半潜式钻井平台抗冰性能多维优化设计及评估方法研究
发布时间：2022-07-15 14:59
北极地区作为全球重要的油气资源储备基地,受到越来越多国家的关注和重视。常规海上钻井平台是海上油气勘探开发必不可少的装备,然而其在参与北极海上油气资源的开发过程将面临着巨大的挑战和考验,需要突破一系列关键技术并进行特殊设计,才能保障其在北极海域的安全、高效作业。这些挑战及关键技术可以总结为:①极地冰区海洋环境统计数据较少,尚未形成明确设计海况条件;②针对北极大型海洋平台的冰荷载研究仍不成熟,需要建立开发更加具备工程应用价值的冰荷载预测模型及分析软件;③严寒多冰的海洋环境对钻井平台的结构强度、定位系统及钻井系统等的抗冰耐寒、运行可靠和应急处理能力等提出了更高的要求。本文的主要研究工作概述为以下几个方面:（1）调研喀拉海和巴伦支海两个典型极地海域的风、波浪、海流、水深、温度、海冰等的长期观测情况及现有相关研究成果,并与现有规范中其他类似海域的数据进行对比分析,基于概率统计方法提出这两个典型北极海域的设计基础。（2）研究海冰与大尺度垂直结构、大尺度斜面结构及细长柔性结构的作用机理,修正并提出适合极地半潜式平台立柱大尺度斜面结构及钻井立管细长柔性结构的冰荷载计算方法,并利用离散元方法分析结果与规...
【文章页数】：174 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 北极钻采装备综合比较分析
1.2.1 自升式钻井平台
1.2.2 钻井船
1.2.3 柱稳型半潜式钻井平台
1.2.4 圆筒型半潜式钻井平台
1.2.5 分析总结
1.3 抗冰优化设计关键技术研究现状
1.3.1 极地钻井平台设计基础研究现状
1.3.2 冰载荷评估方法研究现状
1.3.3 结构抗冰优化设计研究现状
1.3.4 冰区定位系统研究现状
1.3.5 冰区立管系统研究现状
1.3.6 海洋工程装备抗冰技术的趋势研究
1.4 本文主要研究内容
1.5 研究技术路线
第2章 典型极地海域设计基础研究
2.1 引言
2.2 典型极地海域介绍
2.3 海冰情况
2.4 风、浪、流情况
2.4.1 风力统计数据
2.4.2 波浪统计数据
2.4.3 海流统计数据
2.5 环境温度条件
2.5.1 空气温度
2.5.2 海水温度
2.6 水深情况
2.7 本章小结
第3章 特殊结构冰载荷分析方法研究
3.1 引言
3.2 海冰设计参数定义
3.3 冰荷载计算方法研究
3.3.1 海冰在结构前的破坏模式
3.3.2 大尺度直立结构的冰载荷研究
3.3.3 大尺度斜面结构上的冰荷载研究
3.3.4 大尺度结构的局部冰力计算
3.3.5 细长柔性结构冰力计算
3.4 冰荷载的数值分析
3.4.1 数值分析的方法介绍及选择
3.4.2 大尺度结构海冰破坏模式数值验证
3.4.3 大尺度直立结构冰载荷数值验证
3.4.4 大尺度斜面结构冰载荷数值验证
3.4.5 细长柔性结构冰载荷数值模式探讨
3.5 本章小结
第4章 平台抗冰及运动性能综合优化评估研究
4.1 引言
4.2 新型抗冰型半潜式钻井平台研究
4.2.1 平台设计基础的定义
4.2.2 新型抗冰型半潜式钻井平台概念
4.3 平台运动性能对比分析
4.3.1 立柱加锥式半潜式钻井平台
4.3.2 抗冰锥体增加消浪孔的运动性能优化研究
4.3.3 直斜立柱式半潜式钻井平台
4.3.4 立柱数量对运动性能的影响研究
4.3.5 平台有冰海况下的作业能力研究
4.4 平台快速结构设计方法研究
4.5 本章小结
第5章 定位系统抗冰性能研究
5.1 引言
5.2 可解脱式系泊系统分析方法及优化研究
5.2.1 可解脱式系泊系统
5.2.2 浮子深度的影响
5.2.3 连接线的影响
5.2.4 系泊特性研究
5.3 极地冰区动力定位系统研究
5.3.1 动力定位能力分析介绍
