深水钻井平台-张紧器-隔水管耦合系统动力学特性分析

为精确预测隔水管系统动力学响应,解决传统分析方法中边界简化处理的问题,建立平台-张紧器-隔水管耦合动力学模型,充分考虑张紧器系统的非线性刚度变化以及平台、张紧器和隔水管的多体耦合连接方式,研究多体耦合系统中隔水管系统静态和动态响应特性,揭示平台-张紧器-隔水管耦合作用规律。结果表明:在隔水管系统静态分析中,张紧器系统能提供抑制隔水管系统偏移并减小隔水管系统弯矩的横向作用力;在隔水管系统动态分析中,张紧器系统对平台垂荡运动的传递具有明显的缩小效应;平台做纵摇运动时,有、无张紧器系统对隔水管系统偏移位置影响较大,对隔水管系统的运动幅值影响较小;平台-张紧器-隔水管耦合动力学模型能精确施加隔水管系统边界条件,更加准确预测隔水管系统的动力学响应。     

基于涡激抑制的隔水管浮力块分布方案优化

浮力块是深水钻井隔水管系统的重要组成部分,其主要作用是降低隔水管湿重,以减少对钻机的张力需求.涡激振动(VIV)是引起隔水管屈服失效与疲劳失效的主要因素,也是隔水管设计过程中需要考虑的主要问题.基于SHEAR7程序对隔水管系统进行VIV分析,通过研究不同浮力块分布形式对隔水管系统涡激振动疲劳特性的影响,对浮力块分布方案进行优化.从抑制VIV疲劳损伤角度出发,对隔水管系统配置浮力块时,应尽量促使系统响应频率由浮力块与隔水管共同控制,以避免发生涡激共振.还可在避开高流速区域的前提下,促使系统激励频率由浮力块控制,这样既避免来流通过浮力块为系统输入较多的能量,同时又能降低系统的响应模态阶次.     

基于LAGRANGE方程的深水钻井隔水管–水下井口系统动力分析

为了探究大质量、大刚度防喷器组(blowout preventers, BOPs)对深水钻井隔水管系统动态相应预测精度的影响,根据细长钻井隔水管与刚性防喷器组的结构特点,提出两者刚柔耦合的概念,采用能量法推导隔水管–防喷器组–水下井口系统的动能和势能,采用LAGRANGE方法建立耦合系统动力学理论模型,采用科学计算软件和Newmark-β直接积分法对动力学模型进行数值计算。以南海某深水钻井隔水管为例,开展基于耦合动力学模型的隔水管系统动态响应分析。结果表明,采用本文理论模型得到的隔水管不同位置的节点位移、单元弯矩、上部和下部挠性接头转角时程曲线、整体侧向位移包络线和弯矩包络线等与ABAQUS仿真结果均吻合良好,最大误差为8.8%。此方法可为深水钻井隔水管和水下井口系统动态分析提供参考。     

深水测试管柱-隔水管耦合涡激疲劳分析

在深水钻完井测试作业过程中,由于海流作用隔水管易发生涡激振动引起疲劳损伤,由隔水管涡激振动引起测试管柱疲劳损伤问题不容忽略。针对深水高压气井测试作业特点,考虑测试管柱和隔水管之间相互作用,建立测试管柱-隔水管耦合涡激振动模型,提出测试管柱-隔水管涡激疲劳分析方法。结合南海某深水高压气井,研究测试管柱-隔水管耦合系统涡激振动机理、疲劳损伤规律及影响因素。研究结果表明:测试管柱-隔水管耦合系统高流速下更易于发生多模态涡激振动,疲劳损伤沿水深方向呈现波动变化,顶部和下挠性接头附近疲劳损伤最为严重,其中测试管柱疲劳损伤约为0.2~0.25倍隔水管疲劳损伤,适当增大隔水管顶张力和测试管柱提升力可有效改善测试管柱-隔水管耦合系统涡激疲劳性能。     

深水钻井隔水管单根基本参数确定方法

提出利用各种力学准则确定深水钻井隔水管单根基本参数的方法,包括单根主管与辅助管线参数、浮力块参数、隔水管接头参数等。结果表明:确定隔水管单根主管基本尺寸主要有环向应力准则、轴向应力准则和挤毁压力准则,根据环向应力准则得到的结果最保守;确定辅助管线参数主要依据等效应力准则;确定浮力块参数主要是合理确定浮力块的外径和密度;隔水管接头等级确定要依据规范考虑不同载荷工况进行选型设计。外径0.5334 m,内径0.48895 m的隔水管可应用于1.830 km深的水域,且隔水管系统中无须配置填充阀,辅助管线设计合理,浮力块选用3种密度可满足工作水深的需要,选配E级隔水管接头可满足使用要求。     

