基于内外流耦合作用的隔水管力学特性研究

发布时间：2017-10-26 11:33

  本文关键词：基于内外流耦合作用的隔水管力学特性研究

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【摘要】：海洋中蕴藏着丰富的油气资源,目前,海洋石油已成为世界石油工业的重要区域和科技创新的前沿。钻井隔水管是连接钻井平台和水下井口的关键通道,对海洋石油钻完井的安全性起到了至关重要的作用。隔水管在海水中既要承受自重和顶张力,也要承受外部海洋环境以及钻井工况的耦合作用,容易发生失效事故,严重影响到深水钻井的安全。因此,开展基于内外流耦合作用下的深水钻井隔水管力学特性研究具有重要的理论价值和工程指导意义。本文研究的主要内容及成果有以下几个方面：(1)根据海流和波浪对隔水管加载方式的不同,总结海流力和波浪力的计算方法,将二者合成为海洋环境载荷。并在此基础上建立隔水管微元静力学分析模型,使用有限差分法对方程进行求解,分析各影响因素对隔水管静力学特性的影响。结果表明,隔水管的流向变形、弯矩和偏移角随着顶张力的增大而明显减小；表面海流流速明显加剧隔水管的流向变形；平台偏移量的增大会使隔水管最大变形处上移,使得靠近海面的隔水管接头更容易脱落。(2)针对深水钻井隔水管系统特征,利用变分原理和泛函求极值法建立深水钻井隔水管系统固有频率计算模型,并使用有限元软件ADINA验证了该模型的正确性。分析各影响因素等对深水钻井隔水管固有频率的影响。结果表明,固有频率随着顶张力的增大而增大,且增幅明显；安装有浮力块的隔水管的固有频率比无浮力块的隔水管的更大。(3)针对隔水管从海面到海底受到的不同水流速度,将三维隔水管简化为二维圆柱,将三维流场简化为二维矩形流体域,基于有限元软件ADINA建立了隔水管二维绕流模型,研究不同尺寸隔水管在不同水流流速影响下的升阻力系数和涡泄频率的变化规律。分析显示管径对升阻力系数的影响并不明显,而涡泄频率随着隔水管外径的增大而减小。(4)在分析了隔水管涡泄频率和固有频率影响因素的基础上,使用有限元软件ADINA建立了基于内外流耦合作用的全尺寸隔水管有限元分析模型,并用前人的物理模型实验结果验证了有限元模型的正确性。结果表明,隔水管涡激振动“锁定”现象明显,钻井液密度越大,隔水管振动的响应振幅越大,响应频率越小,但钻井液流速对隔水管涡激振动特性影响不明显；表面海流速度增大时,涡激振动的振幅增大；隔水管轴向应力随表面海流速度的增大而明显增大,因此在极端海况下,增大顶张力来抑制涡激振动的方法会使隔水管轴向应力过大而危害钻井安全。通过本文的研究,基本形成了一套深水钻井隔水管静力学分析方法,建立了考虑钻井液流动的隔水管涡激振动流固耦合有限元分析模型,本文建立的理论分析方法和影响因素研究具有很好的理论研究价值。
【关键词】：深水钻井 隔水管 涡激振动 响应频率 力学特性
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE951
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-22
• 1.1 研究的目的和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-20
• 1.2.1 隔水管力学特性理论研究现状10-14
• 1.2.2 隔水管力学特性实验研究现状14-16
• 1.2.3 相关计算流体力学研究现状16-20
• 1.3 本文的研究思路20
• 1.4 研究的主要内容20-22
• 第2章 基于海洋环境的隔水管静力学特性研究22-41
• 2.1 海洋环境载荷分析22-27
• 2.1.1 海流力的计算23-25
• 2.1.2 波浪载荷的计算25-26
• 2.1.3 海洋环境载荷计算实例26-27
• 2.2 隔水管静力学分析模型的建立27-32
• 2.2.1 隔水管受力分析27-31
• 2.2.2 边界条件31-32
• 2.3 隔水管静力学分析模型求解32-33
• 2.4 隔水管静力学特性影响因素分析33-40
• 2.4.1 顶张力对隔水管力学特性的影响规律35-36
• 2.4.2 钻井液密度对隔水管力学特性的影响36
• 2.4.3 表面海流流速对隔水管力学特性的影响36-37
• 2.4.4 波浪参数对隔水管力学特性影响规律37-39
• 2.4.5 平台偏移量对隔水管力学特性的影响39-40
• 2.5 本章小结40-41
• 第3章 隔水管固有频率影响因素分析41-51
• 3.1 隔水管固有频率计算公式的推导41-46
• 3.1.1 变分原理和最小势能法41-42
• 3.1.2 隔水管动力控制方程42-44
• 3.1.3 隔水管固有频率的推导44-46
• 3.2 隔水管系统固有频率数值模拟46-47
• 3.3 隔水管固有频率的影响因素分析47-50
• 3.3.1 顶张力对隔水管固有频率的影响47-48
• 3.3.2 壁厚对隔水管固有频率的影响48
• 3.3.3 钻井液密度对隔水管固有频率的影响48-49
• 3.3.4 隔水管长度对固有频率的影响49-50
• 3.3.5 浮力块对隔水管固有频率的影响50
• 3.4 本章小结50-51
• 第4章 隔水管二维绕流模型研究51-60
• 4.1 漩涡脱落51-52
• 4.2 涡激振动相关参数52-53
• 4.3 二维绕流模型的建立53-55
• 4.4 不同管径隔水管模拟结果55-59
• 4.4.1 升阻力系数模拟结果分析55-58
• 4.4.2 涡泄频率模拟结果分析58-59
• 4.5 本章小结59-60
• 第5章 隔水管涡激振动流固耦合仿真计算分析60-77
• 5.1 隔水管流固耦合模拟模型的建立60-62
• 5.1.1 模型的建立60-61
• 5.1.2 钻井液-隔水管-海水流固耦合模型61-62
• 5.2 深水钻井隔水管力学行为实验的验证62-64
• 5.3 钻井液对隔水管涡激振动影响规律64-66
• 5.3.1 钻井液密度对隔水管涡激振动特性的影响64-65
• 5.3.2 钻井液流速对隔水管涡激振动特性的影响65-66
• 5.4 不同表面海流流速下隔水管涡激振动模拟结果分析66-76
• 5.4.1 位移云图分析67-68
• 5.4.2 位移时历分析68-70
• 5.4.3 响应频谱分析70-72
• 5.4.4 运动轨迹分析72-74
• 5.4.5 流场速度矢量分布74-75
• 5.4.6 轴向管应力云图分析75-76
• 5.5 本章小结76-77
• 第6章 结论与建议77-79
• 6.1 结论77-78
• 6.2 建议78-79
• 致谢79-80
• 参考文献80-87
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目87

