發(fā)布時(shí)間：2015-01-18 09:57

 

【摘要】 海洋深水資源鉆探是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外最前沿的鉆井技術(shù)之一，由于深水鉆井平臺(tái)處于惡劣、復(fù)雜的海洋環(huán)境中，海上鉆井相比陸上鉆井具有難度大、要求高等特點(diǎn)。本文研究對(duì)象是與海洋深水鉆井工程關(guān)系密切的部件——深水鉆井隔水管。深水鉆井隔水管是連接海上平臺(tái)與海底井口的重要結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是易受海流破壞的關(guān)鍵部件。隨著作業(yè)水深增加，隔水管長(zhǎng)度加長(zhǎng)，隔水管受力狀態(tài)變得更加復(fù)雜，隔水管疲勞破壞問(wèn)題日漸突出，因此深水鉆井隔水管系統(tǒng)力學(xué)分析是一項(xiàng)重要的研究課題。本文系統(tǒng)開(kāi)展了深水鉆井隔水管系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)及力學(xué)耦合行為的研究工作，主要研究?jī)?nèi)容包括：(1)深水鉆井隔水管橫向振動(dòng)響應(yīng)分析分析并計(jì)算影響隔水管橫向振動(dòng)的各種海洋環(huán)境載荷，如海流、波浪、海風(fēng)、海潮、海冰等，再根據(jù)深水隔水管小應(yīng)變大變形的受力變形特點(diǎn)，應(yīng)用達(dá)朗貝爾原理建立考慮鉆柱影響的深水隔水管橫向振動(dòng)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用有限差分?jǐn)?shù)值法對(duì)深水隔水管的受力變形情況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析。(2)深水鉆井隔水管橫向振動(dòng)敏感性因素分析影響深水隔水管動(dòng)力響應(yīng)的因素較多，如隔水管頂部張力、海流波浪運(yùn)動(dòng)參數(shù)、平臺(tái)漂移、隔水管輔助結(jié)構(gòu)等。本文從隔水管系統(tǒng)的頂部張力變化、隔水管浮力塊安放、波浪運(yùn)動(dòng)周期，以及鉆井平臺(tái)漂移情況對(duì)深水隔水管動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行敏感性因素分析，分析結(jié)果可以為隔水管設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。(3)考慮輔助管線影響下深水鉆井隔水管渦激效果分析與評(píng)價(jià)應(yīng)用數(shù)值模擬軟件—FLUENT對(duì)海洋深水隔水管渦激振動(dòng)效果進(jìn)行數(shù)值模擬分析，本文主要模擬分析影響渦激效果的兩個(gè)參數(shù)：與海水流向垂直渦激的升力系數(shù)和順流向渦激的阻力系數(shù)，以此作為分析及評(píng)價(jià)隔水管渦激效果。首先，模擬單圓柱繞流下隔水管渦激振動(dòng)響應(yīng)，模擬結(jié)果與經(jīng)典實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證模擬條件的準(zhǔn)確性；然后，重點(diǎn)研究輔助管線如何影響隔水管渦激振動(dòng)，通過(guò)分析渦激振動(dòng)的升力和阻力系數(shù)，并應(yīng)用頻譜響應(yīng)分析方法對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，給出了輔助管線影響下隔水管渦脫落定量描述。(4)深水鉆井隔水管與頂部張力系統(tǒng)耦合分析深水鉆井隔水管除了受鉆井船的升沉、橫搖、縱搖等因素的影響外，頂部張力系統(tǒng)也會(huì)對(duì)隔水管頂部產(chǎn)生兩個(gè)方向的橫向激勵(lì)，即平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)和離面運(yùn)動(dòng)激勵(lì)。本文建立了頂部張力系統(tǒng)與隔水管耦合作用模型，該模型考慮了實(shí)測(cè)海洋浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，為準(zhǔn)確分析考慮頂部張力系統(tǒng)作用下深水鉆井隔水管運(yùn)動(dòng)響應(yīng)提供一種方法。(5)深水鉆井隔水管與內(nèi)部作業(yè)鉆柱耦合分析深水鉆井隔水管動(dòng)力響應(yīng)的另外一個(gè)重要影響因素即為鉆柱的作用。通常情況下，隔水管內(nèi)部鉆柱有兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即繞鉆柱自身旋轉(zhuǎn)的自轉(zhuǎn)，以及繞隔水管內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)的公轉(zhuǎn)，同時(shí)還伴隨著鉆柱振動(dòng)。本文根據(jù)力平衡原理，建立一種鉆柱與隔水管耦合作用數(shù)學(xué)模型，給出模型求解方法，并對(duì)鉆柱的影響效果進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析。(6)考慮應(yīng)力比條件下深水鉆井隔水管疲勞壽命分析深水隔水管在復(fù)雜海洋環(huán)境中受交變應(yīng)力載荷作用，其使用的安全性十分重要。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)分析隔水管的應(yīng)力狀態(tài)及疲勞壽命顯得十分必要，本文應(yīng)用斷裂力學(xué)理論中帶裂紋結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)模型對(duì)隔水管在交變應(yīng)力載荷作用下疲勞壽命進(jìn)行模擬分析，該方法為復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)隔水管使用壽命提供理論分析方法。 

