深水钻井隔水管时域非线性动态响应分析技术研究

通过深水钻井隔水管时域非线性动态性能的研究,建立了相应的深水钻井隔水管时域非线性动态响应分析模型;基于ABAQUS软件,考虑钻井平台有一定的平均偏移、钻井平台位于不同平均偏移位置且在一阶波浪力作用下随机振动以及长期慢漂运动时钻井平台位于不同平均偏移位置且在一阶和二阶波浪力作用下随机振动等3种主要边界条件,通过实际算例对深水钻井隔水管的随机振动特性进行了仿真分析与对比。研究结论可以为今后深水钻井隔水管的设计与使用提供参考。     

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随着海洋油气钻井向深水领域发展，钻井隔水管的受力越来越复杂，钻井隔水管的力学分析显得越来越重要。建立了深水钻井时在海流、波浪等海洋环境载荷的作用下，深水隔水管强度分析的三维有限元力学模型，考虑了隔水管在外载作用下的小应变大变形和轴向力影响的特点，引入了非线性理论，使计算结果更加符合实际情况。深水钻井隔水管一般要承受复杂的三维载荷，即波浪力和海流不在一个受力平面上。文章还针对深水钻井隔水管的实际受力情况，重点研究了海底暗流对钻井隔水管强度的影响。并对弯曲载荷分布规律进行了计算分析。研究表明，而在隔水管靠近水面的位置，其弯曲载荷最大。在这些弯曲载荷大的位置，应特别注意隔水管的强度问题。暗流对海洋深水钻井隔水管的弯曲强度产生显著的影响，在进行隔水管强度设计及现场钻井作业中，应特别考虑暗流的存在及其对隔水管强度的影响。     

考虑钻柱作用的深海隔水管柱力学分析

隔水管作为海洋石油钻井的重要设备,其安全使用直接关系到整个钻井作业的顺利完成,甚至关系到钻井平台的安全。目前关于隔水管的研究主要集中在海洋环境载荷及钻井平台漂移影响下的隔水管柱力学分析,对于隔水管内部钻柱这一影响因素研究较少,这给计算结果带来了较大误差。考虑起钻过程中钻柱侧向力、轴向摩阻对隔水管横向位移、弯矩的影响,建立了深水钻井时隔水管柱力学模型,用数值差分法进行求解。研究结果表明:考虑钻柱影响下隔水管横向变形影响幅度增加7.9%。靠近水面的位置,隔水管所受弯曲载荷最大。该模型为海洋隔水管设计、安全使用、以及深水钻井井口安全等提供理论分析方法。     

深水钻井隔水管与地层管柱耦合力学分析

在深水钻井作业过程中,隔水管的安全对整个钻井过程至关重要。为了研究钻井系统在复杂海洋环境以及海底地质条件下的力学行为,综合考虑了海流载荷、海底地基反力、张紧力以及平台偏移量等因素,建立了隔水管与井口系统耦合的力学模型。采用解析法和有限元法结合,对力学模型进行了求解,并分析了张紧力和平台偏移量对隔水管和地层组合管柱力学行为的影响。分析结果表明:随着平台偏移量的增大,隔水管与地层组合管柱的横向位移相应增大;增加张紧力可以减小隔水管和地层组合管柱的横向位移和截面弯矩,有利于隔水管的稳定。研究结果对深水隔水管钻井作业具有指导意义。     

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随着海洋油气钻井向深水领域发展，钻井隔水管的受力越来越复杂，随着水深的增加，钻井隔水管的力学分析显得越来越重要。为此，文章建立了深水钻井时在海流、波浪等海洋环境载荷的作用下，隔水管静态分析及动力学分析的三维有限元力学模型，在研究中，考虑了隔水管在外载作用下的小应变大变形和轴向力影响的特点，引入了非线性理论，因而计算结果更加符合实际情况。考虑了隔水管所受的三维载荷，对深水钻井隔水管的变形及载荷分布规律进行了计算分析。对于深水钻井隔水管，水下中间部位的变形最大；而在隔水管靠近水面的位置，其弯曲载荷最大，而现场隔水管失效事故也恰好证实了此研究结果，揭示了深水钻井隔水管失效的力学机理。在弯曲载荷大的位置，应特别注意隔水管的强度问题。文章还分析了风浪流速度、波浪周期、波高等重要的海洋环境载荷对隔水管变形及强度的影响。     

