一种用于瞬态冲击分析和深水BOP（海底控制装置）井口系统安装场景下安全评估的耦合全局-局部动态方法

《Ocean Engineering》：A coupled global-local dynamic method for transient impact analysis and safety assessment of deepwater BOP-wellhead systems under installation scenarios

　　陈斌|刘书海|常远江|刘秀全|史海涛
中国石油大学（北京）机械与运输工程学院，北京102249

**摘要**
在深水钻井系统的安装过程中，由于平台运动，防喷器（BOP）与海底井口之间可能发生非预期的接触，这对井口完整性构成了严重威胁。由于升管与BOP的全球动力学以及高度局部化的井口响应在多个尺度上存在强烈耦合，因此准确评估这种瞬态影响仍然具有挑战性。本研究提出了一种耦合的全球-局部动力学方法，用于研究安装过程中BOP与井口的轴向和横向碰撞行为。首先使用全球平台-升管-BOP模型获取时域运动参数，然后将其传递到高保真的局部有限元井口模型中以解决瞬态响应问题。基于碰撞模拟，阐明了轴向和横向碰撞的响应机制，并确定了关键的安全标准。结果表明，轴向碰撞响应主要受碰撞速度控制，临界阈值为0.6米/秒，而加速度的影响相对较小。在典型的平台操作速度下，横向碰撞仍保持在弹性范围内。通过将局部失效阈值映射回全球模型，建立了实际的轴向和横向安全操作窗口。所提出的方法为深水BOP安装过程中的碰撞风险评估和操作指导提供了定量基础。

**引言**
深水钻井升管系统是海上钻井作业中浮动平台与海底井口之间的关键连接（Li等人，2026a；Chen等人，2026；Liu等人，2025）。在悬挂安装过程中，升管-BOP组件在复杂环境和操作条件下通过水柱逐渐下降至海底井口。与稳定钻井阶段不同，安装阶段本质上是瞬态的且脆弱的，因为长而细的升管-BOP系统同时受到平台运动、波浪-水流载荷及其自身结构柔性的影响（Wang等人，2015a）。特别是，平台的垂直运动会导致悬挂系统的明显轴向运动，而波浪和水流会产生横向激励，从而沿升管长度产生轴向和横向动态响应（Wang等人，2014a，2014b）。在这种联合激励下，底部的BOP在着陆过程中经常经历放大的轴向振动和不可忽视的的水平漂移（Amaechi等人，2025）。现场观察和事故报告表明，这些动态响应可能导致BOP与海底井口发生非预期的接触或碰撞（Li等人，2025d），无论是垂直着陆时的轴向方向，还是平台操作和漂移时的横向方向。这种BOP-井口碰撞可能引起严重的局部应力集中、塑性变形，甚至对关键井口组件造成结构损坏，对井口完整性、安装安全以及整个钻井和后续生产操作的可靠性构成重大风险，可能导致井控事故和长期生产隐患（Wang等人，2026；Chen等人，2021；Chang等人，2019）。鉴于海底故障的高成本和不可逆性，准确评估碰撞风险和定义安全安装条件至关重要。

大量研究致力于研究深水钻井升管在安装和悬挂条件下的全球动态行为。早期研究主要集中在长而细的升管在波浪-水流载荷和平台运动共同作用下的横向振动和稳定性（Mao等人，2019，2024；Fan等人，2017；Liu等人，2022a）。后续研究纳入了平台垂直运动和张力变化的影响，表明轴向动力学在硬悬挂和软悬挂配置中起着关键作用（Liu等人，2020，2022b；Wang等人，2015b）。随着软悬挂和新悬挂系统的广泛应用，最近的研究强调了平台运动、张紧器行为和升管响应之间的非线性耦合。已经开发了高保真的时域模型来捕捉动态顶张力变化、轴向-横向耦合和大变形效应（Li等人，2025a，2026b；Zhang等人，2025a）。这些工作一致表明，平台垂直运动可以显著放大升管的轴向振动，而波浪-水流载荷主导了横向响应。一些研究进一步研究了极端情况，如动态定位（DP）漂移、下部海洋升管包（LMRP）着陆以及悬挂条件下升管系统的灾难性演变（Zhang等人，2025b；Wang等人，2023；Li等人，2025b），为系统级可靠性提供了有价值的见解。