第一章 緒  論

隨著對(duì)海洋油氣資源的不斷勘探與開(kāi)發(fā)，海上石油勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)也在不斷進(jìn)步，海洋石油勘探開(kāi)發(fā)范圍已經(jīng)從淺水(<500m)向深水(500-1500m)、超深水(>l500m)方向發(fā)展，且隨著作業(yè)水深的增加，對(duì)海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)程度也不斷加深，因此，深水油氣資源的開(kāi)發(fā)必將成為世界石油工業(yè)的主要增長(zhǎng)點(diǎn)和世界科技創(chuàng)新的前沿[6-7]。然而，如果要加大海洋勘探開(kāi)發(fā)的深度，海洋深水鉆探設(shè)備則是首先要攻克的難題，近年來(lái)，用于海洋油氣資源開(kāi)發(fā)的浮體平臺(tái)數(shù)量逐年急劇增加，相比陸地油氣開(kāi)發(fā)方式，海洋平臺(tái)開(kāi)發(fā)油氣資源具有體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴等特點(diǎn)，同時(shí)，隨著作業(yè)水深的增加，海洋浮體平臺(tái)所處的海洋環(huán)境將會(huì)更加復(fù)雜惡劣，海風(fēng)、海浪、海流、海冰、潮汐和地震等災(zāi)害對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)物的安全性帶來(lái)巨大威脅，特別是在極端海況條件下，波浪載荷作用對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)和沖擊載荷的動(dòng)力放大效應(yīng)更為明顯，海洋結(jié)構(gòu)物安全性存在嚴(yán)重隱患。因此，有必要對(duì)深水鉆井平臺(tái)以及深水鉆井作業(yè)設(shè)備進(jìn)行課題攻關(guān)，為海洋深水油氣資源開(kāi)發(fā)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
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第二章 深水鉆井隔水管系統(tǒng)載荷分析

