海洋深水钻井隔水管系统力学特征及施工参数优化研究

发布时间：2017-08-04 14:31

  本文关键词：海洋深水钻井隔水管系统力学特征及施工参数优化研究

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【摘要】：目前,世界上还有超过90%的海上油气储量是赋存在海面1000m以下的深水地层中,深水/超深水油气开发是油气工业的重要领域,也是国家深海战略的重要组成,随着深水油气田开发的不断深入,作业和生产过程中安全风险控制成为关注的技术热点和难点,海洋钻井系统中的隔水管是连接平台和水下井口的关键设备,要承受海洋环境和钻井工况的耦合作用,容易发生磨损、破裂等事故,国内外已多次发生因隔水管事故引起重大的经济损失和作业安全问题。考虑到深水海洋环境下隔水管系统受力情况的复杂性,本文分别建立了海流载荷、涡流载荷和波浪载荷的计算模型。并提出了深海和浅海的海流剖面计算模型,对比分析了深水流速剖面计算模型和浅水流速剖面计算模型的剖面数值差异,明确的了浅水流水剖面的适用局限性和建立深水流速剖面的必要性。建立海流载荷计算模型,将系统各位置处的载荷以微元段载荷的形式表现出来。建立涡流载荷的计算模型,根据涡流特征,结合斯托哈尔数,推导涡流载荷的计算表达式。研究发现,若在深水中采用浅水模型会造成海流载荷值和涡流载荷值的计算结果偏小,影响隔水管设计的准确性,增加施工风险。建立波浪载荷计算模型,首先确定了阻力系数和惯性力系数,然后结合Morison方程进行计算。研究发现海浪载荷和涡流载荷变化规律符合正余弦函数变化,此规律有利于计算过程中的力学施加,另外得出海流载荷比涡流载荷和海浪载荷影响范围大,对隔水管系统的能量输入起决定性作用,但在确定浮力块配置方案时,涡流载荷和海浪载荷是重要考虑因素。本文根据力平衡和力矩平衡建立了隔水管四阶动力学方程,采用有限差分进行求解,收敛性良好,稳定性强,迭代误差小,可分析隔水管系统的动、静力学特征。根据理论研究编制了隔水管系统分析软件,适用于隔水管正常工况、极限工况、暂停工况和应急脱落工况设计分析,可优化浮力块配置、顶张力配置和钻井液密度等工况参数。本文研究发现顶张力对隔水管的力学特征影响很大,若张力器无法为隔水管提供足够的顶张力,须安装浮力块,可通过优化浮力块位置和长度减小隔水管系统的涡激振动。本文编制的隔水管系统分析软件可为深水海洋钻井施工提供设计思路和安全性验证。
【关键词】：深水钻井 海洋环境载荷 力学特征 工况分析 参数优化
【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3-4
• ABSTRACT4-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 目的意义9-10
• 1.2 研究现状10-16
• 1.2.1 国内现状10-14
• 1.2.2 国外现状14-16
• 1.3 主要研究内容及研究思路16-17
• 1.3.1 研究内容16
• 1.3.2 研究思路16-17
• 第2章 钻井隔水管系统组成研究17-26
• 2.1 物理模型17-19
• 2.2 隔水管系统部件19-25
• 2.2.1 隔水管单根19-20
• 2.2.2 浮力块20-22
• 2.2.3 快速连接接头22-25
• 2.2.4 辅助管线25
• 2.3 本章小结25-26
• 第3章 隔水管浮力系统波流载荷分析26-47
• 3.1 海流载荷26-31
• 3.1.1 海流26-27
• 3.1.2 海流载荷计算模型27-31
• 3.2 涡流载荷31-33
• 3.2.1 隔水管系统振动频率计算32
• 3.2.2 涡流载荷计算模型32-33
• 3.3 海浪载荷33-36
• 3.3.1 海浪33
• 3.3.2 海浪模型33-35
• 3.3.3 海浪载荷计算模型35-36
• 3.4 深水环境载荷实例计算36-45
• 3.4.1 主要程序流程图37-38
• 3.4.2 计算结果38-45
• 3.5 三维环境载荷分析45-46
• 3.6 本章小结46-47
• 第4章 海洋深水钻井隔水管系统力学模型研究47-57
• 4.1 隔水管力学模型研究47-51
• 4.1.1 建立坐标系47-48
• 4.1.2 载荷分析48-49
• 4.1.3 隔水管系统力学控制方程49-51
• 4.1.4 边界条件51
• 4.2 方程差分及求解51-56
• 4.2.1 网格划分52-53
• 4.2.2 差商替换53
• 4.2.3 差分项合并形式53-54
• 4.2.4 Jacobi迭代求解54-56
• 4.2.5 差分方程收敛性分析56
• 4.3 本章小结56-57
• 第5章 深水钻井隔水管力学特征分析及应用研究57-91
• 5.1 基础数据57-59
• 5.2 深水钻井隔水管系统力学分析结果59-66
• 5.3 隔水管力学特征分析66-79
• 5.3.1 海洋载荷对隔水管力学特征的影响分析66-72
• 5.3.2 深水钻井工况分析及参数优化72-79
• 5.4 深水钻井隔水管动力学特征分析79-87
• 5.4.1 隔水管振动特征分析79-82
• 5.4.2 浮力块配置方案优化82-87
• 5.5 深水钻井隔水管系统力学行为实验研究87-90
• 5.6 深水钻井安全作业对策及技术措施90
• 5.7 本章小结90-91
• 第6章 隔水管浮力系统分析软件编制91-99
• 6.1 软件模块组成及功能描述91-92
• 6.1.1 软件模块组成91-92
• 6.1.2 软件结构框图92
• 6.1.3 编程语言92
• 6.2 软件编制及功能92-98
• 6.2.1 软件计算流程图92-93
• 6.2.2 软件主要功能93-97
• 6.2.3 数据库组成和数据表97-98
• 6.2.4 图形输出98
• 6.3 本章小结98-99
• 第7章 结论及建议99-100
• 7.1 结论99
• 7.2 建议99-100
• 致谢100-101
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果101-102
• 参考文献102-105

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