石油开采深水钻井隔水管系统动力响应及力学耦合行为

发布时间：2015-01-18 09:57

 

【摘要】 海洋深水资源钻探是当前国内外最前沿的钻井技术之一，由于深水钻井平台处于恶劣、复杂的海洋环境中，海上钻井相比陆上钻井具有难度大、要求高等特点。本文研究对象是与海洋深水钻井工程关系密切的部件——深水钻井隔水管。深水钻井隔水管是连接海上平台与海底井口的重要结构，同时也是易受海流破坏的关键部件。随着作业水深增加，隔水管长度加长，隔水管受力状态变得更加复杂，隔水管疲劳破坏问题日渐突出，因此深水钻井隔水管系统力学分析是一项重要的研究课题。本文系统开展了深水钻井隔水管系统动力响应及力学耦合行为的研究工作，主要研究内容包括：(1)深水钻井隔水管横向振动响应分析分析并计算影响隔水管横向振动的各种海洋环境载荷，如海流、波浪、海风、海潮、海冰等，再根据深水隔水管小应变大变形的受力变形特点，应用达朗贝尔原理建立考虑钻柱影响的深水隔水管横向振动数学模型，应用有限差分数值法对深水隔水管的受力变形情况进行数值模拟计算分析。(2)深水钻井隔水管横向振动敏感性因素分析影响深水隔水管动力响应的因素较多，如隔水管顶部张力、海流波浪运动参数、平台漂移、隔水管辅助结构等。本文从隔水管系统的顶部张力变化、隔水管浮力块安放、波浪运动周期，以及钻井平台漂移情况对深水隔水管动力响应进行敏感性因素分析，分析结果可以为隔水管设计提供理论依据。(3)考虑辅助管线影响下深水钻井隔水管涡激效果分析与评价应用数值模拟软件—FLUENT对海洋深水隔水管涡激振动效果进行数值模拟分析，本文主要模拟分析影响涡激效果的两个参数：与海水流向垂直涡激的升力系数和顺流向涡激的阻力系数，以此作为分析及评价隔水管涡激效果。首先，模拟单圆柱绕流下隔水管涡激振动响应，模拟结果与经典实验结果基本一致，验证模拟条件的准确性；然后，重点研究辅助管线如何影响隔水管涡激振动，通过分析涡激振动的升力和阻力系数，并应用频谱响应分析方法对模拟结果进行数据处理，给出了辅助管线影响下隔水管涡脱落定量描述。(4)深水钻井隔水管与顶部张力系统耦合分析深水钻井隔水管除了受钻井船的升沉、横摇、纵摇等因素的影响外，顶部张力系统也会对隔水管顶部产生两个方向的横向激励，即平面内运动和离面运动激励。本文建立了顶部张力系统与隔水管耦合作用模型，该模型考虑了实测海洋浮体的运动响应，为准确分析考虑顶部张力系统作用下深水钻井隔水管运动响应提供一种方法。(5)深水钻井隔水管与内部作业钻柱耦合分析深水钻井隔水管动力响应的另外一个重要影响因素即为钻柱的作用。通常情况下，隔水管内部钻柱有两种运动状态，即绕钻柱自身旋转的自转，以及绕隔水管内壁旋转的公转，同时还伴随着钻柱振动。本文根据力平衡原理，建立一种钻柱与隔水管耦合作用数学模型，给出模型求解方法，并对钻柱的影响效果进行评价与分析。(6)考虑应力比条件下深水钻井隔水管疲劳寿命分析深水隔水管在复杂海洋环境中受交变应力载荷作用，其使用的安全性十分重要。准确预测分析隔水管的应力状态及疲劳寿命显得十分必要，本文应用断裂力学理论中带裂纹结构疲劳寿命预测模型对隔水管在交变应力载荷作用下疲劳寿命进行模拟分析，该方法为复杂应力状态隔水管使用寿命提供理论分析方法。 