2.1  深水鉆井隔水管系統(tǒng)組成及破壞形式
海洋鉆井隔水管裝置是由多個(gè)相同的隔水管單根連接構(gòu)成，主要用于海洋鉆井平臺(tái)(或鉆井船)鉆井作業(yè)。深水鉆井隔水管系統(tǒng)是一套連接浮體平臺(tái)至海底 BOP 的輸送流體的通道，安裝水下 BOP，支撐各種控制管線，同時(shí)也為鉆桿、鉆鋌等井下鉆井工具提供導(dǎo)向作業(yè)空間。主要用來(lái)隔離海水、引導(dǎo)鉆具和循環(huán)鉆井液，此外，隔水管底部結(jié)構(gòu)起到固定海底井口等作用。隔水管長(zhǎng)度隨著水深的增加而增加，且其受力狀態(tài)也會(huì)變得更加復(fù)雜，因此，有必要對(duì)隔水管的使用安全進(jìn)行理論分析及研究。節(jié)流和壓井管線材料通常是X52、X65、X80，其屈服強(qiáng)度分別為358.0MPa、540.0MPa、551.6MPa。在深水情況下，節(jié)流與壓井線的內(nèi)徑通常為 0.1143m，有利于降低管內(nèi)流體流動(dòng)摩擦引起的壓力損耗。鉆井工程中，，節(jié)流與壓井管線內(nèi)壓最高可達(dá) 100MPa 以上，因此，節(jié)流與壓井管線的密封設(shè)計(jì)要求十分嚴(yán)格，如果密封設(shè)計(jì)不合理或加工工藝不達(dá)標(biāo)，將會(huì)給深水鉆井帶來(lái)重大危害，因此，該技術(shù)也是隔水管研制中關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.2  深水鉆井隔水管系統(tǒng)載荷分析
波理論主要包括以下幾種：線性波理論中微幅波理論(Airy 波理論)，非線性波理論中Stokes波理論、橢圓余弦波理論、駐波理論、流函數(shù)理論等。微幅波理論是波浪理論中最基本、最重要的內(nèi)容，也是近海工程中應(yīng)用的最廣泛的部分。然而，海洋實(shí)際環(huán)境中波浪的波幅一般是有限的，有時(shí)能達(dá)到較大的數(shù)值，因此要考慮波動(dòng)自由表面引起的非線性，因此，非線性波理論不斷發(fā)展，其中，非線性波理論中又以斯托克斯(Stokes)波理論使用范圍最廣泛[81]。 英國(guó)流體力學(xué)家 Stokes于1883年發(fā)展的有限幅波理論占重要地位，1887年，建立了Stokes波理論[82]。Stokes 根據(jù)勢(shì)波理論考慮了波陡的影響，證明波面不再為簡(jiǎn)單的余弦形式，而是呈波峰較窄而波谷較寬的接近于擺線的規(guī)律，這是和實(shí)際余波的波面頗為相近。此外，水質(zhì)點(diǎn)不是簡(jiǎn)單地沿著封閉軌道運(yùn)動(dòng)，而是在沿著波浪傳播方向上有一微小的純位移的近似于圓或橢圓的軌道上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。波浪運(yùn)動(dòng)中伴隨有“質(zhì)量遷移”，這也是符合于波浪運(yùn)動(dòng)的實(shí)際現(xiàn)象的。所謂的 Stokes 波是用有限個(gè)簡(jiǎn)單的頻率成比例的余弦波來(lái)逼近具有單一周期的規(guī)則的有限振幅波，表2-3列出了Stokes五階波各參數(shù)的計(jì)算公式。

第三章 深水鉆井隔水管橫向振動(dòng)響應(yīng)分析 ..................................................... 30

3.1  深水鉆井隔水管橫向振動(dòng)響應(yīng)模型 ................................................ 30

第四章 深水鉆井隔水管渦激振動(dòng)模擬分析 ........................................ 47

4.1  數(shù)值模擬環(huán)境基本情況 .................................... 47

4.2  隔水管渦激振動(dòng)模型 .......................................... 48

第五章 深水鉆井隔水管系統(tǒng)力學(xué)耦合分析 ..................................................... 72

5.1  隔水管與頂部張力系統(tǒng)力學(xué)耦合行為 ................................................ 72

5.2  考慮隔水管變形條件下動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析 ...................................... 78

5.2.1  隔水管變形條件下動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型 ................................................ 79

5.2.2  動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型邊界條件 ............................... 81

