Приложение В (справочное). Режимы эксплуатации и общий анализ системы райзера

Приложение В
(справочное)

Режимы эксплуатации и общий анализ системы райзера

В.1 Введение

В приложении В приведено руководство по обслуживанию и эксплуатации системы райзера З/РС и выполнению общего анализа системы райзера с использованием специализированного программного обеспечения для выполнения расчетов методом конечных элементов.

В приложении F приведен типовой состав данных, необходимых для выполнения общего анализа системы райзера. Детальные рекомендации по проведению общего анализа райзера приведены в [8].

В.2 Режимы эксплуатации

В.2.1 Эксплуатация с ПФА

В.2.1.1 Размещение

В процессе размещения и перемещения секций райзера и натяжной рамы ПИФА необходимо учитывать конструктивную прочность изделий. Изготовитель должен определить требования к состоянию моря и допустимым смещениям судна, при которых указанные работы могут быть выполнены безопасно. Должны быть разработаны детальные процедуры, определяющие параметры внешнего вспомогательного оборудования, необходимого для выполнения работ (например, расположение и натяжение канатов лебедок, размещение манипуляторов бурового модуля, канатных грузозахватных приспособлений и т.д.).

В.2.1.2 Спуски подъем

Спуск и подъем ПФА, как правило, включают следующую последовательность операций:

- спуск через зону заплеска;

- промежуточные этапы спуска;

- установка на устьевое оборудование.

Спуск модуля экстренного отсоединения, нижнего узла-превентора и подвешенной на райзере ПФА через зону заплеска и сквозь толщу воды может быть рассмотрен как особый случай вывешивания райзера. Вопросы, требующие особого контроля, как правило, связаны с возможным контактом райзера и элементов буровой установки (буровой шахты и крепления понтона) и допустимыми воздействиями на райзер. Рекомендуется максимально оперативно выполнить спуск модуля экстренного отсоединения, нижнего узла-превентора и ПФА за счет использования двух или более предварительно собранных секций райзера. Раскачивание спускаемой секции в буровой шахте может быть ограничено за счет использования в процессе спуска специальной направляющей системы шахты. Ограничения для внешних условий в процессе указанных операций должны включать требования к допустимой высоте и периоду волн и профилю течения.

В процессе спуска и до начала установки колонны райзера на устье обычной практикой является отвод судна в сторону от устья скважины для минимизации последствий в случае падения колонны райзера. Смещение в направлении, противоположном направлению преобладающего течения, минимизирует угол отклонения райзера при стыковке. Перед спуском райзера должны быть установлены ограничения для следующих параметров:

- максимальная допустимая скорость в момент контакта райзера с оборудованием;

- максимальные допустимые смещения судна;

- максимальный период повторяемости течения;

- максимальные допустимые параметры волн;

- максимальные значения веса при посадке райзера (т.е. минимальное натяжение райзера или максимальное сжатие в нижней части райзера);

- максимальные значения углов отклонения при посадке и соединении ПФА с устьевым оборудованием.

После посадки и соединения райзера следует по возможности быстро увеличить натяжение райзера до заданного рабочего значения.

В.2.1.3 Присоединенное состояние

Для эксплуатации присоединенного райзера в режиме работы с ПФА (режимы нормальной эксплуатации и режим заглушенной скважины) обычной практикой является определение эксплуатационных ограничений в зависимости от смещения судна и высоты волны.

Допустимые рабочие условия должны быть определены исходя из фактических сочетаний параметров течений, гидрометеорологических условий и параметров флюида в райзере. К факторам, которые могут влиять на допустимый диапазон рабочих условий, относят:

- допустимые уровни нагружения для рассматриваемого режима эксплуатации;

- параметры флюида внутри райзера, давление, плотность (масса) флюида или вес колонны инструмента;

- величина натяжения райзера;

- расстояние до конструктивных элементов судна (стенок буровой шахты, крепление понтона и т.д.);

- профиль течения;

- глубина воды;

- угол наклона устьевого оборудования;

- курс и перемещения судна.

