基于AMESim的隔水管张紧器抗反冲控制研究

作为浮式钻井隔水管系统的关键装备,国产隔水管张紧器因其抗反冲控制试验难度大、成本高、风险不可控等因素,制约着产品的工业化应用进程。为降低隔水管张紧器的海试应用风险,提高张紧器抗反冲控制效果,以AMESim软件为仿真平台,选用南海某浮式钻井平台的隔水管系统为依据,建立抗反冲阀、张紧器、隔水管串及控制系统等相关模型,并搭建抗反冲控制系统,研究控制参数及脱离时刻对抗反冲控制的影响。研究结果表明:液缸位置-主阀开度控制曲线是抗反冲控制的关键因素;不同的脱离时刻对于张紧器抗反冲控制效果影响较大,为避免脱离时隔水管串出现局部弯曲的现象,建议脱离时刻选取在平台升沉曲线180°相位的附近。研究结果可为隔水管张紧器的控制逻辑优化和海试应用提供一定的依据。     

隔水管张紧装置抗反冲控制算法适应性研究

为进一步验证隔水管张紧器在紧急脱离时抗反冲控制的适应性,建立了隔水管系统抗反冲控制仿真模型,采用AMESim平台分别进行了位置和速度两种抗反冲控制算法的建模,针对不同海况、钻井液密度及脱离时间等工况的模型输入参数,研究了两种算法的适应性。研究结果表明:利用张紧装置进行隔水管紧急脱离的抗反冲控制是一种切实有效的途径;张紧装置适配船型的最大紧急脱离海况为7级;速度控制算法适用于钻井液密度较低的情况,而位置控制算法适应性更广;紧急脱离时间宜选在船体处于升沉最高点到向中位下降的区间,且选用位置控制算法,可使紧急脱离时安全性能更高。研究结果可为隔水管张紧装置设计及性能优化提供理论依据。     

基于反冲响应的深水钻井隔水管张紧力计算方法

张紧力是深水钻井隔水管系统作业的安全的关键因素,尤其对隔水管系统紧急脱离作业安全影响显著,但目前的隔水管张紧力设计方法（包括API算法、底部残余张力算法以及下放最大钩载算法）均未考虑隔水管系统的反冲问题。为此,基于隔水管系统反冲响应,确定了隔水管张紧力设计准则,提出了张紧力修正API算法及计算流程,并通过实例分析验证了修正API算法的可行性。研究结果表明,修正API算法可为隔水管系统提供合理的张紧力,改善了隔水管紧急脱离反冲过程中的隔水管底部总成位移、张紧器冲程以及有效张力波动范围,从而提高了紧急脱离后隔水管系统的安全性,有效保证了深水钻井隔水管系统紧急脱离作业的安全。      

基于多自由度系统的深水钻井隔水管紧急解脱反冲响应

深水钻井隔水管紧急解脱后的反冲响应是隔水管系统设计分析的重要内容之一。基于多自由度质量—弹簧—阻尼系统,建立了深水钻井隔水管紧急解脱后反冲响应分析的力学模型和控制方程,采用子空间迭代法求解了系统振动的固有频率和主振型,获得了隔水管底部组合（LMRP）紧急解脱后的振动响应曲线,并讨论了张紧器活塞运动振幅及运动频率、解脱初相角、水深和隔水管壁厚对LMRP振动响应时程曲线的影响。结果表明：随着作业水深和张紧器运动幅值的增加,LMRP与水下防喷器发生碰撞的可能性增大;解脱初相角对隔水管反冲响应具有较大影响;顶部张紧器活塞存在某一运动频率最不利于深水钻井隔水管的紧急解脱;壁厚对隔水管反冲特性的影响不大。     