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 郭海燕;赵伟;王飞;;内流对立管顶张力影响规律的试验研究[J];中国海洋大学学报(自然科学版);2015年01期

2 毛良杰;刘清友;周守为;姜伟;刘正礼;彭涛;;剪切流作用下隔水管涡激振动响应机理[J];石油勘探与开发;2015年01期

3 严雅婧;孟晶悦;张龙;;大型矿用挖掘机风道压力损失的计算[J];机械管理开发;2014年02期

4 刘清友;周守为;姜伟;柳军;杨秀夫;王国荣;;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];天然气工业;2013年12期

5 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;;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];中国海上油气;2013年06期

6 陈江涛;张培红;周乃春;邓有奇;;基于SA湍流模型的DES方法应用[J];北京航空航天大学学报;2012年07期

7 韩春杰;陈明明;闫铁;;深水环境下隔水管的横向自由振动分析[J];应用力学学报;2012年03期

8 姜伟;;深水钻井隔水导管在起下作业过程中的固有频率研究[J];中国海上油气;2010年01期

9 张建侨;宋吉宁;吕林;滕斌;;柔性立管涡激振动实验的数据分析[J];中国海洋平台;2009年04期

10 常书平;王永生;庞之洋;;用基于SST模型的DES方法数值模拟圆柱绕流[J];舰船科学技术;2009年02期

中国博士学位论文全文数据库 前7条

1 王鹏;深水钻井隔水管系统动力响应及力学耦合行为[D];东北石油大学;2014年

2 宋吉宁;立管涡激振动的实验研究与离散涡法数值模拟[D];大连理工大学;2012年

3 唐国强;立管涡激振动数值模拟方法及物理模型实验[D];大连理工大学;2011年

4 孙友义;深水钻井隔水管强度评价方法及应用研究[D];中国石油大学;2009年

5 林海花;隔水管涡激动力响应及疲劳损伤可靠性分析[D];大连理工大学;2008年

6 王兴国;导管架海洋平台结构优化设计研究[D];大连理工大学;2003年

7 周俊昌;海洋深水钻井隔水管系统分析[D];西南石油学院;2001年

中国硕士学位论文全文数据库 前6条

1 左金菊;深水钻井隔水管涡激振动机理及其抑制研究[D];西南石油大学;2015年

2 许玉旺;海洋立管涡激振动频域和时域预报方法研究[D];上海交通大学;2014年

3 陈勇;基于LES/FDF的颗粒碰撞理论及其在浓相气固多相流中的应用[D];浙江大学;2011年

4 刘嘉;导管架储油平台静力与动力特性研究[D];大庆石油学院;2010年

5 张修占;深水钻井隔水管振动响应分析[D];中国石油大学;2009年

6 杨茂红;深水钻井隔水管的振动分析与数值模拟[D];中国石油大学;2008年

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本文编号：1098501