深水钻井隔水管与井口技术研究进展

钻井隔水管与井口系统是深水钻井装备中重要而薄弱的环节,其正确设计与使用直接关系到钻完井作业的顺利完成。系统开展了面向南海的深水钻井隔水管与井口技术研究,建立其力学分析方法,形成一套深水钻井隔水管与井口系统钻前设计与作业技术体系;提出隔水管与井口系统的波激疲劳、涡激疲劳、磨损以及隔水管接头完整性评估方法,并进一步完善深水钻井隔水管与井口完整性管理方案;建立深水钻井隔水管关键装备与作业风险评价框架,探索台风环境下的隔水管系统安全保障的关键技术;在此基础上开发深水钻井隔水管作业管理软件,承担中国南海6口自营深水井的隔水管与井口系统钻前设计与作业技术研究工作,成功将科研成果应用到深水钻井实践中,并取得良好的应用效果。笔者对这些进展进行总结和回顾,并对今后的研究方向进行展望。     

深海石油钻采隔水管浮力材料的制备及其强度分析

隔水管系统是海洋石油钻采的重要技术装备,而浮力块是深水条件下钻井隔水管系统的必备部件。笔者使用碳纤维增强聚合物中空球,与环氧树脂、空心玻璃微珠以适当比例混合,采用真空浇注工艺制备3组分隔水管浮力材料,并采用有限元软件ANSYS对浮力块在不同的工况下进行强度分析。研究结果表明,浮力材料密度为500kg/m~3,压缩强度为60 MPa;浮力块最大变形发生在其自由端,其值为4.08mm;最大应力发生在与隔水管相邻的结构上,其值为50.02MPa。最大变形值和应力值均很小,所制备的隔水管浮力块强度满足3 000m水深以内钻采作业要求。     

深水环境下腐蚀隔水管涡激疲劳可靠性评价

采用有限元方法对带有腐蚀缺陷的隔水管涡激疲劳寿命进行评估,即通过对管壁腐蚀缺陷的局部有限元分析确定应力集中状况,在计算系统疲劳寿命时引入应力集中系数.缺陷模型分为点蚀和局部腐蚀两类,并考虑缺陷形状、尺寸和方向对应力分布的影响,同时讨论缺陷单根在系统中的布置方案.为了确保隔水管系统整体的高可靠性,当隔水管柱中包含缺陷单根时应将它们布置在损伤预测最低的位置.对理想系统与带有腐蚀单根的系统分别进行的寿命计算和可靠性评估结果表明,系统应力和损伤只在缺陷位置发生波动,可靠度结果同样证明了布置方案的合理性.     

深水钻井隔水管的准静态非线性分析

对深水钻井隔水管进行准静态分析时,需搜索波浪的最大相位角以寻找最大波流合力,提出了搜索波浪最大相位角的最大Mises应力准则.开发了隔水管准静态分析系统,系统以C Builder为开发环境,后台调用ABAQUS进行计算,调用面向对象Python程序访问数据库,提取计算结果,实现了波浪最大相位角的自动搜索和深水钻井隔水管的准静态非线性分析.应用实例验证了该分析系统的有效性.结果表明,波浪相位角为180°时隔水管准静态响应最大,其次为波浪相位角90°,2700°,0°,隔水管静态响应介于波浪相位角为90°与270°的准静态响应之间.     

基于复模态法的深水钻井隔水管反冲响应力学特性

考虑隔水管在正常钻井作业过程中由于轴向拉伸储存的弹性势能和反冲过程中钻井液下泄时产生的黏滞阻力的共同影响,通过将隔水管离散化为三自由度质量-弹簧-阻尼系统,建立隔水管紧急解脱后的反冲响应力学分析模型和控制方程;以浮式钻井设备的升沉运动作为边界条件,以隔水管解脱前的变形为初始条件,考虑控制方程中阻尼矩阵不能被对角化的影响,采用复模态分析法对控制方程进行求解;根据实例分析得到反冲过程中隔水管底部总成(low marine riser package,LMRP)振动位移的变化规律,并讨论水深、波高、顶部张紧器弹簧刚度及解脱相位角等因素对LMRP振动位移的影响,研究隔水管反冲响应的主控因素。结果表明:在同样的作业条件下,水深越大,隔水管紧急解脱的安全作业窗口越小;波高越大,隔水管的反冲响应越剧烈;顶部张紧器的刚度是决定隔水管反冲特性的一个重要因素,张紧器刚度越小,LMRP与防喷器发生碰撞的可能性越大;解脱相位角对隔水管的反冲特性影响不大。     