В.2.1.4 Отсоединение

Отсоединение райзера может быть плановым или аварийным. При осуществлении планового отсоединения необходимо учитывать следующие факторы:

- требования к предварительному уменьшению натяжения райзера для исключения его резкого вертикального подъема и предотвращения возможного повреждения райзера или судна;

- требования к допустимому смещению судна для уменьшения угла наклона райзера перед отсоединением и исключения движения райзера по направлению расположенных на дне конструкций;

- необходимость подъема колонны райзера после отсоединения для предотвращения ее контакта с подводными конструкциями и морским дном.

Допустимые рабочие условия для планового отсоединения райзера аналогичны условиям, устанавливаемым для режима посадки и соединения райзера.

В режиме аварийного отсоединения должна быть выполнена следующая последовательность действий, включающая аварийный останов и непосредственно рассоединение:

- останов технологического оборудования на судне;

- закрытие запорной арматуры на подводном оборудовании и райзере;

- размыкание соединителей модуля экстренного отсоединения.

На срабатывание соединителей модуля экстренного отсоединения влияет действующий на них момент, обусловленный натяжением райзера и углом отклонения. После аварийного отсоединения райзер подлежит обследованию. Состав и объем работ в процессе контроля состояния райзера должен быть определен изготовителем.

В.2.1.5 Вывешивание

Когда райзер находится в подвешенном положении, смещение судна, как правило, не является определяющим параметром. Необходимо контролировать действующие нагрузки и возможный контакт райзера с судном.

Эксплуатационные ограничения для режима вывешивания райзера, как правило, представляются в форме областей рабочих режимов, зависящих от высоты и периода волны. При определении допустимых условий состояния моря необходимо учитывать следующие факторы:

- длина подвешенного райзера;

- метод вывешивания (т.е. свободное подвешивание на спайдере ротора или удержание с помощью штропов элеватора натяжной рамы ПИФА);

- курс и перемещения судна;

- состояние направляющих канатов (свободные или натянутые) или отсутствие направляющих канатов.

В.2.1.6 Допустимые рабочие условия

Используемой на практике формой представления результатов анализа райзера являются эксплуатационные ограничения (диапазон допустимых рабочих условий), которые должны быть четко определены и обозначены. Персонал должен обеспечивать соблюдение указанных рабочих условий в процессе эксплуатации райзера. Эксплуатационные ограничения райзера должны быть определены проектировщиком и могут быть представлены в виде графиков, по одной оси которых откладывают высоты значительных волн, а по другой - смещения судна относительно площадки устьевого оборудования. Типовая диаграмма для райзера З/РС в подсоединенном состоянии показана на рисунке В.1 и представляет диапазон допустимых смещений судна для различных рабочих условий. Значения, расположенные ниже кривой, образуют область безопасной эксплуатации с учетом возможных режимов отказов. Для значений, расположенных выше кривой, действие нагрузок может привести к напряжениям, превышающим предел прочности, и/или к вертикальным перемещениям райзера, превышающим установленный запас хода, что требует восстановить допустимое положение судна или выполнить отсоединения райзера. График отражает значения высот значительных волн, период пика спектра и параметры смещения судна, которые может контролировать персонал судна в процессе работы. Каждая отдельная кривая сформирована для совокупности параметров, включающих положение судна, глубину воды, профиль скоростей течения, значения верхнего натяжения райзера, плотность флюида внутри райзера и внешнее проектное давление.

-----------------------------

^а Опасная область эксплуатационных параметров.

^b Безопасная область эксплуатационных параметров.

-----------------------------

X - установившееся смещение судна, L _so, относительно устьевого оборудования, выраженное в процентах от глубины воды, в качестве положительного направления принимают направление течения; Y - высота значительных волн H _s; 1 - предел прочности: аварийный; 2 - предел прочности: экстремальный; 3 - предел прочности: нормальный; 4 - ограничение на вертикальные перемещения: компенсатор качки; 5 - ограничение угла МЭО: направление, противоположное направлению течения; 6 - ограничение угла МЭО: по направлению течения

Рисунок В.1 - Типовая область допустимых рабочих условий (диапазон). Режим работы с ПФА

Представленные на рисунке В.1 параметры, используемые для определения рабочих условий, включают данные об условиях внешней среды и технические параметры, характеризующие режим работы райзера. Данные параметры подлежат постоянному непосредственному или косвенному мониторингу для обеспечения безопасного режима работы райзера. При определении эксплуатационных ограничений следует принимать во внимание используемый метод контроля и точность измерения указанных параметров. Ограничения при непосредственном контроле внешних параметров (таких, как высота волны, профиль течения, смещение судна) устанавливают менее жесткими по сравнению с ограничениями, устанавливаемыми при использовании косвенных методов контроля (например, при замере вертикальной, килевой, бортовой качки и т.д.).