深水钻井隔水管纵横弯曲变形解析

为了准确获得深水钻井隔水管的静力学响应,给出了任意连续横向载荷作用下隔水管静力学位移响应的解析解。首先将隔水管纵向离散成若干梁单元,建立单元任意连续横向载荷作用下隔水管静态控制方程;然后通过对控制方程进行降阶变换求得其特解,并由节点的连续条件及边界条件提出了此方程隔水管位移响应的解析解表达式;最后以矩形流作用下隔水管位移响应问题为例,定量计算了隔水管的最大横向变形及其位置,结果达到要求。     

轴向载荷对海洋深水钻井隔水管力学特性的影响分析

文章建立了深水钻井时在海流、波浪等海洋环境载荷的作用下,隔水管及底部球接头静态分析的三维有限元力学模型,考虑了隔水管在外载作用下的小应变、大变形和轴向力影响等特点,引入了非线性理论,其计算结果更加符合实际情况。海洋深水钻井隔水管的轴向载荷对其力学特性有显著的影响,因此．在实际钻井作业过程中,隔水管顶部应保持足够的张力,避免隔水管处于受压状态。     

深水环境下隔水管的横向变形与弯矩分析

鉴于很少有人对钻井隔水管横向变形和弯矩进行研究的现状,通过对深水隔水管海洋环境载荷分析,获得了波动载荷分布规律,并分析了张力比与船体偏移量对隔水管横向变形和弯矩的影响。建立隔水管模型时忽略波浪的动载效应,按准静态方法处理波浪载荷的作用。分析结果表明,随着顶部张力比增大,隔水管横向变形减小,且最大横向变形处于隔水管的中间部位;近海平面区隔水管弯矩受张力比的影响小,在深水区随着张力比增大,隔水管弯矩减小,变化幅度较大;随着钻井船偏移量增加,隔水管横向变形增大;近海平面区隔水管弯矩受钻井船偏移量影响较小,深水区隔水管弯矩随偏移量的增加而增大。     

海洋钻井隔水管-钻井液横向耦合振动特性

针对钻井隔水管与钻井液在上返流动状态下的震动问题,推导了横向耦合振动的微分方程,通过方程求解得出了耦合振动的动力响应表达式及耦合振动下隔水管最大振动位移,并讨论了顶张力、隔水管壁厚、钻井液上返流速、水深、波高、波浪周期对隔水管横向振动位移的影响。结果表明:考虑钻井液流动条件下得到的隔水管横向最大振动位移要大于不考虑钻井液流动时计算结果;最大横向振动位移随顶张力及水深的增大而减小,随环空钻井液返速及波高的增大而增大,当隔水管壁厚及波浪周期变化引起隔水管横向振动固有频率与波浪横向振动频率相接近时,隔水管的横向振动位移将急剧增大,对隔水管的安全设计与评估具有一定的参考价值。     

深海水域钻井隔水管力学特性分析

由于深海水域的环境条件比较恶劣,钻井隔水管的受力状况比较复杂,只有通过分析深海水域钻井隔水管力学特性,才能准确判断其强度和稳定性。利用有限元分析方法建立了海浪、海流等复杂海况作用下深水隔水管受力分析计算模型。在力学模型建立过程中,对海浪、海流作用方式进行了简化处理,并考虑了各种工况条件下隔水管受力状态,提出了波浪有效作用深度的确定方法,得出了波浪载荷的有效作用深度与波高、周期都有一定的关系,波高越大,周期越小,作用深度就较深,反之亦然。同时,利用ANSYS软件,分析了不同载荷作用方式下隔水管在不同水深处的应力及变形变化规律,为深水环境条件下隔水管柱强度设计提供了科学依据。     