深水钻井隔水管系统配置及动力学特性分析

针对钻井隔水管钻井隔水管问题，总结了海洋隔水管基本配置特征，使用变分原理推导了隔水管动力学数学方程，确定了考虑上下端旋转刚度的边界条件，建立了波浪载荷影响下的隔水管动力响应分析模型，利用埃尔米特三次差值函数对其进行离散，分析了不同工况对隔水管变形特性的影响。结果表明，顶张力越大，隔水管的位移越小；海流类型对隔水管的变形特征具有明显影响；海流的表面流速对隔水管的变形影响十分显著，表面流速增加时，隔水管位移大大增加；常规海况下，风速较低，风速对隔水管动力响应的影响很小；但当系统遭遇极端天气（如台风）时，隔水管的位移会明显增加。     

无隔水管深水钻井作业管柱的力学分析

 无隔水管深水钻井作业是深水钻井的关键环节之一,管柱的力学行为十分复杂。本文阐述了无隔水管深水钻井管柱的纵横弯曲变形力学模型、纵向振动力学模型及无隔水管深水钻井送入管柱设计与强度校核方法等,分析了作业管柱变形及运动的主要影响因素和规律,提出了解决这类复杂工程问题的简化思路。结果表明,作业管柱的轴向拉力过大或过小、海水深度大、平台偏移或升沉振动幅度过大以及海流流速快等因素对管柱的强度安全具有显著影响。在无隔水管深水钻井作业管柱强度设计与校核时,应充分考虑管柱的作业工况及环境载荷的影响。     

深水钻井工况下隔水管横向振动特性研究

目前,对隔水管的振动研究鲜有涉及深水钻井工况对其横向振动特性的影响。为此,采用牛顿法建立了隔水管横向振动流固耦合模型,利用微分变换法（DTM）对模型进行求解,分析了钻井液排量与密度、张力比、钻柱结构等因素对隔水管横向振动固有频率的影响规律。结果表明,钻井液的存在会减小深水隔水管横向振动固有频率;隔水管横向振动固有频率随钻井液密度的增加而降低,随张力比的增加而增大;钻井液排量和钻柱尺寸对隔水管的横向振动固有频率影响不大。该研究可用于指导深水钻井作业,优化深水钻井工艺参数。     

隔水管非线性振动的线性化分析

本文在规则波浪与海流联合作用下对海洋钻井隔水管进行了动力分析,对非线性拖曳力采用改进的线性化方法,推导了有限元线性振动方程。求解这些方程几乎象静力方程一样,只需要少数几次迭代就可求得响应最大值。同时给出一些规则波浪与海流联合作用下的算例,并对由本文方法和由非线性时间域动力分析方法分别求得的两种结果进行了比较。比较表明,两种计算结果吻合。本文的线性化方法及把动力方程变换为静力方程的方法,能节约计算机时。隔水管是海洋工程中较典型的构件,该分析方法便于实际应用。     

深水钻井隔水管时域随机波激疲劳分析

确定深水钻井隔水管时域随机动态分析和疲劳计算方法,采用第三代波浪模式WAVEWATCH计算中国南海波浪谱,并与相应的P-M谱、JONSWAP谱进行比较;开展不同边界条件下的隔水管波激疲劳分析,研究边界条件对隔水管波激疲劳寿命的影响;计算不同边界条件下隔水管疲劳损伤变异系数与分析时长的关系,确定不同边界条件下隔水管波激疲劳分析的最低时长;最后以中国南海某油井为例计算隔水管时域随机波激疲劳寿命。结果表明:南海海域波浪谱的谱峰值和谱形状都与JONSWAP谱较接近,建议选用JONSWAP谱;边界条件对隔水管波激疲劳寿命影响较大,疲劳分析时应考虑钻井船的慢漂运动;随着分析时长的增大,隔水管疲劳损伤变异系数呈指数式减小,考虑钻井船的慢漂运动后大大增加了分析时长。     

海洋钻井隔水管非线性时域动力分析

本文用有限单元法对海洋钻井隔水管进行非线性时间域动力分析,建立了力学分析模型,推导了有限元动力方程,采用纽马克积分法求解。数值计算结果表明,理论分析是正确的,计算精度可满足工程要求。文章还对隔水管力学强度的各种影响因素进行了讨论。本文所提供的动力分析法及计算机程序可供海洋石油设计部门参考使用。