Анализ основных параметров в структурных компонентах подводного шлангокабеля на нефтяном месторождении “Белый Тигр” (Вьетнам)

Объектом исследования являются проектирование, симуляция шлангокабеля, применяемого в процессе добычи нефти на шельфе месторождении “Белый Тигр”.
Цель работы – изучение параметров, компонентов шлангокабеля, их классификации и назначения, исследование влияния нагрузок на него.

Введение …………………………………………………………………………………………………………………………………. 4
I. Особенности геологического строениянефтяного месторождения «ААА»……………………………… 5
I. Особенности геологического строениянефтяного месторождения «ААА»……………………………… 5
1.1. Общие природные географические характеристики………………………………………………………… 5
1.2. Геологические характеристики месторождения «ААА» ………………………………………………….. 9
II. Подводные шлангокабели………………………………………………………………………………………………….. 12
2.1. Определение, назначение и конфигурация …………………………………………………………………… 12
2.1.1. Определение. Назначение ………………………………………………………………………………………. 12
2.1.2. Конфигурация шлангокабелей ……………………………………………………………………………….. 13
2.2. Компоненты шлангокабелей ………………………………………………………………………………………… 16
2.3. Классификация подводных шлангокабелей…………………………………………………………………… 18
2.3.1. Электрогидравлические шлангокабели …………………………………………………………………… 18
2.3.2. Шлангокабель для закачки химических реагентов ………………………………………………….. 20
2.3.3. Шлангокабели добывающей скважины …………………………………………………………………… 20
2.3.4. Силовые шлангокабели ………………………………………………………………………………………….. 21
2.3.5. Шлангокабели со стальными трубками …………………………………………………………………… 22
2.4. Требования к шлангокабелю ………………………………………………………………………………………… 23
III. Анализ нагрузок в компонентах подводного шлангокабеля……………………………………………….. 26
3.1. Аналитические методы ………………………………………………………………………………………………… 26
3.1.1. Растягивающее напряжение……………………………………………………………………………………. 26
3.1.2. Изгибное напряжение …………………………………………………………………………………………….. 29
3.1.2.1. Расчетные допущения………………………………………………………………………………………. 29
3.1.2.2. Упругое изгибное напряжение …………………………………………………………………………. 29
3.1.2.3. Усилие трения …………………………………………………………………………………………………. 33
3.1.3. Аналитическая модель напряжения ………………………………………………………………………… 37
3.2. Метод конечных элементов и его применение ………………………………………………………………. 38
3.3. Краткое содержание предыдущих исследований …………………………………………………………… 40
3.3.1. Анализ многослойных структурных нитей ……………………………………………………………… 40
3.3.2. Трехмерное аналитическое моделирование структуры стенки гибкой трубы …………… 41
3.3.3. Исследования напряжений в гибких трубах ……………………………………………………………. 42
IV. Проектирование и симуляция подводного шлангокабеля ………………………………………………….. 44
4.1. Компьютерное программное обеспечение …………………………………………………………………….. 44
4.1.1. ANSYS Workbench 18.1 ………………………………………………………………………………………….. 44
4.1.2. Microsoft Excel 2016……………………………………………………………………………………………….. 45
4.2. Эксплуатационные потребности …………………………………………………………………………………… 46
4.3. Процесс проектирования шлангокабеля ……………………………………………………………………….. 49
4.3.1. Определение технических параметров и предварительный проект ………………………….. 49
4.3.2. Дизайн поперечного сечения шлангокабеля ……………………………………………………………. 52
4.3.2.1. Общие положения дизайна……………………………………………………………………………………… 52
4.3.2.2. Конфигурация поперечного сечения шлангокабеля …………………………………………………. 56
4.3.3. Компьютерное проектирование …………………………………………………………………………………….. 56
4.3.3.1. Геометрия и размеры шлангокабеля ……………………………………………………………………….. 60
4.3.3.2. Трехмерная (3D) геометрия шлангокабеля ………………………………………………………………. 60
4.3.3.3. Материалы …………………………………………………………………………………………………………….. 61
4.3.3.4. Контакты ……………………………………………………………………………………………………………….. 61
4.3.3.5. Мешинг………………………………………………………………………………………………………………….. 62
4.3.4. Симуляция нагрузок и испытания прототипа ………………………………………………………………… 63
4.3.4.1. Тест на осевую нагрузку …………………………………………………………………………………………. 64
4.3.4.2. Испытание на нагрузку изгиба………………………………………………………………………………… 65
V. Результат проектирование. Обсуждение…………………………………………………………………………………… 67
5.1. Результаты испытания шлангокабеля ……………………………………………………………………………………… 67
5.1.1. Испытание на растяжение ………………………………………………………………………………………………… 67
5.1.2. Критические элементы …………………………………………………………………………………………………….. 73
5.1.3. Аналитический расчет ……………………………………………………………………………………………………… 74
5.1.4. Испытание на изгиб …………………………………………………………………………………………………………. 75
5.2. Анализ результатов и обсуждение…………………………………………………………………………………………… 78
VI. Финансовый менеджемент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение ………………………………… 81
6.1 Анадиз эффективности использование шлангокабеля …………………………………………………………… 81
6.2 Исходные данные для расчета эффективности внедрения подводного шлангокабеля ……………. 84
6.3 Расчет экономической эффективности внедрения подводного шлангокабеля ……………………….. 85
VII. Социальная ответственность ………………………………………………………………………………………………….. 90
7.1. Производственная безопасность ………………………………………………………………………………………….. 90
7.1.1. Анализ выявленных вредных производственных факторов ……………………………………………. 91
7.1.2. Анализ опасных производственных факторов ……………………………………………………………….. 94
7.2. Экологическая безопасность ……………………………………………………………………………………………….. 96
7.3. Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………………………………………………….. 98
7.4. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности …………………………………….. 100
Заключение ………………………………………………………………………………………………………………………………… 102
Список использованных источников …………………………………………………………………………………………… 105
Приложение ……………………………………………………………………………………………………………………………….. 107
Приложение А ………………………………………………………………………………………………………………………… 107
Приложение Б………………………………………………………………………………………………………………. 109

