深水水下采油树下放钻杆受力简析

深水水下采油树在下放安装作业过程中，钻杆管串上部连接在钻井船/钻井平台上，下部通过采油树下放工具连接到水下采油树上，钻杆管串不仅受到海流、波浪等外部环境载荷的影响和钻井船运动的影响，还受到钻杆管串自重和采油树及其下放工具的较大重力载荷(经调研采油树及其工具重约 30t-70t)，且随着作业水深的增加，钻杆和采油树及工具的重力作用对下放作业的限制程度随之增加。 深水水下采油树下放安装作业主要分为四个阶段，如下图 所示：一是水下采油树通过月池后，尚未进入水中，此时下放管串仅受自身重力作用；二是采油树入水后，经过飞溅区，下放管串受自身重力与波浪海流共同作用，由于深水水下采油树由于尺寸(一般为 50ft×50ft×50ft 左右)较大，致使其受波浪力载荷较大，易导致采油树倾覆；三是采油树从下入到一定水深直至下入到井口上方(约 50ft 处)，该阶段下放管串受到波浪、海流作用和自身重力作用；四是采油树经导向安装后坐放于水下井口上方，采油树不仅受波浪、海流作用和自身重力作用，此时钻井船/钻井平台的运动对下放管串的作用不可忽略。

力学模型建立

        为便于进行钻杆管串的力学分析，对钻杆管串进行如下假设：

(1)钻杆材料满足材料的连续性、均匀性、各向同性和构件的小变形条件；

(2)同时由于钻杆承受纵向拉载和横向弯曲载荷，可将钻杆管串作为梁进行处理；

(3)假设变形较小，符合小变形梁理论条件。

(4)假设平台、钻杆运动、波浪和海流方向都位于相同平面内。 

       深水水下采油树在下放作业过程中，如下图所示，下放管串上部固定在钻井平台/钻井船上可视为固定端，下部连接水下采油树及其下放工具悬挂在海水中可视为自由端，下放管串在海水中受海流、波浪作用和整个管串的湿重(即没水重量)。在水下采油树下放过程中，钻井平台的升沉运动直接传递到钻杆上，导致钻杆产生较大的轴向运动轴向动力，且随水深增加运动幅度增大。

式中，EI 为钻柱抗弯刚度，单位 kN.m2；P(z)为 z 方向轴向拉力变化值，单位 kN；q(x,z)为波浪力和海流力共同作用于钻杆单位长度的载荷值，单位 kN/m。

波浪与海流对钻杆的联合作用非常复杂，不能简单的进行线性迭加，将 Morison 方程进行修正以近似计算波流联合作用力：

式中：F 为波浪共同作用于隔水管柱在单位长度上产生的作用力，N，由拖曳力 FD和惯
性力 FI构成，分别由水质点的水平速度和水平加速度引起；CD为拖曳力系数；CM为惯
性力系数；ρ 为海水密度，kg/m3；D 为隔水管外径，m；uW为波浪引起的水质点速度，
m/s；uC为海流引起的水质点速度，m/s。