内孤立波作用下深水锚泊平台-隔水管耦合系统动力学特性

中国南海内孤立波自然环境频发,内孤立波下深水锚泊平台-隔水管系统动力学失效风险高,为此建立了内孤立波下的深水锚泊平台-隔水管耦合系统动力学模型及分析方法,开发了深水锚泊平台-隔水管耦合系统动力学求解器,开展内孤立波下深水锚泊平台-隔水管耦合系统动力学特性分析,识别内孤立波下深水锚泊平台与隔水管系统的动力响应、耦合作用规律以及隔水管系统安全弱点。结果表明,在内孤立波作用下深水锚泊平台向内孤立波传播方向运动,当内孤立波波峰到达平台中心位置时锚泊平台的偏移达到最大,然后锚泊平台逐渐向初始平衡位置运动并最终趋于稳定;内孤立波促使隔水管系统顶部向内孤立波传播方向偏转,导致隔水管系统对锚泊平台运动产生一定的促进作用;当锚泊平台位移最大时隔水管系统关键参数响应值最大,但隔水管系统上球铰转角峰值时间有一定的滞后性,下挠性接头转角是内孤立波下的深水钻井隔水管系统安全弱点。     

深水钻井隔水管力学性能分析

隔水管是深水钻井的关键设备,国内外对其开展了大量的理论研究以及有限元分析,但主要是针对顶张力和钻井液密度等因素的力学分析以及固有频率分析,未考虑浪流多种情况下的耦合作用。鉴于此,利用有限元软件建立隔水管系统模型,得到隔水管的弯矩分布以及这些结果随波流参数、浮式平台运动的变化特征。研究结果表明:在不同的波流以及平台运动下,隔水管的力学特征呈规律变化,波浪对隔水管飞溅区部分弯矩影响较大;海流流速较小时,海流对隔水管影响不大,海流流速增大,隔水管飞溅区响应增大,海流剖面形式对隔水管影响不大;平台运动则影响隔水管的整体动力响应。研究结果对于保障海上钻井作业安全具有一定的参考价值。     

隔水管充气双梯度钻井充气水深和充气速率研究

为确定隔水管充气双梯度钻井充气水深和充气速率,根据气液两相流漂移流理论,考虑气体流动过程中其体积受隔水管环空压力变化的影响,建立了隔水管环空压力计算微元模型,推导出了隔水管充气双梯度钻井充气速率计算模型,并利用现场试验数据验证了模型计算结果的准确性.以南海某深水井为例,利用所建模型分析了施工参数对隔水管充气双梯度钻井充...     

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。     

考虑附属管的钻井隔水管绕流场流动特征分析

钻井隔水管在海流、波浪等水动力作用下可发生侧向偏移、弯曲变形、波激和涡激振动,给钻井隔水管系统带来风险。采用k-ω湍流模型,对带附属管的实际尺寸钻井隔水管绕流场进行了CFD数值模拟分析,研究了来流攻角对隔水管主管流体力和尾流场流动特征的影响。结果表明,附属管对隔水管主管流动控制效果显著,考虑6根附属管的影响后隔水管裸单根所受水动力显著减小;除来流攻角为270°外,附属管都能减小主管上的平均阻力系数;所有来流攻角下主管的均方根升力系数幅值均有显著降低。分析认为,隔水管流体力减小的原因是主管与附属管外的剪切层相互影响,抑制了主管上的漩涡泄放;但不同来流攻角下管外涡街特性和漩涡泄放规律不同,流体力减小的机理也有差异。本文研究结果可为隔水管的附属管优化设计和布置提供参考。     

无隔水管钻井液返回管线对接接头设计与分析

钻井液返回管线对接接头对无隔水管钻井技术具有重要意义,由于国内无隔水管钻井技术发展缓慢,钻井液返回管线对接接头的研发尚处于起步阶段。鉴于此,针对南海1 500 m作业水深无隔水管钻井系统,设计了钻井液返回管线对接接头;同时提出无隔水管钻井液返回管线张紧力计算公式,计算了返回管线对接接头的张紧力载荷,并利用ANSYS有限元分析软件分别从张紧力载荷与海流载荷2种受力工况进行对接接头的强度校核。分析结果表明:对接接头满足无隔水管钻井工艺要求,强度符合要求,结构安全可靠;随着钻井液密度的增大,返回管线内径越大,对接接头所承受的应力越大。所得结果可为无隔水管钻井技术关键设备的设计提供理论依据。     