海洋钻井隔水管的动力响应

海洋钻井隔水管在交变载荷波浪力作用下发生振动，从而偏离原来的位置，严重时可使钻具遭到破坏，造成钻井中断。采用泛函变分法导出了隔水管的振动微分方程。利用微分方程和边界条件可确定动力响应的通式，将通式代入泛函并求极值，即可得出具体条件下隔水管的动力响应。东海水深２００米，海浪最大波高１５米，周期１３秒。按这种极限海况，应用上述方法对在东海作业的“勘探３号”隔水管的动力响应进行了计算，结果表明，该隔水管中上部距海底１４２米处有最大振动位移３．０６米。     

内外流体流动下隔水管横向振动模型的探讨

随着水深的增加,隔水管受力状态更加复杂,增加了强度和稳定性的分析难度。考虑了隔水管受到内外流体流动及轴力共同作用,并运用达朗贝尔原理对微元管段进行受力分析,导出隔水管的横向振动偏微分方程。分析了影响隔水管横向振动的因素,所得到的结论可为钻井隔水管的正确设计和使用提供参考。     

海洋钻井隔水管适用性评价技术研究

根据海洋钻井隔水管自身特点,采用基于断裂力学的单根适用性评价方法,考虑隔水管疲劳载荷特点和海浪的随机载荷影响,通过分析和控制缺陷扩展可以避免疲劳失效,并进行剩余疲劳寿命预测。计算实例表明,波浪载荷是造成海洋钻井隔水管疲劳损伤的重要原因,海洋钻井隔水管的初始裂纹尺寸a0越小,其疲劳寿命越长,反之,则寿命越短。因此,提高裂纹检测水平,以及尽早发现细小缺陷对延长钻井隔水管的剩余寿命至关重要。     

钻井隔水管涡激振动监测装置海上试验

涡激振动引起的应力和疲劳损伤是影响钻井隔水管作业安全的重要因素,设计阶段往往采用严苛的海洋环境参数,虽然可以保证系统安全,但是却会影响钻井时效。本文利用加速度监测装置对南海X-1井进行了隔水管的涡激振动监测,通过对监测数据的频谱分析,发现隔水管产生涡激振动的频谱具有明显的锁频特征,并且涡激振动并不存在于整个作业过程,因此在实际作业阶段隔水管参与涡激振动的模态最高阶次存在超过设计预期水平的可能性。本文提出根据实测数据预测和评估钻井隔水管涡激振动响应的方法,对保证隔水管系统作业安全具有重要意义。     

深水钻井隔水管与防喷器紧急脱离后的反冲响应分析

深水钻井中,若底部隔水管总成与防喷器紧急脱离,隔水管会反冲,易导致钻井事故。为了解隔水管紧急脱离后的反冲响应规律,分析了隔水管反冲产生的原因及反冲响应过程,明确了隔水管反冲响应的机理和关键影响因素。在此基础上,建立了隔水管张紧器及钻井液下泄分析模型,以探究张紧力随活塞冲程变化的规律及钻井液下泄时作用在隔水管上的摩擦力随时间变化的规律。综合考虑各关键影响因素,基于ANSYS有限元分析软件,建立了隔水管反冲响应分析模型,并以1 500 m水深钻井中的隔水管为例,计算、分析了不同紧急脱离时刻和顶部张紧力条件下的反冲响应。分析结果表明,与防喷器紧急脱离后,隔水管在顶部张紧力作用下加速向上反冲,伸缩节冲程减小。研究认为,紧急脱离的时间与顶部张紧力的大小对隔水管反冲响应有重要影响,因此应合理选择紧急脱离时刻和顶部张紧力,以保证紧急脱离条件下深水钻井隔水管系统的作业安全。