5.3.2 推力分配逻辑
5.3.3 坐标系规定
5.3.4 全回转推进器设计
5.3.5 冰区动力定位能力研究
5.3.6 时域模拟结果与分析
5.4 本章小结
第6章 立管系统抗冰优化设计研究
6.1 引言
6.2 冰区立管动力响应分析
6.2.1 立管系统的选择
6.2.2 冰-立管局部碰撞分析方法
6.2.3 冰-立管整体动态分析方法
6.3 小体积碎冰域-立管碰撞有限元分析
6.3.1 海冰模型
6.3.2 海洋结构与海冰相互作用
6.3.3 水动力模型
6.3.4 计算结果分析
6.4 大体积单块冰-立管碰撞有限元分析
6.4.1 模型单元类型设置
6.4.2 模型接触类型设置
6.4.3 模型边界条件设置
6.4.4 模型参数设置
6.4.5 计算结果分析
6.5 冰-立管碰撞室内实验研究
6.5.1 实验材料及设备
6.5.2 实验过程
6.5.3 实验结果分析
6.5.4 实验结果与数值模拟结果对比
6.6 小尺度浮冰碰撞
6.6.1 有限元模型介绍
6.6.2 计算结果分析
6.7 本章小结
第7章 结论与展望
7.1 结论
7.2 本文主要创新点
7.3 展望
参考文献
博士在读期间发表学术论文、申请专利
【参考文献】：
期刊论文
[1]极地冰区海上钻井平台发展趋势研究[J]. 刘大辉,Ove T.Gudmestad,白勇,滕瑶,陈昱,吴延明. 水利科学与寒区工程. 2019(01)
[2]船冰相互作用研究方法综述[J]. 徐莹,胡志强,陈刚,徐业峻. 船舶力学. 2019(01)
[3]水位变化对正倒锥体冰载荷影响的离散元分析[J]. 龙雪,刘社文,季顺迎. 力学学报. 2019(01)
[4]海上风力机锥体结构抗冰性能分析[J]. 许子非,叶柯华,李春,杨阳. 动力工程学报. 2018(09)
[5]融冰期北极海冰单轴压缩强度的试验研究[J]. 王庆凯,雷瑞波,李志军. 哈尔滨工程大学学报. 2018(10)
[6]冰三点弯曲试验的近场动力学数值模拟[J]. 薛彦卓,陆锡奎,王庆,白晓龙,李志军. 哈尔滨工程大学学报. 2018(04)
[7]渤海海洋平台不规则锥体抗冰振性能[J]. 王胜永,岳前进,毕祥军,张大勇. 科学技术与工程. 2017(32)
[8]半潜式钻井平台的冰区结构加强[J]. 王丽,傅强,张工,王如壮,侯伟平. 中国海洋平台. 2017(05)
[9]锥体海洋平台结构冰荷载的离散单元分析[J]. 李晔. 船舶力学. 2017(10)
[10]《中国海冰条件及应用》与ISO 19906冰荷载规定比较[J]. 屈衍,张大勇,许宁,资林钦. 哈尔滨工程大学学报. 2018(04)
博士论文
[1]海洋结构物作用下海冰破坏模式及冰载荷的离散元分析[D]. 龙雪.大连理工大学 2019
[2]钢带缠绕复合管力学性能及可靠性分析[D]. 刘婷.浙江大学 2018
[3]径向压力作用下非粘结柔性管极限承载力研究[D]. 原帅.浙江大学 2017
[4]动力定位能力分析方法与控制算法研究[D]. 徐胜文.上海交通大学 2016
[5]基于GPU并行算法的海洋平台及船舶结构冰荷载的离散元分析[D]. 狄少丞.大连理工大学 2015
[6]锥体海洋结构的冰荷载研究[D]. 许宁.大连理工大学 2011
[7]冰塞形成机理与冰盖下速度场和冰粒两相流模拟分析[D]. 王军.合肥工业大学 2007
[8]基于现场实验的海洋结构随机冰荷载分析[D]. 屈衍.大连理工大学 2006
[9]渤海海冰数值模拟及其工程应用[D]. 季顺迎.大连理工大学 2001
硕士论文
[1]1500米半潜平台钻井立管设计与分析[D]. 路程越.东北石油大学 2017
[2]北海半潜式钻井平台防冻除冰技术研究[D]. 杨艳.哈尔滨工程大学 2015
[3]冰区船舶冰载荷及船体结构优化研究[D]. 张永达.大连理工大学 2014
