一种张力腿平台水下井口布局方法技术领域
本发明涉及一种张力腿平台水下井口布局方法，属于海洋工程设备技术领域。
背景技术
随着深水海洋油气勘探开发迅速发展，浮式生产和钻井装备得到广泛应用，张力
腿平台作为海洋开发选用的平台之一，一般由平台主体、系泊系统、锚固系统、钻井生产系
统四部分组成，平台本体提供立管的预张力、支撑生产、钻井设备等载荷；系泊系统连接平
台主体和海底锚固系统，保证平台具有良好的运动性能，控制平台运动响应；锚固系统提供
抗拔力，保证张力腿平台良好的稳定性以及垂荡性能。此外，张力腿平台具有丛式井开发大
大提高了作业效率，采用干式采油树和防喷器极大方便了完井、修井和调整井作业以及平
台漂移和升沉较小等特点。由于张力腿平台具有良好的运动性能、高效率、经济性成为目前
深海油气开采选用的主要平台型式之一。张力腿平台是典型的丛式井开发平台，其具有多
个槽口，立管呈丛式排列，在立管排列情况中，上下游均为生产立管最为常见，此外还有上
游为钻井立管下游为生产立管及上游为生产立管下游为钻井立管情况。由于立管丛式排列
的结构，使得立管间存在遮蔽效应导致上下游立管所受横向作用力不同，致使立管变形不
同。当井口布局不合理时，在外部复杂海流作用下，立管间遮蔽效应将导致相邻立管运动响
应失谐引发碰撞，引起立管断裂、凹陷损伤从而影响立管作业性能。目前现有的水下井口布
局方法为“等边三角形”，此方法满足井口布局基本要求，但水下井口只能分布在特定的离
散位置，且没有考虑极端海况时立管是否发生碰撞问题。然而我国南海海况复杂，张力腿平
台仅能原地抗台，应用方法进行水下井口布局设计，无法保证下放井口准确到达指定位置
和在极端台风海况下立管很可能发生碰撞的问题。
因此，提出一种新的井口布局方法，解决现有水下井口布局位置只能分布在特定
离散位置和极端海况立管可能发生碰撞的问题，同时提高工作效率，降低成本。
发明内容
针对“等边三角形”水下井口布局方法中水下井口布局位置只能分布在特定离散
位置和极端海况立管可能发生碰撞的局限性，本专利的主要提供一种更为安全可靠、高效
的“圆形”水下井口布局方法，弥补“等边三角形”井口布局方法的不足，可用于水深较深、槽
口数量较多的张力腿平台。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种张力腿平台水下井口布局方法，具体步骤为，首先根据作业要求，提出水下井
口布局准则；其次根据布局准则确定水下井口最小间距及水下井口布局对水下井口间距要
求；第三根据“圆形”水下井口布局方法的具体内容进行水下井口布局设计；第四验证水下
井口布局是否合理，确定最终合理的水下井口布局，并形成井口布局设计流程。
具体地，水下井口布局设计准则为：①正常作业海况和停止作业的极端海况下，立
管不允许发生干涉；②安装过程中，立管不允许碰撞；③满足ROV操作空间需求；④安装过程
中，立管倾斜角度不超过极限值θ，θ由水深及井口安装精度等要求确定。应用符号表示为：
设井口最小间距即阈值为a，井口间距为L，立管倾斜角度为α，立管极限值为θ。那么准则要
求为：L>＝a，α<＝θ。
具体地，井口最小间距确定方法为，由准则第二、三条确定水下井口间距初始值，
结合丛式立管干涉分析有限元模型，针对准则一进行干涉分析，即分析正常及极端海况条
件下立管碰撞情况，确定任何海况立管恰好无碰撞时水下井口间距为水下井口最小间距。
具体地，井口间距要求为，准则第一、二、三条要求水下井口间距离尽可能大，以降
低碰撞发生概率；准则第四条要求保证立管倾角尽可能小，则需要甲板井口和水下井口的
水平距离尽可能小，即要求水下井口间距尽可能小。通过分析井口布局准则对井口间距要
求，确定井口间距在不小于井口最小间距的前提下尽可能小，满足立管不发生碰撞要求。在
