深水铝合金隔水管涡激振动疲劳特性

铝合金隔水管(AAR)具有高比强度,在减轻重量的同时还可承受恶劣的海洋环境.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.基于一种模态叠加方法预测隔水管的VIV响应,通过大量分析,系统研究了铝合金隔水管在不同流动剖面下的VIV响应与疲劳特性.结果表明,AAR的涡致疲劳损伤依赖于流动剖面的形状,且在不同位置处差别较大.长度增加导致隔水管模态频率与模态曲率降低,使得隔水管具有更好的VIV疲劳特性.与常规钢制隔水管(SR)相比,铝合金隔水管具有较好的VIV疲劳特性.     

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.     

隔水管随机响应疲劳可靠性分析

为实现对波流共同作用下的隔水管疲劳可靠性分析,在时域里对隔水管进行随机非线性响应计算,给出空间隔水管非线性涡激动力响应的增量迭代算法.通过计算得到的隔水管关键点的应力时间历程和应用累积损伤模型,估算隔水管的疲劳寿命并进行可靠性分析,得出不同顶部预张力、旋转刚度和相关应力成分对疲劳可靠性影响的分析结果.     

基于有限元的深水隔水管涡激振动分析

深水隔水管是深海石油钻采作业中的一项关键装备,其技术与产品一直被国外专业公司所垄断,国内尚无国产化产品成功应用的案例。在工程现场应用过程中,涡激振动是导致隔水管疲劳损伤乃至井口破坏严重的主要原因之一。采用有限元分析方法,模拟深水隔水管在深海环境下的工作状态,结合控制变量法,应用模态分析和涡激振动理论,分析了涡激振动对深水隔水管强度和疲劳寿命的影响,并且从理论上给出了降低隔水管疲劳破坏的方法和建议。     

横流向涡激-参激耦合振动下深水钻井隔水管疲劳损伤预测

考虑深水钻井过程中浮式平台的升沉运动,基于Vander Pol尾流振子模型,建立深水钻井隔水管横流向涡激-参激耦合振动力学分析模型和控制方程,采用Galerkin法和Newmark-β方法对控制方程进行求解,获得涡激-参激耦合振动下深水钻井隔水管的应力时程曲线;采用雨流计数法和Palmgren-Miner线性累积损伤准则,获得深水钻井隔水管的疲劳损伤热点,在此基础上讨论波高、波浪周期、海面海流流速、顶张力对隔水管疲劳热点处疲劳损伤的影响。结果表明：隔水管横流向涡激-参激耦合振动疲劳损热点位于隔水管底部;波高主要通过影响隔水管参激振动特性影响隔水管的疲劳损伤,波高越大,疲劳损伤越大;波浪周期主要通过改变参激振动中隔水管的轴向力影响其疲劳损伤,波浪周期越小,疲劳损伤越大;海面海流流速主要通过改变隔水管横流向的涡激振动特性影响其疲劳损伤,海面海流流速越大,疲劳损伤越大;顶张力主要通过改变隔水管的轴向力分布影响隔水管的横流向涡激振动,进而对其疲劳损伤产生影响,顶张力系数越小,疲劳损伤越大。     

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。     

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。     

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。