尽管取得了这些进展，现有的全球动力学研究主要关注整个升管或升管-张紧器系统的响应，包括沿升管长度的位移、弯曲应力和疲劳损伤。底部BOP的动态响应，尤其是在最终着陆阶段的局部速度和加速度特性，通常被隐含处理或简化处理，安装过程中BOP-井口接触的直接机械后果很少被量化。同时，也对海底井口系统的机械行为、结构完整性和失效机制进行了大量研究。先前的研究调查了钻井、完井和生产载荷下井口组件的应力分布、载荷传递路径和变形特性（Li等人，2024a；Qiu等人，2023，2024a；Wang等人，2022a；Xu等人，2024；Zeng等人，2023；Auad等人，2022）。土壤-井口相互作用通过非线性P-y、T-x和Q-x弹簧进行了广泛建模，以代表横向阻力、轴向摩擦和端部支撑效应，为井口支撑条件的真实评估奠定了基础（Zhu等人，2025；Zhang等人，2025c；De Souza等人，2020；API RP 16Q，2017）。最近的研究扩展了这些模型，以评估极端操作条件下的井口安全性，包括套管磨损、疲劳积累和意外载荷（Li等人，2020，2024b；Qiu等人，2022；Wu等人，2023）。以风险为导向的分析强调，井口损坏可能危及井口完整性，可能导致井控丧失和长期生产隐患（Qiu等人，2024b；Chang等人，2019；Li等人，2024c；Wu等人，2024；Wu等人，2025；Li等人，2025c；Wang等人，2022b）。这些工作共同表明，海底井口对局部载荷和几何不连续性非常敏感，即使短时间的过载也可能引发不可逆的损伤。然而，大多数现有的井口研究假设载荷是准静态的或缓慢变化的，并且主要关注钻井或生产阶段。在安装过程中，移动的BOP与井口之间的瞬态碰撞动力学，特别是在轴向和横向冲击模式下，仍然大部分未被探索。缺乏高分辨率的瞬态碰撞模拟限制了为安装操作定义可靠安全标准的能力。

根据上述综述，可以识别出两个关键差距：(i) 现有的升管系统全球动力学模型为理解安装阶段的响应提供了坚实的基础，但没有明确解决BOP与井口之间的瞬态碰撞机制，也没有解决由此产生的井口结构的局部应力和弯曲响应。(ii) 尽管井口力学和土壤-结构相互作用研究较多，但在悬挂安装过程中由平台运动和漂移引起的冲击损伤（涉及轴向和横向碰撞）尚未系统研究。为解决这些差距，本研究旨在开发一种耦合的全球-局部动力学方法，以研究悬挂安装过程中的瞬态BOP-井口碰撞行为。主要贡献包括：(i) 一种耦合的全球-局部动力学方法，将BOP的运动响应从全球平台-升管-BOP模型传递到高保真的局部井口有限元（FE）模型，实现轴向和横向冲击过程的一致模拟。(ii) 对轴向和横向碰撞下井口响应的机理解释，识别主要响应驱动因素，并基于组合应力和弯曲标准量化关键安全阈值。(iii) 为轴向和横向碰撞情景建立安装安全窗口，提供实际的操作指导，以减轻碰撞风险并提高钻井和生产的可靠性。

本文的其余部分组织如下。第2节介绍全球平台-升管-BOP动力学模型。第3节介绍所提出的耦合全球-局部动力学方法。第4节报告案例研究和冲击响应分析。第5节总结主要结论并讨论未来研究方向。