此基础上，通过布局使立管倾斜角度尽可能小满足立管倾斜角度要求。
具体地，“圆形”水下井口布局设计具体方法为：①随机确定任意一甲板井口的水
下井口位置，以此为圆心、10％最小井口间距为直径的范围为水下井口的位置范围，且必须
保证甲板井口和水下井口位置的水平距离尽可能小；②以确定水下井口位置为圆心，1.1倍
水下井口最小间距为半径做圆，确定相邻水下井口位置，且不可落在圆内，继而确定水下井
口的位置范围，，且仍须保证水下井口位置与甲板井口位置的水平距离尽可能小，③通过已
确定水下井口位置及位置范围重复步骤②，依次完成其余水下井口位置及位置范围确定，
初步完成水下井口布局；水下井口布局验证为验证立管倾角是否满足要求，具体方法为，通
过计算立管倾斜的最大角度，验证倾斜角度是否满足小于极限倾斜角度的要求，如果满足
要求则无需改变井口布局，如不满足要求则需要调整水下井口位置使其满足要求，但当无
论如何调整都不能满足要求时，则需重新进行水下井口布局，完成步骤①②③，最终确定合
理水下井口布局。
该发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明中，水下井口最小间距是通过正
常作业海况和极端海况条件立管不发生碰撞为前提确定的，提高立管作业安全性；水下井
口位置可连续分布，下放水下井口时，水下井口落在水下井口位置范围内即可，降低对井口
安装位置的精确要求，提高工作效率，节约了成本；设计过程中最终设计的是井口布局位置
范围而非明确的井口布局位置，则相当于一次设计完成就有多种满足要求的设计结果。
附图说明
图1为本发明实施例中的张力腿平台水下井口布局流程示意图。
图2为本发明实施例中的水下井口最小间距确定流程图。
图3为本发明实施例中的张力腿平台甲板井口布局投影和水下井口布局示意图。
图4为本发明实施例中的甲板井口、水下井口、立管投影图。
具体实施方式
本发明中的张力腿平台水下井口布局方法，具体步骤为，首先根据作业要求，提出
水下井口布局准则；其次根据布局准则确定水下井口最小间距及水下井口布局对水下井口
间距要求；第三根据“圆形”水下井口布局方法的具体内容进行水下井口布局设计；第四验
证水下井口布局是否合理，确定最终合理的水下井口布局，并形成井口布局设计流程。
具体地，水下井口布局设计准则为：①正常作业海况和停止作业的极端海况下，立
管不允许发生干涉；②安装过程中，立管不允许碰撞；③满足ROV操作空间需求；④安装过程
中，立管倾斜角度不超过极限值θ，θ由水深及井口安装精度等要求确定。应用符号表示为：
设井口最小间距即阈值为a,井口间距为L，立管倾斜角度为α，立管极限值为θ。那么准则要
求为：L>＝a,α<＝θ。
具体地，井口最小间距确定方法为，由准则第二、三条确定水下井口间距初始值，
结合丛式立管干涉分析有限元模型进行准则一的干涉分析，即分析正常及极端海况条件下
立管碰撞情况，确定任何海况立管恰好无碰撞时水下井口间距为水下井口最小间距。
具体地，井口间距要求为，准则第一、二、三条要求水下井口间距离尽可能大，以降
低碰撞发生概率；准则第四条要求保证立管倾角尽可能小，则需要甲板井口和水下井口的
水平距离尽可能小，即要求水下井口间距尽可能小。通过分析井口布局准则对井口间距要
求，确定井口间距在不小于井口最小间距前提下尽可能小，满足立管不发生碰撞要求。在此
基础上，通过布局使立管倾斜角度尽可能小，满足立管倾斜角度要求。
具体地，“圆形”水下井口布局设计具体方法为：①随机确定任意一甲板井口的水
下井口位置，以此为圆心、10％最小井口间距为直径的范围为水下井口的位置范围，且必须
保证甲板井口和水下井口位置的水平距离尽可能小；②以确定水下井口位置为圆心，1.1倍
水下井口最小间距为半径做圆，确定相邻水下井口位置，且不可落在圆内，继而确定水下井