Эксплуатационные ограничения райзера в присоединенном состоянии зависят от таких ограничивающих факторов, как прочность элементов райзера, ход райзера и максимальный зазор, максимально допустимый угол отклонения, обеспечивающий срабатывание модуля экстренного отсоединения, и возможные смещения судна. Эксплуатационные ограничения должны быть определены для каждого из указанных факторов. Общий диапазон допустимых рабочих условий райзера, приведенный на рисунке В.1, сформирован на основе анализа совокупного влияния всех ограничивающих факторов. В примере, представленном на рисунке В.1, критическими ограничивающими факторами являются ограничение хода компенсатора качки верхнего привода и угол срабатывания модуля экстренного отсоединения.

Анализ процесса установки райзера часто включает в себя оценку ограничений с позиции прочности райзера, зазора между райзером и стенками буровой шахты, а также требований к позиционированию судна при подключении райзера к оборудованию на морском дне. Необходимо выполнить проверку высотных отметок для различных контрольных точек.

В процессе установки следует учитывать различные возможные условия выполнения операций, например свинчивание соединителя в процессе спуска, когда райзер подвешен на полу буровой площадки, и при опускании райзера (моделирование при наличии боковых ограничений у пола буровой с обеспечением возможности вращения райзера).

В штормовых условиях или после аварийного отсоединения модуль экстренного отсоединения может быть отведен в сторону от подводного оборудования и судно смещено с заданной позиции. При вывешивании райзер может быть зафиксирован у пола буровой или может быть обеспечено его вращение (например, с помощью карданова подвеса слайдера или специальной конструкции для подвешивания).

В.2.2 Режим работы с трубной головкой

В.2.2.1 Спуск/подъем и посадка

Следует рассматривать спуск/подъем и посадку сборок следующего оборудования:

a) ПФА вертикального типа:

- для заглушённой скважины: НКТ, трубная головка, инструмент для спуска трубной головки, переводник ППВО, райзер для заканчивания скважины;

- для скважины под давлением: НКТ, трубная головка, инструмент для спуска трубной головки, переводник ППВО/испытательная секция в составе колонны для спуска, стопорный клапан, райзер для заканчивания скважины;

b) ПФА горизонтального типа:

- НКТ, трубная головка, инструмент для спуска трубной головки, испытательная секция в составе колонны для спуска, стопорный клапан, райзер для заканчивания скважины.

Для предупреждения повреждения компонентов колонны для спуска рекомендуется:

- устанавливать длину райзерной колонны таким образом, чтобы трубная головка была расположена выше нижнего гибкого соединения бурового райзера при свинчивании последней сборки (гладкого соединения и ПИФА);

- проводить трубодержатель через ППВО за одну операцию.

Для соответствия этим требованиям необходимо иметь достаточный запас высоты буровой вышки. Как можно увидеть на рисунке В.2, требуемая высота подъема зависит от высоты ППВО и опускания райзера после посадки, в дополнение к другим факторам, приведенным в таблице В.1.

Эксплуатационные ограничения должны быть определены для каждого вида сочетаний сборок спускаемого оборудования. Эксплуатационные ограничения, как правило, устанавливают в виде допустимых значений углов отклонения верхнего и нижнего гибких и шарового соединений бурового райзера. Наиболее критичным является прохождение сборки, обладающей наибольшей жесткостью при изгибе.

При прохождении сборки оборудования через нижнее гибкое соединение бурового райзера необходимо учитывать относительную жесткость при изгибе компонентов райзера для заканчивания и бурового райзера. Следует подготовить руководство для оператора, содержащее допустимые значения углов отклонения гибкого и шарового соединений перед входом и в процессе прохождения через них наиболее жестких элементов собранных узлов райзера для заканчивания.

-----------------------------

^а См. таблицу В.1.