紧急解脱隔水管回弹响应分析北大核心CSCD

钻井隔水管紧急解脱回弹响应问题是影响深水浮式钻井平台钻井作业安全的重要问题。综合考虑钻井液下泄力、张拉力等因素影响,利用ANSYS/AQWA建立了紧急解脱隔水管回弹耦合计算模型,并以1 500 m水深钻井作业紧急解脱隔水管为例进行了隔水管回弹响应分析。分析结果表明:隔水管解脱后伸缩节响应滞后时间与应力波传播时间一致,且不同张拉力条件下由隔水管重量控制的伸缩节稳定位置相同,证明了本文所建紧急解脱隔水管回弹耦合计算模型的正确性;钻井液密度越大,钻井液下泄力越大,隔水管解脱后底部隔水管总成(LMRP)触底的可能性越大;张拉力对LMRP回弹位移和伸缩节的许用冲程影响较大,张拉力越大,LMRP回弹位移和伸缩节位移越大。本文研究成果可为深水钻井隔水管紧急解脱作业安全提供参考。     

紧急解脱隔水管回弹响应分析

钻井隔水管紧急解脱回弹响应问题是影响深水浮式钻井平台钻井作业安全的重要问题。综合考虑钻井液下泄力、张拉力等因素影响,利用ANSYS/AQWA建立了紧急解脱隔水管回弹耦合计算模型,并以1500m水深钻井作业紧急解脱隔水管为例进行了隔水管回弹响应分析。分析结果表明:隔水管解脱后伸缩节响应滞后时间与应力波传播时间一致,且不同张拉力条件下由隔水管重量控制的伸缩节稳定位置相同,证明了本文所建紧急解脱隔水管回弹耦合计算模型的正确性;钻井液密度越大,钻井液下泄力越大,隔水管解脱后底部隔水管总成(LMRP)触底的可能性越大;张拉力对LMRP回弹位移和伸缩节的许用冲程影响较大,张拉力越大,LMRP回弹位移和伸缩节位移越大。本文研究成果可为深水钻井隔水管紧急解脱作业安全提供参考。     

基于有限元法的深水钻井隔水管压溃评估

压溃是深水钻井隔水管主要的失效模式之一,现有的理论算法无法考虑缺陷对隔水管压溃的影响。因此,考虑磨损和腐蚀对隔水管压溃性能的影响,建立了深水钻井隔水管非线性压溃有限元评估方法,并与深水钻井隔水管压溃理论评估方法进行了对比。结果表明:有限元压溃分析方法与API RP 2RD、DNV OS F101推荐算法的分析结果基本一致,验证了隔水管压溃有限元分析方法的准确性;压溃过程的初始阶段隔水管发生弹性变形,当内外压差达到临界压力时,隔水管开始发生塑性变形,弹性阶段向塑性阶段的突变点即为隔水管压溃临界点;完好隔水管压溃后截面呈扁平状,缺损隔水管压溃后截面呈锥形;随着隔水管缺陷尺寸增大,隔水管临界压溃压力逐渐降低。      

防台风钻井隔水管技术现状及适用性分析

随着我国南海深水油气的开发,频发的南海台风导致深水钻井隔水管出现严重事故,造成较大损失,需要开发一种有效的防台风钻井隔水管以提高海上钻井安全。为此,阐述了防台风钻井隔水管系统的发展历程及应用情况,详细介绍近海面脱离总成和浮力罐系统2个关键技术,从防台风钻井隔水管安装过程、紧急脱离过程和回接过程3个方面介绍防台风钻井隔水管作业技术。以我国南海某井为例进行了防台风钻井隔水管适用性分析。分析结果表明,与常规钻井隔水管相比,防台风钻井隔水管的连接钻井作业窗口稍微偏小,基本不影响正常钻井性能;在南海台风条件下防台风钻井隔水管可以保持结构完整性,具有良好的防台风性能,同时大大缩短了作业时间,降低了作业费用。     

