發(fā)布時間：2015-01-18 09:57

 

【摘要】 海洋深水資源鉆探是當前國內外最前沿的鉆井技術之一，由于深水鉆井平臺處于惡劣、復雜的海洋環(huán)境中，海上鉆井相比陸上鉆井具有難度大、要求高等特點。本文研究對象是與海洋深水鉆井工程關系密切的部件——深水鉆井隔水管。深水鉆井隔水管是連接海上平臺與海底井口的重要結構，同時也是易受海流破壞的關鍵部件。隨著作業(yè)水深增加，隔水管長度加長，隔水管受力狀態(tài)變得更加復雜，隔水管疲勞破壞問題日漸突出，因此深水鉆井隔水管系統力學分析是一項重要的研究課題。本文系統開展了深水鉆井隔水管系統動力響應及力學耦合行為的研究工作，主要研究內容包括：(1)深水鉆井隔水管橫向振動響應分析分析并計算影響隔水管橫向振動的各種海洋環(huán)境載荷，如海流、波浪、海風、海潮、海冰等，再根據深水隔水管小應變大變形的受力變形特點，應用達朗貝爾原理建立考慮鉆柱影響的深水隔水管橫向振動數學模型，應用有限差分數值法對深水隔水管的受力變形情況進行數值模擬計算分析。(2)深水鉆井隔水管橫向振動敏感性因素分析影響深水隔水管動力響應的因素較多，如隔水管頂部張力、海流波浪運動參數、平臺漂移、隔水管輔助結構等。本文從隔水管系統的頂部張力變化、隔水管浮力塊安放、波浪運動周期，以及鉆井平臺漂移情況對深水隔水管動力響應進行敏感性因素分析，分析結果可以為隔水管設計提供理論依據。(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價應用數值模擬軟件—FLUENT對海洋深水隔水管渦激振動效果進行數值模擬分析，本文主要模擬分析影響渦激效果的兩個參數：與海水流向垂直渦激的升力系數和順流向渦激的阻力系數，以此作為分析及評價隔水管渦激效果。首先，模擬單圓柱繞流下隔水管渦激振動響應，模擬結果與經典實驗結果基本一致，驗證模擬條件的準確性；然后，重點研究輔助管線如何影響隔水管渦激振動，通過分析渦激振動的升力和阻力系數，并應用頻譜響應分析方法對模擬結果進行數據處理，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，頂部張力系統也會對隔水管頂部產生兩個方向的橫向激勵，即平面內運動和離面運動激勵。本文建立了頂部張力系統與隔水管耦合作用模型，該模型考慮了實測海洋浮體的運動響應，為準確分析考慮頂部張力系統作用下深水鉆井隔水管運動響應提供一種方法。(5)深水鉆井隔水管與內部作業(yè)鉆柱耦合分析深水鉆井隔水管動力響應的另外一個重要影響因素即為鉆柱的作用。通常情況下，隔水管內部鉆柱有兩種運動狀態(tài)，即繞鉆柱自身旋轉的自轉，以及繞隔水管內壁旋轉的公轉，同時還伴隨著鉆柱振動。本文根據力平衡原理，建立一種鉆柱與隔水管耦合作用數學模型，給出模型求解方法，并對鉆柱的影響效果進行評價與分析。(6)考慮應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雜海洋環(huán)境中受交變應力載荷作用，其使用的安全性十分重要。準確預測分析隔水管的應力狀態(tài)及疲勞壽命顯得十分必要，本文應用斷裂力學理論中帶裂紋結構疲勞壽命預測模型對隔水管在交變應力載荷作用下疲勞壽命進行模擬分析，該方法為復雜應力狀態(tài)隔水管使用壽命提供理論分析方法。 

第一章 緒  論

隨著對海洋油氣資源的不斷勘探與開發(fā)，海上石油勘探開發(fā)技術也在不斷進步，海洋石油勘探開發(fā)范圍已經從淺水(<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，對海洋油氣資源的開發(fā)程度也不斷加深，因此，深水油氣資源的開發(fā)必將成為世界石油工業(yè)的主要增長點和世界科技創(chuàng)新的前沿[6-7]。然而，如果要加大海洋勘探開發(fā)的深度，海洋深水鉆探設備則是首先要攻克的難題，近年來，用于海洋油氣資源開發(fā)的浮體平臺數量逐年急劇增加，相比陸地油氣開發(fā)方式，海洋平臺開發(fā)油氣資源具有體積大、結構復雜、造價昂貴等特點，同時，隨著作業(yè)水深的增加，海洋浮體平臺所處的海洋環(huán)境將會更加復雜惡劣，海風、海浪、海流、海冰、潮汐和地震等災害對海洋工程結構物的安全性帶來巨大威脅，特別是在極端海況條件下，波浪載荷作用對海洋結構物的振動和沖擊載荷的動力放大效應更為明顯，海洋結構物安全性存在嚴重隱患。因此，有必要對深水鉆井平臺以及深水鉆井作業(yè)設備進行課題攻關，為海洋深水油氣資源開發(fā)打下堅實基礎。
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第二章 深水鉆井隔水管系統載荷分析