口的位置范围，，且仍须保证水下井口位置与甲板井口位置的水平距离尽可能小，③通过已
确定水下井口位置及位置范围重复步骤②，依次完成其余水下井口位置及位置范围确定，
初步完成水下井口布局。具体地，水下井口布局验证为验证立管倾角是否满足要求，具体方
法为，通过计算立管倾斜的最大角度，验证倾斜角度是否满足小于极限倾斜角度的要求，如
果满足要求则无需改变井口布局，如不满足要求则需要调整水下井口位置使其满足要求，
但当无论如何调整都不能满足要求时，则需重新进行水下井口布局，完成步骤①②③，最终
确定合理水下井口布局。
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发
明。
实施例
图1中张力腿平台井口布局流程示意图，包括：最小井口间距确定过程、“圆形”井
口布局方法、井口布局检验方法。
图2中水下井口最小间距确定流程图，包括：水下井口间距初始值确定、立管碰撞
分析。
图3中甲板井口布局投影和水下井口布局示意图可知：大部分张力腿平台甲板井
口布局为矩形，且有一定的规律；水下井口布局由布局设计方法确定
图4甲板井口、水下井口、立管投影图包括：甲板井口、水下井口、立管组成，立管投
影即为甲板井口与水下井口的水平间距，此间距可用于确定立管倾斜角度。
如图1所示，张力腿平台水下井口布局流程示意图包括：环境载荷条件1，立管力学
模型2，作业要求3，立管有限元分析模型4，水下井口布局设计准则5，水下井口最小间距6，
甲板井口布局7，“圆形”水下井口布局方法8，初步水下井口布局9，水下井口布局合理性检
验10，完成水下井口布局11。
完成水下井口布局11的全部过程为：通过环境载荷1和立管力学模型2，确定立管
有限元分析模型4，与根据作业要求3确定的水下井口布局设计准则5相结合，进行水下井口
最小间距分析，应用水下井口最小间距6和甲板井口布局7结合“圆形”水下井口布局方法8
进行水下井口布局，并通过立管倾斜角度水下井口布局合理性检验10，完成最终布局。
水下井布局设计准则5是根据作业要求3所建立，作业要求3为：立管安装、作业、操
作等过程对立管无碰撞及强度等要求。
如图2所示，水下井口最小间距6确定流程图包括：水下井口布局准则第二、三条确
定水下井口间距初始值，考虑立管作业的环境载荷、尾流效应等，建立丛式立管干涉分析有
限元模型，对初始井口间距进行正常海况和极端海况的立管干涉分析，如果立管发生碰撞
则通过增加水下井口间距再次进行立管干涉分析，直到满足水下井口布局设计准则第一条
为止，确定立管刚好不发生碰撞时的井口间距为井口最小间距。
如图3所示，张力腿平台甲板井口投影和水下井口布局示意图包括：甲板井口投影
即立管的上端投影，用×和字母A(A1，A2…)表示。大部分张力腿平台甲板井口布局为矩形，
存在一定的规律性，甲板井口间距存在一定的范围。水下井口即立管底端，用○和字母B
(B1，B2…)表示，其间距不小于水下井口最小间距，分布情况由布局设计方法及设计过程决
定。
如图4所示，甲板井口、水下井口、立管投影图包括：甲板井口A’，甲板井口投影A，
水下井口B，及立管，LAB为立管投影即为甲板井口与水下井口的水平间距。从图中可清楚看
见，立管倾斜角度α的正弦值，sinα＝LAB/L，即α随着LAB增加而增加。
“圆形”方法中步骤②中要求B点不能落在以1.1倍井口最小间距为半径圆中即保
证水下井口间距不小于井口最小间距；保证LAB尽可能的小即可以保证立管倾斜角度较小。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员
来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为
本发明的保护范围。