enhanced oil recovery systems

This paper reviews the major challenges involved in reliable electric power delivery to remote deep water enhanced oil recovery (EOR) systems. As the oil well matures, top side based booster systems are not economical, and hence, subsea based booster systems are required. Such EOR processes require subsea systems to be operated at varying power and voltage levels, and this requires establishing subsea power stations with long tiebacks from the shore. Subsea stations carry out safe voltage step-down, distribution and conversion of electrical power in the order of mega watts. Breakdowns in subsea based EOR systems lead to huge production losses, and system retrieval for repair and maintenance is very costly and time consuming, and therefore systems need to be highly reliable. This paper describes the technical challenges involved in subsea variable speed motor drives, long step out power transmission, subsea energy storage requirements for safe start up and emergency shutdown, thermal and humidity management inside pressure rated enclosures, fault localization, pressure tolerant electronics and bio-fouling. Emerging advancements in electrical, power electronic, power transmission, energy storage and packaging technologies are reviewed, giving the confidence that the present technical maturity would be able to drive the development of reliable subsea based EOR systems.     

张力腿平台水下丛式井口圆形布局方法研究

张力腿平台(TLP)水下丛式井口布局设计关系到立管服役期间的安全性,是含有丛式井口平台设计过程中考虑的主要因素。根据TLP立管安装、钻井以及防碰等要求,考虑尾流效应对丛式立管的影响,研究水下丛式井口布局设计准则,对丛式井口—立管系统进行碰撞分析以确定水下井口间距阈值,提出水下丛式井口圆形布局方法和相应的布局设计流程。通过算例对计算方法进行了具体运用。研究表明:与目前采用的"等边三角形网格"方法相比,水下丛式井口圆形布局方法可允许水下整体基盘安装位置误差达到水下井口间距阈值的20%,立管的最大倾角可达到0.5°,安装作业窗口增加1倍以上。本方法对水下整体基盘安装位置误差的容错能力强,能有效扩大丛式立管钻井和安装作业窗口,提高丛式立管作业安全性,研究结果可为TLP丛式井口的设计提供参考。