-----------------------------

1 - штропы; 2 - элеватор; 3 - натяжная рама; 4 - переводник; 5 - вертлюг; 6 - гладкое соединение; 7 - короткий патрубок; 8 - пол буровой вышки; 9 - буровой райзер; 10 - колонна для спуска; 11 - трубная головка; 12 - гибкое соединение; 13 - ППВО; 14 - НКТ; 15 - устье скважины

Рисунок В.2 - Параметры высоты подъема и посадки собранных элементов райзера

Кроме того, в руководстве по эксплуатации райзера З/РС следует привести описание возможных последствий и необходимой диагностики райзера при нарушении требований к значению угла отклонения гибкого и шарового соединений бурового райзера в процессе спуска сборки элементов райзера.

После идентификации допустимых углов отклонения гибкого и шарового соединений необходимо определить следующие параметры:

- относительную жесткость при изгибе райзера для заканчивания скважины и бурового райзера;

- внутренний зазор между компонентами райзера для заканчивания скважины и стенками бурового райзера, включая все вспомогательные элементы, закрепленные на райзере для заканчивания скважины (хомуты шлангокабеля, хомуты линии доступа в затрубное пространство, кожух гладкого соединения и т.д.);

- высотную отметку нижнего гибкого и шарового соединений относительно верха устья скважины;

- высотную отметку верхнего гибкого и шарового соединений относительно пола буровой установки.

Необходимо определить следующие ограничивающие параметры:

a) допустимые углы отклонения нижнего и верхнего гибких и шарового соединений;

b) скорость посадки райзера;

c) минимальное и максимальное натяжение райзера, включая избыточное натяжение.

Таблица В.1 - Параметры высоты подъема и посадки собранных элементов райзера

Параметр	Размер
Высота ПИФА и натяжной рамы или сборки штроп	А
Номинальное значение опускания райзера после посадки	В
Высота подвешивания секции райзера	С
Ход посадки (расстояние от заплечика для установки трубной головки до нижней части трубной головки в подвешенном состоянии)	D
Зазор между трубной головкой и гибким соединением для расчета допустимой вертикальной качки судна и ошибки определения положения	Е
Минимальная требуемая высота для подъема на буровой вышке	А + В + D + зазор для перемещения

В.2.2.2 Режим работы в присоединенном состоянии

При эксплуатации райзера в присоединенном состоянии в режиме работы с трубной головкой эксплуатационные ограничения, как правило, выражают через допустимые углы отклонения верхнего и нижнего гибкого и шарового соединений бурового райзера. Ограничения для значений смещения судна и высоты волн, как правило, находятся вне области ответственности изготовителя райзера З/РС. К факторам, которые могут влиять на значения допустимых углов отклонения верхнего и нижнего гибкого и шарового соединений, относят:

- допустимые уровни нагрузок для режима эксплуатации;

- параметры флюида внутри райзера, давление, плотность (масса) флюида или вес колонны инструмента;

- натяжение райзера.

При определении допустимых углов отклонения гибкого и шарового соединений бурового райзера следует учитывать:

a) относительную жесткость при изгибе райзера для заканчивания скважины и бурового райзера;

b) внутренний зазор между компонентами райзера для заканчивания скважины и стенками бурового райзера, включая все вспомогательные элементы, закрепленные на райзере для заканчивания скважины (хомуты шлангокабеля, хомуты линии доступа в затрубное пространство, кожух гладкого соединения и т.д.);

c) высотную отметку нижнего гибкого соединения и шарового соединения относительно верха устья скважины;

d) высотную отметку верхнего гибкого соединения и шарового соединения относительно пола буровой установки.

При определении допустимых углов отклонения гибкого и шарового соединений важно рассматривать буровой райзер, ППВО и райзер З/РС как единую систему. Допустимые углы для одной конфигурации оборудования не обязательно будут применимы для другой конфигурации.

В.2.2.3 Натяжение райзера для извлечения НКТ

Как минимум, следует определить ограничения в виде допустимых углов отклонения гибкого и шарового соединений бурового райзера. Необходимое натяжение, прикладываемое к трубной головке, принимают равным весу НКТ и дополнительному усилию на преодоление сил трения. Увеличение натяжения, как правило, приводит к уменьшению допустимых углов отклонения гибкого соединения.

