深水顶张力隔水管钻井作业时的非线性振动特性分析
发布时间：2021-11-17 20:23
隔水管是深水钻井过程中的薄弱环节,其横向振动可能引起偏磨、塌陷、断裂等多种失效形式,研究深水隔水管的横向振动特性,可为深水钻井参数选择和钻完井施工设计提供理论依据,提高隔水管的安全可靠性.将深水隔水管简化成Euler-Bernoulli梁,引入大变形应变-位移方程和弹簧边界条件,利用Hamilton原理建立了波流耦合作用下深水隔水管的运动模型,得到了作业工况时隔水管横向振动的非线性动力学方程,Galerkin离散后,通过数值分析方法研究了深水隔水管的振动稳定性机理.分析结果表明,系统的主共振存在多值和跳跃现象,随着隔水管直径与壁厚之间比值D/τ的增大,系统频响振幅逐渐增大;波浪高度与波浪周期比值H/T增大,幅频响应的带宽逐渐增加,不稳定区域逐渐增大;隔水管长度与波浪有效高度的比值l/H会使主共振跳跃幅值明显增大.波浪周期从3～10s变化时,深水隔水管系统经历着周期运动与混沌运动的交替变化,存在倍周期窗口并具有明显的分叉现象.
【文章来源】：动力学与控制学报. 2019,17(02)
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
深水隔水管及浮式平台Fig．1Deepwaterriserconnectedwithfloatingplatform建模过程中基于以下假设:(1)假设海浪和海
动力学与控制学报2019年第17卷～3%之间，所以，可通过对铰支端取矩来预估k值，k=∫l0Fz(x)·xdx1%·h·l(20)通过数值方法得出k=1．55×105N/m，此时隔水管系统的前三阶固有频率为0．124Hz、0．248Hz、0．372Hz．k值越大，该模型的固有频率越接近于两端简支模型的横向弯曲振动频率，k值越小，隔水管的顶端越接近于自由端．图3不同D/τ下的幅频响应曲线Fig．3Curveofamplitude-frequencyresponseunderdifferentD/τ图4不同H/T下的幅频响应曲线Fig．4Curveofamplitude-frequencyresponseunderdifferentH/T图3所示的幅频响应曲线表明，在波流耦合作用下，深水隔水管的横向振动响应幅值存在明显的跳跃现象:当外激励频率接近系统固有频率时，由于共振导致响应幅值增大;当外激励频率远离系统固有频率时，同一激励频率对应多个响应振幅，运动状态具有不稳定性．随着隔水管直径与壁厚之间比值D/τ的增大，系统频响振幅逐渐增大．图4给出的曲线表明了在不稳定区域内的运动多解和跳跃现象，系统表现出硬弹簧特性，随着波浪高度与波浪周期比值H/T的增大，幅频响应的带宽逐渐增加，不稳定区域逐渐增大．图5不同l/H下的幅频响应曲线Fig．5Curveofamplitude-frequencyresponseunderdifferentl/H图5显示了隔水管长度与波浪有效高度的比值对幅频响应曲线的影响，随着l/H比值的增大，幅值跳跃明显增强．针对一阶离散后的运动控制方程(13)，运用MATLAB软件进行数值模拟．采用ODE45算法(四阶-五阶Ｒunge-Kutta法)，选取一组初始参数，研究隔水管系统的非线性动力学行为．图6周期与分叉Fig
动力学与控制学报2019年第17卷～3%之间，所以，可通过对铰支端取矩来预估k值，k=∫l0Fz(x)·xdx1%·h·l(20)通过数值方法得出k=1．55×105N/m，此时隔水管系统的前三阶固有频率为0．124Hz、0．248Hz、0．372Hz．k值越大，该模型的固有频率越接近于两端简支模型的横向弯曲振动频率，k值越小，隔水管的顶端越接近于自由端．图3不同D/τ下的幅频响应曲线Fig．3Curveofamplitude-frequencyresponseunderdifferentD/τ图4不同H/T下的幅频响应曲线Fig．