第五章 深水鉆井隔水管系統(tǒng)力學(xué)耦合分析

5.1  隔水管與頂部張力系統(tǒng)力學(xué)耦合行為
由于受鉆井船的升沉、橫搖、縱搖等因素的影響，隔水管頂部張力系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方向的橫向激勵(lì)，一個(gè)是平面內(nèi)、一個(gè)是離面運(yùn)動(dòng)的作用力。根據(jù)前面給出的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，首先對(duì)張力系統(tǒng)張力繩對(duì)數(shù)進(jìn)行敏感性分析，如圖 5.7 所示。由圖 5.7 可以看出，在給定的條件下，隨著張力繩數(shù)的增加，橫向作用力降低，而且，F(xiàn)I和 FO兩側(cè)的橫向激發(fā)力相差較大，頂部張力繩數(shù)對(duì)離面運(yùn)動(dòng)更為敏感，因此，通過(guò)增加張力繩數(shù)量可以顯著降低離面的橫向載荷。

5.2 考慮隔水管變形條件下動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析
隔水管在使用過(guò)程中還有一個(gè)重要的因素，就是鉆柱對(duì)隔水管的影響。隔水管內(nèi)部作業(yè)鉆柱在通常情況下有兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即繞鉆柱自身旋轉(zhuǎn)的自轉(zhuǎn)，以及鉆柱繞隔水管內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的公轉(zhuǎn)，同時(shí)還伴隨著鉆柱振動(dòng)。考慮內(nèi)部鉆柱作用下隔水管力學(xué)分析對(duì)海洋深水井口安全和鉆井作業(yè)具有重要意義[137-138]，建立隔水管力學(xué)分析模型時(shí)，應(yīng)將鉆柱對(duì)它的影響加以考慮，本章中建立了隔水管靜力分析模型，考慮起鉆工況過(guò)程中鉆柱對(duì)隔水管橫向位移響應(yīng)的影響，假定鉆柱緊貼隔水管彎曲變形下側(cè)，在井眼中緊貼下井壁，如圖5.14所示。該模型在傳統(tǒng)的隔水管靜力學(xué)分析模型基礎(chǔ)上，增加考慮了內(nèi)部鉆柱的影響，模型中將鉆柱與隔水管之間的接觸力進(jìn)行耦合，得出了鉆柱與隔水管耦合分析模型。
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結(jié)  論

通過(guò)理論研究與分析，可以得到以下結(jié)論：
 (1)根據(jù)海洋環(huán)境載荷作用下深水隔水管小應(yīng)變大變形的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)用達(dá)朗貝爾原理建立了考慮內(nèi)部鉆柱的深水隔水管橫向振動(dòng)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用有限差分法建立了數(shù)值計(jì)算模型，應(yīng)用數(shù)值計(jì)算軟件 Matlab 編程對(duì)深水隔水管的受力變形情況進(jìn)行求解，該模型可求解出不同時(shí)刻、不同水深處隔水管橫向振動(dòng)位移、隔水管所受彎矩、剪力以及轉(zhuǎn)角等重要參數(shù)，該模型可為海洋深水鉆井隔水管動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及深水隔水管設(shè)計(jì)提供理論支撐及技術(shù)指導(dǎo)。
 (2)本文從深水鉆井隔水管頂部張力變化、隔水管浮力塊安放、波浪運(yùn)動(dòng)周期，以及鉆井平臺(tái)漂移情況幾個(gè)方面對(duì)深水隔水管動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行敏感性因素分析。分析結(jié)果表明：隨著隔水管頂部張力的增加，隔水管頂部變形明顯減��；隨著平臺(tái)橫向漂移距離增加，隔水管的橫向變形越嚴(yán)重；隔水管靠近海平面的位置，其承受的彎曲載荷最大，且隨著波浪周期性變化承受交變應(yīng)力載荷；在水下 0-200m 范圍內(nèi)，隔水管承受的交變彎曲載荷最大，隔水管設(shè)計(jì)及使用過(guò)程中應(yīng)特別注意該部位強(qiáng)度問(wèn)題。敏感性因素分析結(jié)果可以為深水隔水管設(shè)計(jì)、優(yōu)化隔水管的受力變形狀態(tài)提供理論依據(jù)，避免隔水管早期疲勞破壞。
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