В.2.2.4 Эксплуатационные ограничения

Эксплуатационные ограничения для режима работы с трубной головкой зависят от тех же факторов, что и при работе без водоотделяющей колонны. Рекомендуется провести анализ для определения предельных углов отклонения гибких соединений бурового райзера в рабочем положении, условий натяжения райзера З/РС и его спуска (определение требований к зазору).

Ограничения, представленные на рисунке В.3, являются отдельным примером для райзера З/РС.

X - угол отклонения нижнего гибкого соединения бурового райзера относительно вертикальной оси ППВО  _F, град; Y - приложенное к трубной головке эффективное натяжение райзера Т _е, кН; 1 - увеличенное натяжение при заклинивании НКТ; 2 - спуск/извлечение; 3 - режим заглушенной скважины; 4 - режим нормальной эксплуатации

Рисунок В.3 - Типовые эксплуатационные ограничения райзера З/РС. Режим работы с трубной головкой

Эксплуатационные ограничения райзера З/РС для конкретных условий применения в сочетании с эксплуатационными ограничениями бурового райзера формируют общие эксплуатационные ограничения, учитывающие параметры ППВО, устьевой обвязки, ПФА и колонны направления. Важно отметить, что несущая способность некоторых из этих компонентов зависит от влияния концевых заглушек. На рисунке В.4 показаны общие эксплуатационные ограничения в режиме работы с трубной головкой. В данном примере совокупные нагрузки при операциях с райзером З/РС не превышают общей несущей способности.

X - угол отклонения нижнего гибкого соединения бурового райзера относительно вертикальной оси ППВО  _F, град; Y - изгибающий момент М _bm, кН·м; 1 - несущая способность устьевой обвязки; 2 - несущая способность соединителя с колонной головкой; 3 - избыточное натяжение; 4 - спуск; 5 - режим заглушенной скважины; 6 - режим нормальной эксплуатации

Рисунок В.4 - Общие эксплуатационные ограничения. Режим работы с трубной головкой

Общий результирующий изгибающий момент M _G от воздействий на буровой райзер и райзер З/РС, приложенный в точке под нижним гибким соединением бурового райзера, может быть определен в соответствии с выражениями (В.1) и (В.2). В данном примере общий изгибающий момент определяют на соединителе устьевой обвязки скважины.

,

(В.1)

,

(В.2)

где V _sh - общее срезающее усилие, действующее на гибкое соединение морского райзера, Н;

L ₂ - высота от устья скважины до оси гибкого соединения (см. рисунок F.2), м;

w _ВОР - вес в погруженном состоянии ППВО и НБР, включая содержимое внутренних каналов, Н;

 ₂ - расстояние по горизонтали от центра тяжести ППВО до заданной точки, м;

T _v - вертикальная составляющая общего эффективного натяжения Т _е,tot, Н;

 ₁ - расстояние по горизонтали между гибким соединением и заданной точкой, м;

 _G - угол отклонения гибкого соединения относительно вертикальной оси, рад (см. рисунок В.5);

 _dev - угол отклонения вертикальной оси ППВО и корпуса колонной головки высокого давления от вертикали, рад (см. рисунок В.5);

K _F - крутильная жесткость гибкого соединения, Н·м/рад;

T _e,tot - общее эффективное натяжение от морского райзера и райзера З/РС, действующее на гибкое соединение, Н;

M _f - изгибающий момент, необходимый для изгиба райзера З/РС, Н·м;

V _se - срезающее усилие, действующее на гибкое соединение из-за действия нагрузок от окружающей среды на морской райзер и ППВО, Н.

1 - вертикаль, проходящая через соединитель с колонной головкой; 2 - ППВО; 3 - соединитель с колонной головкой; 4 - корпус кондуктора; 5 - направление; 6 - центральная ось, проходящая через расположенные под наклоном ППВО и кондуктор; 7 - морское дно; 8 - сопротивление грунта сдвигу

Рисунок В.5 - Проверка несущей способности устья скважины относительно общего изгибающего момента. Режим работы с трубной головкой

В.3 Общий анализ райзера

В.3.1 Подходы к проведению общего анализа райзера

Общий анализ райзерной системы, как правило, выполняют для прогнозирования поведения райзера в проектных условиях, определения требований к верхнему натяжению, расчета напряжений от действия экстремальных нагрузок (определение эксплуатационных ограничений) и напряжений от усталостных нагрузок в компонентах райзера.