4Curveofamplitude-frequencyresponseunderdifferentH/T图3所示的幅频响应曲线表明，在波流耦合作用下，深水隔水管的横向振动响应幅值存在明显的跳跃现象:当外激励频率接近系统固有频率时，由于共振导致响应幅值增大;当外激励频率远离系统固有频率时，同一激励频率对应多个响应振幅，运动状态具有不稳定性．随着隔水管直径与壁厚之间比值D/τ的增大，系统频响振幅逐渐增大．图4给出的曲线表明了在不稳定区域内的运动多解和跳跃现象，系统表现出硬弹簧特性，随着波浪高度与波浪周期比值H/T的增大，幅频响应的带宽逐渐增加，不稳定区域逐渐增大．图5不同l/H下的幅频响应曲线Fig．5Curveofamplitude-frequencyresponseunderdifferentl/H图5显示了隔水管长度与波浪有效高度的比值对幅频响应曲线的影响，随着l/H比值的增大，幅值跳跃明显增强．针对一阶离散后的运动控制方程(13)，运用MATLAB软件进行数值模拟．采用ODE45算法(四阶-五阶Ｒunge-Kutta法)，选取一组初始参数，研究隔水管系统的非线性动力学行为．图6周期与分叉Fig
【参考文献】：
期刊论文
[1]深水钻井工况下隔水管横向振动特性研究[J]. 刘清友,朱军凯,毛良杰. 西南石油大学学报(自然科学版). 2016(05)
[2]剪切流作用下隔水管涡激振动响应机理[J]. 毛良杰,刘清友,周守为,姜伟,刘正礼,彭涛. 石油勘探与开发. 2015(01)
[3]基于钻井工况和海洋环境耦合作用下的隔水管动力学模型[J]. 刘清友,周守为,姜伟,柳军,杨秀夫,王国荣. 天然气工业. 2013(12)
[4]深水钻井隔水管“三分之一效应”的发现——基于海流作用下深水钻井隔水管变形特性理论及实验的研究[J]. 周守为,刘清友,姜伟,毛良杰,杨秀夫,刘正礼,王国荣,黄鑫,石晓兵,付强,柳军. 中国海上油气. 2013(06)
[5]深水钻井隔水管-导管系统波激疲劳分析[J]. 刘秀全,陈国明,畅元江,许亮斌. 石油学报. 2013 (05)
[6]钢悬链线的涡激振动分析(英文)[J]. 饶志标,付世晓,杨建民. 船舶力学. 2011(03)
[7]深水钻井隔水管耦合系统分析(英文)[J]. 孙友义,陈国明,金辉,畅元江. 船舶力学. 2009(03)
[8]深水顶部张紧钻井隔水管非线性静力分析[J]. 畅元江,陈国明,许亮斌,殷志明,王宏安. 中国海上油气. 2007(03)
本文编号：3501591
【文章来源】：动力学与控制学报. 2019,17(02)
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
深水隔水管及浮式平台Fig．1Deepwaterriserconnectedwithfloatingplatform建模过程中基于以下假设:(1)假设海浪和海
动力学与控制学报2019年第17卷～3%之间，所以，可通过对铰支端取矩来预估k值，k=∫l0Fz(x)·xdx1%·h·l(20)通过数值方法得出k=1．55×105N/m，此时隔水管系统的前三阶固有频率为0．124Hz、0．248Hz、0．372Hz．k值越大，该模型的固有频率越接近于两端简支模型的横向弯曲振动频率，k值越小，隔水管的顶端越接近于自由端．图3不同D/τ下的幅频响应曲线Fig．3Curveofamplitude-frequencyresponseunderdifferentD/τ图4不同H/T下的幅频响应曲线Fig．4Curveofamplitude-frequencyresponseunderdifferentH/T图3所示的幅频响应曲线表明，在波流耦合作用下，深水隔水管的横向振动响应幅值存在明显的跳跃现象:当外激励频率接近系统固有频率时，由于共振导致响应幅值增大;当外激励频率远离系统固有频率时，同一激励频率对应多个响应振幅，运动状态具有不稳定性．随着隔水管直径与壁厚之间比值D/τ的增大，系统频响振幅逐渐增大．