Подводные шлангокабели представляют собой сложные структуры,
которые играют решающую роль в морской нефтяной и газовой
промышленности. Это означает, что перед изготовлением необходим точный
структурный анализ, чтобы гарантировать, что шлангокабель способен
выдерживать экологические и другие нагрузки. Этот тип анализа можно
выполнить с использованием метода конечных элементов. Точность результатов
зависит от того, насколько созданная модель представляет реальный
шлангокабель, а также от того, насколько точно моделируются и применяются
нагрузки, отображающие воздействие окружающей среды. Точность нагрузок во
многом зависит от профессионализма и знания инженера, создающего модель.
Насколько точная модель также зависит от разрешения сетки деления
компонентов, что является одним из самых важных факторов, влияющих на
количество элементов в расчетной модели. Поскольку число элементов сетки
было ограничено версией программы, что могло сказаться на точности
конечного результата, что было в некоторой степени доказано аналитическим
расчетом для режима осевого натяжения.

Точность результатов также существенно зависит от граничных условий,
которые не представляют реальных условий. Компоненты шлангокабеля
фиксированы с одной стороны во время испытания не осевую нагрузку и с двух
сторон при проведении тестов на поперечный изгиб. Однако подобные
граничные условия лишь частично отображают реальную картину при морской
добыче нефти и газа. Кроме того, длина модели была ограничена только 500мм,
что также резко влияет на точность результатов.

Из трех спроектированных поперечных сечения подводного
шлангокабеля, содержащих пять трубок-проводников из нержавеющей стали в
каждом, были выбраны две для дальнейшего анализа в компьютерной программе
ANSYS Workbench 18.1. Оба модели были успешно испытаны при пяти
различных значениях осевых и растягивающих нагрузок с целью
проанализировать распределения напряжений в компонентах подводных
шлангокабелей.

Также были изучены аналитические методы исследования стрессовой
нагрузки внутри структур кабелей и подобран максимально близко подходящий
вариант для разработки дизайнов шлангокабелей, который в итоге был применен
для оценки адекватности результатов, полученных при симуляции осевой
нагрузки.

Результаты симуляции показывают, что несмотря на абсолютно
одинаковые размеры компонентов и материалы, из которых они были сделаны,
две конфигурации расположения трубок внутри шлангокабеля обладают разной
устойчивостью к внешнему воздействию, как осевому так и поперечному. Это
означает, что этап разработки дизайна сечения является важнейшим как с
технологической точки зрения, так и с экономической, потому что влияет также
на эффективное и рациональное использование материалов при изготовлении
шлангокабелей. Расчетные результаты показывают, что шлангокабель модели Б
может выдержаться при осевой нагрузке меньше 15 кН и нагрузке изгиба меньше
10 кН, и также имеет экономическую выгоду, составлящую почти 20,8 млн
рублей.