[4]冰与直立型及锥型结构的相互作用力分析[D]. 张帅.哈尔滨工程大学 2013
[5]基于应变测量的海洋平台冰荷载研究[D]. 刘通.大连理工大学 2010
[6]超深水顶端张紧式钻井隔水管结构与VIV疲劳分析[D]. 高峰.哈尔滨工程大学 2010
[7]海冰与锥体抗冰平台相互作用的数值分析[D]. 于佰杰.大连理工大学 2007
[8]破坏模式对锥体结构冰荷载的影响[D]. 韩雷.大连理工大学 2006
[9]冰与直立结构挤压破坏时的极值静冰力[D]. 胡荣.大连理工大学 2006
本文编号：3662267
【文章页数】：174 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 北极钻采装备综合比较分析
1.2.1 自升式钻井平台
1.2.2 钻井船
1.2.3 柱稳型半潜式钻井平台
1.2.4 圆筒型半潜式钻井平台
1.2.5 分析总结
1.3 抗冰优化设计关键技术研究现状
1.3.1 极地钻井平台设计基础研究现状
1.3.2 冰载荷评估方法研究现状
1.3.3 结构抗冰优化设计研究现状
1.3.4 冰区定位系统研究现状
1.3.5 冰区立管系统研究现状
1.3.6 海洋工程装备抗冰技术的趋势研究
1.4 本文主要研究内容
1.5 研究技术路线
第2章 典型极地海域设计基础研究
2.1 引言
2.2 典型极地海域介绍
2.3 海冰情况
2.4 风、浪、流情况
2.4.1 风力统计数据
2.4.2 波浪统计数据
2.4.3 海流统计数据
2.5 环境温度条件
2.5.1 空气温度
2.5.2 海水温度
2.6 水深情况
2.7 本章小结
第3章 特殊结构冰载荷分析方法研究
3.1 引言
3.2 海冰设计参数定义
3.3 冰荷载计算方法研究
3.3.1 海冰在结构前的破坏模式
3.3.2 大尺度直立结构的冰载荷研究
3.3.3 大尺度斜面结构上的冰荷载研究
3.3.4 大尺度结构的局部冰力计算
3.3.5 细长柔性结构冰力计算
3.4 冰荷载的数值分析
3.4.1 数值分析的方法介绍及选择
3.4.2 大尺度结构海冰破坏模式数值验证
3.4.3 大尺度直立结构冰载荷数值验证
3.4.4 大尺度斜面结构冰载荷数值验证
3.4.5 细长柔性结构冰载荷数值模式探讨
3.5 本章小结
第4章 平台抗冰及运动性能综合优化评估研究
4.1 引言
4.2 新型抗冰型半潜式钻井平台研究
4.2.1 平台设计基础的定义
4.2.2 新型抗冰型半潜式钻井平台概念
4.3 平台运动性能对比分析
4.3.1 立柱加锥式半潜式钻井平台
4.3.2 抗冰锥体增加消浪孔的运动性能优化研究
4.3.3 直斜立柱式半潜式钻井平台
4.3.4 立柱数量对运动性能的影响研究
4.3.5 平台有冰海况下的作业能力研究
4.4 平台快速结构设计方法研究
4.5 本章小结
第5章 定位系统抗冰性能研究
5.1 引言
5.2 可解脱式系泊系统分析方法及优化研究
5.2.1 可解脱式系泊系统
5.2.2 浮子深度的影响
5.2.3 连接线的影响
5.2.4 系泊特性研究
5.3 极地冰区动力定位系统研究
5.3.1 动力定位能力分析介绍
5.3.2 推力分配逻辑
5.3.3 坐标系规定
5.3.4 全回转推进器设计
5.3.5 冰区动力定位能力研究
5.3.6 时域模拟结果与分析
5.4 本章小结
第6章 立管系统抗冰优化设计研究
6.1 引言
6.2 冰区立管动力响应分析
6.2.1 立管系统的选择
6.2.2 冰-立管局部碰撞分析方法
6.2.3 冰-立管整体动态分析方法
6.3 小体积碎冰域-立管碰撞有限元分析
6.3.1 海冰模型
6.3.2 海洋结构与海冰相互作用
6.3.3 水动力模型
6.3.4 计算结果分析
6.4 大体积单块冰-立管碰撞有限元分析
6.4.1 模型单元类型设置
6.4.2 模型接触类型设置
6.4.3 模型边界条件设置