Общий анализ райзерной системы предназначен для верификации результатов рабочего проекта, определения эксплуатационных ограничений, оценки усталостной долговечности и определения параметров экстремальных и усталостных нагрузок на сопряжения. В состав общего анализ райзера, как правило, входит:

a) анализ отдельных труб в конструкции и проверка на применимые режимы отказа;

b) определение проектных нагрузок (экстремальных и усталостных) на отдельные компоненты, включая муфты, усиленное соединение, натяжное соединение, гладкое соединение и т.д.;

c) оптимизация прикладываемого натяжения для достижения допустимых напряжений, оценка необходимости увеличения плавучести;

d) оценка зазора между райзером и внешними объектами, например между райзером и конструкциями судна, райзером и морским дном, райзером и палубным оборудованием/спайдером;

e) оценка перемещений и отклонений, например хода верхней части райзера, углов наклона гибкого и шарового соединения;

f) оценка влияния вибрации, вызванной вихреобразованием, и необходимости мониторинга и обследования райзера в случае подтверждения ее негативного воздействия. Следует оценить необходимость увеличения верхнего натяжения райзера и/или использования гасящих вибрацию устройств.

Некоторые основные параметры, учитываемые в процессе проектирования и анализа систем райзера З/РС, показаны на рисунке В.6.

Должны быть разработаны эксплуатационные процедуры для всех режимов эксплуатации райзера. Процедуры должны включать эксплуатационные ограничения, определенные в процессе анализа райзера и его компонентов.

В.3.2 Натяжение райзера

В.3.2.1 Эффективное натяжение

Нагрузки от воздействия на трубы райзера внешнего и внутреннего давления, как правило, рассматривают с точки зрения натяжения/веса райзера и выражают формулами:

,

(B.3)

,

(B.4)

где T _e - эффективное натяжение в трубе, Н;

T _w - истинное натяжение стенки, Н;

p _int - внутреннее давление в заданной точке, Па;

A _int - площадь внутреннего поперечного сечения трубы, м ²;

р _o - внешнее давление в заданной точке, Па;

А _o - площадь поперечного сечения трубы по наружному диаметру, обеспечивающая плавучесть при погружении, м ²;

D _o - условный или номинальный наружный диаметр трубы, м;

t - толщина стенки трубы, м;

w _e - вес в погруженном состоянии, Н;

w _p - вес трубы на воздухе (сухой), Н;

g - ускорение свободного падения, м/с ²;

 _int - плотность флюида внутри трубы, кг/м ³;

 _o - плотность морской воды, кг/м ³.

Эффективное натяжение представляет собой силу, направленную вдоль продольной оси (осевое напряжение, умноженное на площадь поперечного сечения трубы) и определяемую с учетом действия внутреннего и внешнего давления флюида.

Физический смысл эффективного натяжения может быть выражен следующим образом:

- геометрическая характеристика жесткости, определяемая эффективным натяжением. Это означает, что эффективное натяжение является общим определяющим параметром жесткости для подавляющего большинства гибких конструкций;

- общая устойчивость (потеря устойчивости колонны) райзера, которая определяется эффективным натяжением.

Эффективное натяжение направлено вдоль оси и рассчитывается в любой точке вдоль райзера, исходя из значения верхнего натяжения, веса самого райзера в воде и веса его содержимого. Эффективное натяжение также можно рассматривать как натяжение трубы без учета влияния давления.

В.3.2.2 Верхнее натяжение

Для предупреждения общей потери продольной устойчивости райзера требуется приложение минимального натяжения, которое следует устанавливать достаточно высоким, чтобы эффективное натяжение было положительным во всех частях райзера, даже в случае отказа устройства натяжения. В большинстве случаев минимальное эффективное натяжение рассчитывают относительно нижней части райзера. Соединитель в нижней части усиленного соединения принимают в качестве контрольной точки для определения натяжения.

Начальное минимальное натяжение райзера в верхней части может быть определено в соответствии с требованиями [42]. Низкое или даже отрицательное эффективное натяжение в отдельной части райзера не приводит к немедленной потере продольной устойчивости райзера в соответствии с формулой Эйлера. Прямым следствием низкого или отрицательного эффективного натяжения является низкая поперечная жесткость, последствия которой с достаточной точностью оценивают при стандартном общем анализе