Расчетное время симуляции является одной из основных задач анализа
моделирования конечных элементов, представленных в диссертации. Время
моделирования зависит в основном от количества элементов и узлов сетки и от
того, насколько сложна модель. Чтобы уменьшить неточность, вызванную
сеткой, разрешение сетки деления должно быть увеличено. Таким образом, в
будущем анализ должен запускаться с использованием более мощных
компьютеров с большим количеством процессоров.

Кроме того, экспериментальная часть для подтверждения достоверности
полученных результатов после симуляции не была проведена ввиду отсутствия
материальной базы. Поэтому необходимо провести эксперименты с целью
проверки опытным путем адекватности аналитических расчетов и данных,
полученных после симуляции.

1. С.В. Греков, О.А. Корниенко, А.И. Новиков. Управление процессом добычи газа при
использованииподводныхдобычныхсистем//Современныеподходыи
перспективные технологии в проектах освоения нефтегазовых месторождений
российского шельфа.-2013.-№3(14) – с. 167–173.
2. Уточненная технологическая схема разработки и обустройства месторождения ААА
(2012г.). Том1 / Нгуен В.Д., Иванов А.Н., Фам С.Ш и др. -Вунгтау. Изд. СП
«Вьетсопетро» НИИПИморнефтегаз, 2013 г.-153с.
3. Пересчет запасов нефти и растворенного газа месторождения ААА по состоянию на
01.07.2011 г., г. Вунгтау, 2011 г.
4. Проект “RU-NO Barents”, Отчет Целевой Группы “Трубопроводы и подводные
установки”, 6 июня, 2014 г.-103с.
5. ANSYS(2018)ОсобенностиANSYSWorbench.Доступнына:
http://www.ansys.com/Products/Workflow+Technology/ANSYS+Workbench+Platform.
6. Кнапп Р.Х. «Вывод новой матрицы жесткости для спирально бронированных кабелей
с учетом напряжения и кручения», Международный журнал для численных методов
в технике.-1979.-№14 (4), с. 515-529.
7. Кнапп, Р.Х. «Методология проектирования для подводных пуповинных кабелей»,
1991. стр. 1319-1327.
8. PrysmianGroup(2015)Подводныепуповины.Доступнына:
http://prysmiangroup.com/en/business_markets/markets/oil-and-gas/products/subsea-
UMBILICALS-стояки и-промысловые трубопроводы-серфинг / UMBILICALS /.
9. Акер квернер сабсиАС.Шлангокабель /Фигенскоу Арильд/СССР/.-
№2006146880/03; Заявлено 27.07.2008; Опубл. 27.09.2009.-10с.
10. Общество с ограниченной ответственностью Научное инновационное предприятие
“Дельта-Т” (RU). Шлангокабель для непрерывного перемещения по скважине и
способ его применения / Плохов И.В., Мальцев П.Н. / СССР/.№2523271; Заявлено
2012-10-10; Опубл. 20.07.2014.-11с.
11. ГОСТ ИСО 13628-5-201. Проектирование и эксплуатация систем подводной добычи.
Часть 5. Подводные шлангокабели.- Киев: Изд- межгосударственный стандарт, 2009,
-170с.
12. СТО Газпром 2-3.7-576-2011. Проектирование, строительство и эксплуатация
подводных добычных систем.-М.: Изд- открытое акционерное общество «Газпром»,
2012.-258с.
13. Тан Мин-банг и Джун, Ю. «Анализ жесткости на динамику океана силового
шлангокабеля ‘, China Ocean Engineering, -2013. №28 (2). 259-270
14. НД № 2-090601 -003. Правила классификации и постройки подводных добычных
комплесов.-Санкт-Петербург: Изд- электронный аналог печатного издания, 2017.-
106с.
15. Справочник бурового мастера, Учебно-практическое пособие в 2-х томах / В.П
Овчинникова, С.И. Грачева, А.А. Фролова и др. – М.: Инфра-Инженерия, 2006. -608с.
16. Лобанов Д.С. Экспериментальные исследования деформационных и прочностных
свойств полимерных композиционных материалов и панелей с заполнителем.- Дисс.
на соискания учёной степени канд. техн. наук. 01.02.04. Пермь, 2015.-148с.
17. Фам К.Н. Поддержание пластовой энергии нагнетанием воды в фундаментных
трещиноватых отложениях. // Нефть и Газ. -2016.-№8. 37
18. Thies P.R., Johanning L. и Smith G.H. Оценка механической нагрузки режимов и
усталостных характеристик морских силовых кабелей в морских энергетических