图4给出的曲线表明了在不稳定区域内的运动多解和跳跃现象，系统表现出硬弹簧特性，随着波浪高度与波浪周期比值H/T的增大，幅频响应的带宽逐渐增加，不稳定区域逐渐增大．图5不同l/H下的幅频响应曲线Fig．5Curveofamplitude-frequencyresponseunderdifferentl/H图5显示了隔水管长度与波浪有效高度的比值对幅频响应曲线的影响，随着l/H比值的增大，幅值跳跃明显增强．针对一阶离散后的运动控制方程(13)，运用MATLAB软件进行数值模拟．采用ODE45算法(四阶-五阶Ｒunge-Kutta法)，选取一组初始参数，研究隔水管系统的非线性动力学行为．图6周期与分叉Fig
动力学与控制学报2019年第17卷～3%之间，所以，可通过对铰支端取矩来预估k值，k=∫l0Fz(x)·xdx1%·h·l(20)通过数值方法得出k=1．55×105N/m，此时隔水管系统的前三阶固有频率为0．124Hz、0．248Hz、0．372Hz．k值越大，该模型的固有频率越接近于两端简支模型的横向弯曲振动频率，k值越小，隔水管的顶端越接近于自由端．图3不同D/τ下的幅频响应曲线Fig．3Curveofamplitude-frequencyresponseunderdifferentD/τ图4不同H/T下的幅频响应曲线Fig．4Curveofamplitude-frequencyresponseunderdifferentH/T图3所示的幅频响应曲线表明，在波流耦合作用下，深水隔水管的横向振动响应幅值存在明显的跳跃现象:当外激励频率接近系统固有频率时，由于共振导致响应幅值增大;当外激励频率远离系统固有频率时，同一激励频率对应多个响应振幅，运动状态具有不稳定性．随着隔水管直径与壁厚之间比值D/τ的增大，系统频响振幅逐渐增大．图4给出的曲线表明了在不稳定区域内的运动多解和跳跃现象，系统表现出硬弹簧特性，随着波浪高度与波浪周期比值H/T的增大，幅频响应的带宽逐渐增加，不稳定区域逐渐增大．图5不同l/H下的幅频响应曲线Fig．5Curveofamplitude-frequencyresponseunderdifferentl/H图5显示了隔水管长度与波浪有效高度的比值对幅频响应曲线的影响，随着l/H比值的增大，幅值跳跃明显增强．针对一阶离散后的运动控制方程(13)，运用MATLAB软件进行数值模拟．采用ODE45算法(四阶-五阶Ｒunge-Kutta法)，选取一组初始参数，研究隔水管系统的非线性动力学行为．图6周期与分叉Fig
【参考文献】：
期刊论文
[1]深水钻井工况下隔水管横向振动特性研究[J]. 刘清友,朱军凯,毛良杰. 西南石油大学学报(自然科学版). 2016(05)
[2]剪切流作用下隔水管涡激振动响应机理[J]. 毛良杰,刘清友,周守为,姜伟,刘正礼,彭涛. 石油勘探与开发. 2015(01)
[3]基于钻井工况和海洋环境耦合作用下的隔水管动力学模型[J]. 刘清友,周守为,姜伟,柳军,杨秀夫,王国荣. 天然气工业. 2013(12)
[4]深水钻井隔水管“三分之一效应”的发现——基于海流作用下深水钻井隔水管变形特性理论及实验的研究[J]. 周守为,刘清友,姜伟,毛良杰,杨秀夫,刘正礼,王国荣,黄鑫,石晓兵,付强,柳军. 中国海上油气. 2013(06)
[5]深水钻井隔水管-导管系统波激疲劳分析[J]. 刘秀全,陈国明,畅元江,许亮斌. 石油学报. 2013 (05)
[6]钢悬链线的涡激振动分析(英文)[J]. 饶志标,付世晓,杨建民. 船舶力学. 2011(03)
[7]深水钻井隔水管耦合系统分析(英文)[J]. 孙友义,陈国明,金辉,畅元江. 船舶力学. 2009(03)
[8]深水顶部张紧钻井隔水管非线性静力分析[J]. 畅元江,陈国明,许亮斌,殷志明,王宏安. 中国海上油气. 2007(03)
本文编号：3501591
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