2.1  深水鉆井隔水管系統組成及破壞形式
海洋鉆井隔水管裝置是由多個相同的隔水管單根連接構成，主要用于海洋鉆井平臺(或鉆井船)鉆井作業(yè)。深水鉆井隔水管系統是一套連接浮體平臺至海底 BOP 的輸送流體的通道，安裝水下 BOP，支撐各種控制管線，同時也為鉆桿、鉆鋌等井下鉆井工具提供導向作業(yè)空間。主要用來隔離海水、引導鉆具和循環(huán)鉆井液，此外，隔水管底部結構起到固定海底井口等作用。隔水管長度隨著水深的增加而增加，且其受力狀態(tài)也會變得更加復雜，因此，有必要對隔水管的使用安全進行理論分析及研究。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)流與壓井線的內徑通常為 0.1143m，有利于降低管內流體流動摩擦引起的壓力損耗。鉆井工程中，，節(jié)流與壓井管線內壓最高可達 100MPa 以上，因此，節(jié)流與壓井管線的密封設計要求十分嚴格，如果密封設計不合理或加工工藝不達標，將會給深水鉆井帶來重大危害，因此，該技術也是隔水管研制中關鍵技術之一。

2.2  深水鉆井隔水管系統載荷分析
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、流函數理論等。微幅波理論是波浪理論中最基本、最重要的內容，也是近海工程中應用的最廣泛的部分。然而，海洋實際環(huán)境中波浪的波幅一般是有限的，有時能達到較大的數值，因此要考慮波動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]。 英國流體力學家 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 根據勢波理論考慮了波陡的影響，證明波面不再為簡單的余弦形式，而是呈波峰較窄而波谷較寬的接近于擺線的規(guī)律，這是和實際余波的波面頗為相近。此外，水質點不是簡單地沿著封閉軌道運動，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行運動。波浪運動中伴隨有“質量遷移”，這也是符合于波浪運動的實際現象的。所謂的 Stokes 波是用有限個簡單的頻率成比例的余弦波來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五階波各參數的計算公式。

第三章 深水鉆井隔水管橫向振動響應分析 ..................................................... 30

3.1  深水鉆井隔水管橫向振動響應模型 ................................................ 30

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

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

4.2  隔水管渦激振動模型 .......................................... 48

第五章 深水鉆井隔水管系統力學耦合分析 ..................................................... 72

5.1  隔水管與頂部張力系統力學耦合行為 ................................................ 72

5.2  考慮隔水管變形條件下動態(tài)響應分析 ...................................... 78

5.2.1  隔水管變形條件下動態(tài)響應模型 ................................................ 79

5.2.2  動態(tài)響應模型邊界條件 ............................... 81

第五章 深水鉆井隔水管系統力學耦合分析

5.1  隔水管與頂部張力系統力學耦合行為
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會產生兩個方向的橫向激勵，一個是平面內、一個是離面運動的作用力。根據前面給出的基礎數據，首先對張力系統張力繩對數進行敏感性分析，如圖 5.7 所示。由圖 5.7 可以看出，在給定的條件下，隨著張力繩數的增加，橫向作用力降低，而且，FI和 FO兩側的橫向激發(fā)力相差較大，頂部張力繩數對離面運動更為敏感，因此，通過增加張力繩數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態(tài)響應分析
隔水管在使用過程中還有一個重要的因素，就是鉆柱對隔水管的影響。隔水管內部作業(yè)鉆柱在通常情況下有兩種運動狀態(tài)，即繞鉆柱自身旋轉的自轉，以及鉆柱繞隔水管內壁旋轉運動的公轉，同時還伴隨著鉆柱振動�？紤]內部鉆柱作用下隔水管力學分析對海洋深水井口安全和鉆井作業(yè)具有重要意義[137-138]，建立隔水管力學分析模型時，應將鉆柱對它的影響加以考慮，本章中建立了隔水管靜力分析模型，考慮起鉆工況過程中鉆柱對隔水管橫向位移響應的影響，假定鉆柱緊貼隔水管彎曲變形下側，在井眼中緊貼下井壁，如圖5.14所示。該模型在傳統的隔水管靜力學分析模型基礎上，增加考慮了內部鉆柱的影響，模型中將鉆柱與隔水管之間的接觸力進行耦合，得出了鉆柱與隔水管耦合分析模型。
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結  論

通過理論研究與分析，可以得到以下結論：
 (1)根據海洋環(huán)境載荷作用下深水隔水管小應變大變形的結構特點，應用達朗貝爾原理建立了考慮內部鉆柱的深水隔水管橫向振動數學模型，應用有限差分法建立了數值計算模型，應用數值計算軟件 Matlab 編程對深水隔水管的受力變形情況進行求解，該模型可求解出不同時刻、不同水深處隔水管橫向振動位移、隔水管所受彎矩、剪力以及轉角等重要參數，該模型可為海洋深水鉆井隔水管動力學響應及深水隔水管設計提供理論支撐及技術指導。
 (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、波浪運動周期，以及鉆井平臺漂移情況幾個方面對深水隔水管動力響應進行敏感性因素分析。分析結果表明：隨著隔水管頂部張力的增加，隔水管頂部變形明顯減�。浑S著平臺橫向漂移距離增加，隔水管的橫向變形越嚴重；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力載荷；在水下 0-200m 范圍內，隔水管承受的交變彎曲載荷最大，隔水管設計及使用過程中應特別注意該部位強度問題。敏感性因素分析結果可以為深水隔水管設計、優(yōu)化隔水管的受力變形狀態(tài)提供理論依據，避免隔水管早期疲勞破壞。
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本文編號：11661