第一章 绪  论

随着对海洋油气资源的不断勘探与开发，海上石油勘探开发技术也在不断进步，海洋石油勘探开发范围已经从浅水(<500m)向深水(500-1500m)、超深水(>l500m)方向发展，且随着作业水深的增加，对海洋油气资源的开发程度也不断加深，因此，深水油气资源的开发必将成为世界石油工业的主要增长点和世界科技创新的前沿[6-7]。然而，如果要加大海洋勘探开发的深度，海洋深水钻探设备则是首先要攻克的难题，近年来，用于海洋油气资源开发的浮体平台数量逐年急剧增加，相比陆地油气开发方式，海洋平台开发油气资源具有体积大、结构复杂、造价昂贵等特点，同时，随着作业水深的增加，海洋浮体平台所处的海洋环境将会更加复杂恶劣，海风、海浪、海流、海冰、潮汐和地震等灾害对海洋工程结构物的安全性带来巨大威胁，特别是在极端海况条件下，波浪载荷作用对海洋结构物的振动和冲击载荷的动力放大效应更为明显，海洋结构物安全性存在严重隐患。因此，有必要对深水钻井平台以及深水钻井作业设备进行课题攻关，为海洋深水油气资源开发打下坚实基础。
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第二章 深水钻井隔水管系统载荷分析

2.1  深水钻井隔水管系统组成及破坏形式
海洋钻井隔水管装置是由多个相同的隔水管单根连接构成，主要用于海洋钻井平台(或钻井船)钻井作业。深水钻井隔水管系统是一套连接浮体平台至海底 BOP 的输送流体的通道，安装水下 BOP，支撑各种控制管线，同时也为钻杆、钻铤等井下钻井工具提供导向作业空间。主要用来隔离海水、引导钻具和循环钻井液，此外，隔水管底部结构起到固定海底井口等作用。隔水管长度随着水深的增加而增加，且其受力状态也会变得更加复杂，因此，有必要对隔水管的使用安全进行理论分析及研究。节流和压井管线材料通常是X52、X65、X80，其屈服强度分别为358.0MPa、540.0MPa、551.6MPa。在深水情况下，节流与压井线的内径通常为 0.1143m，有利于降低管内流体流动摩擦引起的压力损耗。钻井工程中，，节流与压井管线内压最高可达 100MPa 以上，因此，节流与压井管线的密封设计要求十分严格，如果密封设计不合理或加工工艺不达标，将会给深水钻井带来重大危害，因此，该技术也是隔水管研制中关键技术之一。

2.2  深水钻井隔水管系统载荷分析
波理论主要包括以下几种：线性波理论中微幅波理论(Airy 波理论)，非线性波理论中Stokes波理论、椭圆余弦波理论、驻波理论、流函数理论等。微幅波理论是波浪理论中最基本、最重要的内容，也是近海工程中应用的最广泛的部分。然而，海洋实际环境中波浪的波幅一般是有限的，有时能达到较大的数值，因此要考虑波动自由表面引起的非线性，因此，非线性波理论不断发展，其中，非线性波理论中又以斯托克斯(Stokes)波理论使用范围最广泛[81]。 英国流体力学家 Stokes于1883年发展的有限幅波理论占重要地位，1887年，建立了Stokes波理论[82]。Stokes 根据势波理论考虑了波陡的影响，证明波面不再为简单的余弦形式，而是呈波峰较窄而波谷较宽的接近于摆线的规律，这是和实际余波的波面颇为相近。此外，水质点不是简单地沿着封闭轨道运动，而是在沿着波浪传播方向上有一微小的纯位移的近似于圆或椭圆的轨道上进行运动。波浪运动中伴随有“质量迁移”，这也是符合于波浪运动的实际现象的。所谓的 Stokes 波是用有限个简单的频率成比例的余弦波来逼近具有单一周期的规则的有限振幅波，表2-3列出了Stokes五阶波各参数的计算公式。