6.4.4 模型参数设置
6.4.5 计算结果分析
6.5 冰-立管碰撞室内实验研究
6.5.1 实验材料及设备
6.5.2 实验过程
6.5.3 实验结果分析
6.5.4 实验结果与数值模拟结果对比
6.6 小尺度浮冰碰撞
6.6.1 有限元模型介绍
6.6.2 计算结果分析
6.7 本章小结
第7章 结论与展望
7.1 结论
7.2 本文主要创新点
7.3 展望
参考文献
博士在读期间发表学术论文、申请专利
【参考文献】：
期刊论文
[1]极地冰区海上钻井平台发展趋势研究[J]. 刘大辉,Ove T.Gudmestad,白勇,滕瑶,陈昱,吴延明. 水利科学与寒区工程. 2019(01)
[2]船冰相互作用研究方法综述[J]. 徐莹,胡志强,陈刚,徐业峻. 船舶力学. 2019(01)
[3]水位变化对正倒锥体冰载荷影响的离散元分析[J]. 龙雪,刘社文,季顺迎. 力学学报. 2019(01)
[4]海上风力机锥体结构抗冰性能分析[J]. 许子非,叶柯华,李春,杨阳. 动力工程学报. 2018(09)
[5]融冰期北极海冰单轴压缩强度的试验研究[J]. 王庆凯,雷瑞波,李志军. 哈尔滨工程大学学报. 2018(10)
[6]冰三点弯曲试验的近场动力学数值模拟[J]. 薛彦卓,陆锡奎,王庆,白晓龙,李志军. 哈尔滨工程大学学报. 2018(04)
[7]渤海海洋平台不规则锥体抗冰振性能[J]. 王胜永,岳前进,毕祥军,张大勇. 科学技术与工程. 2017(32)
[8]半潜式钻井平台的冰区结构加强[J]. 王丽,傅强,张工,王如壮,侯伟平. 中国海洋平台. 2017(05)
[9]锥体海洋平台结构冰荷载的离散单元分析[J]. 李晔. 船舶力学. 2017(10)
[10]《中国海冰条件及应用》与ISO 19906冰荷载规定比较[J]. 屈衍,张大勇,许宁,资林钦. 哈尔滨工程大学学报. 2018(04)
博士论文
[1]海洋结构物作用下海冰破坏模式及冰载荷的离散元分析[D]. 龙雪.大连理工大学 2019
[2]钢带缠绕复合管力学性能及可靠性分析[D]. 刘婷.浙江大学 2018
[3]径向压力作用下非粘结柔性管极限承载力研究[D]. 原帅.浙江大学 2017
[4]动力定位能力分析方法与控制算法研究[D]. 徐胜文.上海交通大学 2016
[5]基于GPU并行算法的海洋平台及船舶结构冰荷载的离散元分析[D]. 狄少丞.大连理工大学 2015
[6]锥体海洋结构的冰荷载研究[D]. 许宁.大连理工大学 2011
[7]冰塞形成机理与冰盖下速度场和冰粒两相流模拟分析[D]. 王军.合肥工业大学 2007
[8]基于现场实验的海洋结构随机冰荷载分析[D]. 屈衍.大连理工大学 2006
[9]渤海海冰数值模拟及其工程应用[D]. 季顺迎.大连理工大学 2001
硕士论文
[1]1500米半潜平台钻井立管设计与分析[D]. 路程越.东北石油大学 2017
[2]北海半潜式钻井平台防冻除冰技术研究[D]. 杨艳.哈尔滨工程大学 2015
[3]冰区船舶冰载荷及船体结构优化研究[D]. 张永达.大连理工大学 2014
[4]冰与直立型及锥型结构的相互作用力分析[D]. 张帅.哈尔滨工程大学 2013
[5]基于应变测量的海洋平台冰荷载研究[D]. 刘通.大连理工大学 2010
[6]超深水顶端张紧式钻井隔水管结构与VIV疲劳分析[D]. 高峰.哈尔滨工程大学 2010
[7]海冰与锥体抗冰平台相互作用的数值分析[D]. 于佰杰.大连理工大学 2007
[8]破坏模式对锥体结构冰荷载的影响[D]. 韩雷.大连理工大学 2006
[9]冰与直立结构挤压破坏时的极值静冰力[D]. 胡荣.大连理工大学 2006
本文编号：3662267
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