基于多自由度系统的深水钻井隔水管紧急解脱反冲响应

深水钻井隔水管紧急解脱后的反冲响应是隔水管系统设计分析的重要内容之一。基于多自由度质量—弹簧—阻尼系统,建立了深水钻井隔水管紧急解脱后反冲响应分析的力学模型和控制方程,采用子空间迭代法求解了系统振动的固有频率和主振型,获得了隔水管底部组合（LMRP）紧急解脱后的振动响应曲线,并讨论了张紧器活塞运动振幅及运动频率、解脱初相角、水深和隔水管壁厚对LMRP振动响应时程曲线的影响。结果表明：随着作业水深和张紧器运动幅值的增加,LMRP与水下防喷器发生碰撞的可能性增大;解脱初相角对隔水管反冲响应具有较大影响;顶部张紧器活塞存在某一运动频率最不利于深水钻井隔水管的紧急解脱;壁厚对隔水管反冲特性的影响不大。     

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。      

抗反冲阀内部流场及关断特性的数值模拟分析

抗反冲阀是隔水管张紧系统的关键设备。对抗反冲阀的液压原理和机械结构进行了设计，并建立了三维仿真模型。利用计算流体力学有限元仿真平台，设定阀张紧液缸口边界条件为流体流量，模拟液缸运动形成的流量变化，分析了主阀口不同开度下主流道内部流场的流速和压力分布，以及主阀芯所受轴向液动力的变化情况。将仿真分析数据和结果应用到以抗反冲阀测试系统为基础，建立抗反冲阀动态仿真模型，进一步分析了阀的动态关断特性。仿真结果表明：该阀的内部流场静态性能优良，主阀芯动态关断响应迅速，满足设计要求。研究结果可为抗反冲阀的国产化设计制造提供参考。     

深水钻井隔水管反冲控制系统建模与仿真

海洋深水钻井作业过程中,由于动力定位失效造成钻井船无法保持其有效位置时,须断开隔水管与井口的连接,此时,隔水管会发生反冲,若反冲得不到有效控制,易发生钻井事故。为此,针对液压缸直接作用式隔水管张力器反冲控制系统,提出一种基于模糊PID控制器调节反冲阀开度,达到控制隔水管垂直位移的控制方法,并对控制算法进行设计。基于Matlab构建反冲控制系统的精确仿真模型,进行一系列的仿真研究分析。分析结果表明,闭环控制可以达到较好的控制效果,系统的稳定性增强,PID控制和模糊PID控制都能发挥较好的控制作用,有效地控制了隔水管的反冲速度,经过综合比较可知,模糊PID控制降低了隔水管起升位移的峰值,减少了液压系统的压力冲击,提高了系统控制性能。研究结果可为深水钻井隔水管的安全应用提供参考。     

钢丝绳式隔水管张紧器监控系统设计

为了采集张紧器运行过程中各项重要参数,实时掌握张紧器状态,依据海洋钻井隔水管张紧器控制系统工作原理,设计了钢丝绳式隔水管张紧器远程监控系统。监控系统包括张紧器液缸与蓄能器之间的抗反冲控制、液缸和钢丝绳位移检测、升沉运动检测、钢丝绳寿命与维护提醒等7个功能模块。针对隔水管张紧器的3种事故工况,设计了状态判断与系统维护软件算法流程。进行了界面设计,介绍了监控软件的应用情况。该钢丝绳式隔水管张紧器监控系统自动化、智能化程度高,为隔水管张紧器的安全性、可靠性提供了多重保障。     

深水钻井平台-隔水管耦合系统漂移预警界限

建立了深水钻井平台-隔水管耦合系统漂移动力学模型,提出了深水钻井平台-隔水管耦合系统漂移预警界限分析方法,并进行了实例分析。分别建立了深水钻井隔水管-井口-导管耦合系统分析模型及平台漂移动力学分析模型,开发了深水钻井平台漂移动力学求解器。结合实例开展了深水钻井平台-隔水管耦合动力学特性及耦合作用规律分析,阐述了漂移预警界限分析方法。结果表明:平台漂移初始阶段隔水管载荷对平台漂移起促进作用,随着平台漂移位移的增大隔水管逐渐开始抑制平台漂移;平台漂移运动过程中隔水管系统顶部参数响应较快,底部参数响应具有明显的迟滞效应;随着海流流速的增大或水深的减小,深水钻井平台-隔水管耦合系统漂移预警界限减小,应尽早准备和启动隔水管系统底部脱离。     