第三章 深水钻井隔水管横向振动响应分析 ..................................................... 30

3.1  深水钻井隔水管横向振动响应模型 ................................................ 30

第四章 深水钻井隔水管涡激振动模拟分析 ........................................ 47

4.1  数值模拟环境基本情况 .................................... 47

4.2  隔水管涡激振动模型 .......................................... 48

第五章 深水钻井隔水管系统力学耦合分析 ..................................................... 72

5.1  隔水管与顶部张力系统力学耦合行为 ................................................ 72

5.2  考虑隔水管变形条件下动态响应分析 ...................................... 78

5.2.1  隔水管变形条件下动态响应模型 ................................................ 79

5.2.2  动态响应模型边界条件 ............................... 81

第五章 深水钻井隔水管系统力学耦合分析

5.1  隔水管与顶部张力系统力学耦合行为
由于受钻井船的升沉、横摇、纵摇等因素的影响，隔水管顶部张力系统会产生两个方向的横向激励，一个是平面内、一个是离面运动的作用力。根据前面给出的基础数据，首先对张力系统张力绳对数进行敏感性分析，如图 5.7 所示。由图 5.7 可以看出，在给定的条件下，随着张力绳数的增加，横向作用力降低，而且，FI和 FO两侧的横向激发力相差较大，顶部张力绳数对离面运动更为敏感，因此，通过增加张力绳数量可以显著降低离面的横向载荷。

5.2 考虑隔水管变形条件下动态响应分析
隔水管在使用过程中还有一个重要的因素，就是钻柱对隔水管的影响。隔水管内部作业钻柱在通常情况下有两种运动状态，即绕钻柱自身旋转的自转，以及钻柱绕隔水管内壁旋转运动的公转，同时还伴随着钻柱振动。考虑内部钻柱作用下隔水管力学分析对海洋深水井口安全和钻井作业具有重要意义[137-138]，建立隔水管力学分析模型时，应将钻柱对它的影响加以考虑，本章中建立了隔水管静力分析模型，考虑起钻工况过程中钻柱对隔水管横向位移响应的影响，假定钻柱紧贴隔水管弯曲变形下侧，在井眼中紧贴下井壁，如图5.14所示。该模型在传统的隔水管静力学分析模型基础上，增加考虑了内部钻柱的影响，模型中将钻柱与隔水管之间的接触力进行耦合，得出了钻柱与隔水管耦合分析模型。
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结  论

通过理论研究与分析，可以得到以下结论：
 (1)根据海洋环境载荷作用下深水隔水管小应变大变形的结构特点，应用达朗贝尔原理建立了考虑内部钻柱的深水隔水管横向振动数学模型，应用有限差分法建立了数值计算模型，应用数值计算软件 Matlab 编程对深水隔水管的受力变形情况进行求解，该模型可求解出不同时刻、不同水深处隔水管横向振动位移、隔水管所受弯矩、剪力以及转角等重要参数，该模型可为海洋深水钻井隔水管动力学响应及深水隔水管设计提供理论支撑及技术指导。
 (2)本文从深水钻井隔水管顶部张力变化、隔水管浮力块安放、波浪运动周期，以及钻井平台漂移情况几个方面对深水隔水管动力响应进行敏感性因素分析。分析结果表明：随着隔水管顶部张力的增加，隔水管顶部变形明显减小；随着平台横向漂移距离增加，隔水管的横向变形越严重；隔水管靠近海平面的位置，其承受的弯曲载荷最大，且随着波浪周期性变化承受交变应力载荷；在水下 0-200m 范围内，隔水管承受的交变弯曲载荷最大，隔水管设计及使用过程中应特别注意该部位强度问题。敏感性因素分析结果可以为深水隔水管设计、优化隔水管的受力变形状态提供理论依据，避免隔水管早期疲劳破坏。
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参考文献;

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本文编号：11661