超深水钻井隔水管设计影响因素

超深水钻井隔水管设计的影响因素主要为环境因素与作业因素,前者主要包括水深、波浪、海流,后者主要包括钻井液密度,脱离后隔水管系统悬挂模式、浮力块分布、涡激抑制设备等.系统总结了超深水钻井隔水管设计影响因素.研究了各因素影响隔水管设计的机理.定性或定量分析了各因素对隔水管设计的影响.研究表明,水深和海流是隔水管设计最显著的影响因素,水深增加导致隔水管材料、结构,配置产生重大变化,海流导致隔水管产生涡激疲劳,并增加隔水管下放与收回的难度.悬挂模式影响隔水管系统的浮力系数和浮力块分布,涡激抑制设备造成隔水管作业困难,钻井液密度影响隔水管的有效张力和底部球铰转角进而影响隔水管系统的稳定性.相关结论可为超深水钻井隔水管设计、配置、作业、管理提供参考.     

自升式海洋平台钻井系统选型及配置

分析自升式海洋平台钻井系统结构组成及工艺流程,对提升系统、旋转系统、循环系统、井控系统、隔水管张紧系统等的主要技术参数进行分析计算,得出适用于自升式钻井平台的钻井系统选型及配置方案,为其他类型海洋平台钻井系统设计提供借鉴和参考.     

深水钻井隔水管-导管系统波激疲劳分析

波激疲劳是深水钻井隔水管-导管系统最主要的失效模式之一。综合考虑波浪载荷、钻井平台运动和土壤抗力建立了深水钻井隔水管-导管耦合系统波激疲劳分析方法,实例分析了中国南海某井深水钻井隔水管-导管系统波激疲劳寿命,识别出了系统波激疲劳关键部位,并与隔水管常规分析模型的计算结果进行了对比。在此基础上,研究了钻井平台运动幅值、顶张力、下挠性接头转动刚度和井口出泥高度对系统波激疲劳特性的影响。结果表明,常规分析模型将隔水管底部看作固定端导致隔水管波激疲劳损伤过大,而本文提出的隔水管-导管系统分析模型能较好地模拟隔水管实际受力情况;隔水管最大波激疲劳损伤出现在下挠性接头处,导管的最大波激疲劳损伤出现在泥线附近;导管是整个系统中波激疲劳性能最薄弱的环节,适当地减小钻井平台运动幅值、隔水管顶张力、下挠性接头转动刚度和井口出泥高度均能改善导管波激疲劳性能。     

钻井隔水管柔性悬挂系统试验装置设计及仿真研究

半潜式钻井平台隔水管在防台过程中采用硬悬挂和软悬挂均不能完全满足恶劣环境下平台安全撤离要求。根据硬悬挂和软悬挂特点,提出了隔水管柔性悬挂方案,并根据相似原理设计了隔水管柔性悬挂系统试验装置,该试验装置主要包括升沉模拟系统、运动补偿系统和负载等3部分。采用限压补偿法,利用SimulationX软件对隔水管柔性悬挂系统试验装置进行了仿真分析,仿真结果表明:本文设计的隔水管柔性悬挂系统试验装置可以模拟平台升沉、削弱隔水管动载等试验功能;隔水管柔性悬挂装置可以运用有限行程降低负载加速度,证明了隔水管柔性悬挂避台的可行性。本文研究成果为半潜式钻井平台隔水管悬挂避台提供了新思路。     

深水油气井测试海底控制系统及其关键设备

长期以来我国海洋油气井测试主要依靠引进国外技术,严重制约了该项技术在我国的发展。为此,研究了海洋油气井测试系统及其关键设备,并分析了海底控制系统应急作业流程。分析结果表明,海底控制系统对于深水测试过程起着决定性作用,其关键设备包括水下测试树、止回阀、防喷阀、立管控制模块和蓄能器模块等。平台综合控制系统可通过电液信号对海底控制系统的设备进行有序控制,并做出迅速响应,以保证在危险情况下对深水测试管柱内液体有效封堵,以及迅速断开与撤离测试管柱。最后指出海洋油气测试系统对我国深水油气钻采装备发展的重要意义。