深水顶部张紧钻井隔水管非线性静力分析

用ABAQUS软件对用于1500m水深的顶部张紧钻井隔水管进行了非线性静力分析。定量分析了钻井船平均偏移、张力比、海流剖面对深水钻井隔水管弯矩、横向变形、应力水平和底部球铰转角的影响。增加张力比,可显著减小隔水管弯矩、隔水管底部球铰转角以及隔水管的横向变形;但是增加张力比同时会增加隔水管的应力水平,这就要求张力器能够提供更充足的顶部张紧力。钻井船平均偏移对隔水管弯矩和隔水管底部球铰转角有明显影响,控制钻井船平均偏移对于保证海洋钻井的顺利进行具有重要意义。海流是深水钻井重要影响因素之一,海流对隔水管弯矩分布、隔水管中下部的受力状况甚至隔水管的整个作业过程均有显著影响。应加强对海流数据的监测,将海流对深水钻井隔水管作业过程的影响降至最低。     

深水水上防喷器钻井系统 高压套管隔水管强度分析

深水水上防喷器钻井系统已得到一定程度的现场应用,可节省作业费用。但由于该系统具有采用高压小直径套管代替常规大直径隔水管、防喷器组放置水面以上采用应力短节缓解高压隔水管应力等特点,需要分析高压隔水管的强度。根据材料力学理论,建立了高压隔水管的准静态力学分析模型和内外压力计算模型。通过对高压隔水管的力学性质及内外压强度的分析发现,高压隔水管的下部应力节底部的偏移程度对隔水管的弯曲变形和弯曲应力影响不大;在选择应力节时,上部应力节的转动刚度可以小于下部应力节的转动刚度;在高压隔水管 内压强度设计时应重点考虑高压隔水管接近海面段所受到的等效内压力,在该段提高管材钢级或增大壁厚。     

海洋钻井隔水管浮力块配置方法

浮力块是钻井隔水管系统的重要部件,能改善钻井隔水管的性能。但是如何配置浮力块,对隔水管张力器的张力、钻井隔水管在海洋深水条件下的应用等都有很大影响。目前国内外对于钻井隔水管浮力块配置方法的研究较少,因此,进一步研究其配置方法很有必要。首先,介绍了目前国内外海洋钻井隔水管浮力块配置的基本经验;然后,以我国南海某海域500 m水深为例,采用ABAQUS有限元软件,讨论了海洋钻井隔水管浮力块的配置方法,拟定了5种浮力块配置方案,并对其进行了详细的计算分析。结果表明:拟定的方案2和方案3为较优方案;与波浪力相比,海流力对隔水管动力学响应特性的影响更大;浮力块安装位置不同,对隔水管横向变形、等效应力、弯矩和底部柔性接头转角等力学响应的影响很大。建议:在适当位置配置厚壁隔水管以降低其局部等效应力;浮力块的安装位置应避开海流流速最大位置;研制钻井隔水管分析系统软件,实现多个有限元软件的联合调用,以提高分析效率和准确性。      

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。     

波流极值载荷作用下隔水管的非线性分析

应用ANSYS软件对波流极值载荷作用下的深水钻井隔水管进行了非线性分析。计入隔水管的大变形效应和管内泥浆的影响,计算了顶张力和钻井船偏移对深水钻井隔水管的受力和变形的影响。随着张力比增加,隔水管的横向变形、弯矩以及底部球铰转角均显著减小,同时隔水管的等效应力会整体增加。钻井船的偏移会显著增大隔水管的横向变形、底部球铰转角以及隔水管下部的弯矩。所以,控制好顶部张力和钻井船偏移对确保深海钻井顺利进行有十分重要的意义。     

浮力块对深水钻井隔水管安装过程性能的影响

建立了带浮力块深水钻井隔水管安装过程力学分析模型,采用ABAQUS有限元软件对带浮力块的深水钻井隔水管在安装过程中的静态力学性能进行分析,研究了浮力块配置方案、浮力系数、浮力块长度和浮力块外径对隔水管横向变形及应力的影响。研究结果表明,深水钻井隔水管安装过程中危险截面始终位于隔水管与浮式钻井设备连接处;浮力块与隔水管裸单根宜采取交错布置的方案;隔水管安装过程中产生的横向变形与危险截面处的应力均随浮力系数、浮力块长度与浮力块外径的增大而增大;超过一定水深后隔水管Mises等效应力随水深增加呈线性减小。     

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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。     

深海钻探船-钻井液返回管线系统动力学分析

深水无隔水管钻井采用钢制管线,钻探船的运动会导致钻井液返回管线的受力情况发生变化,进而影响返回管线工作的可靠性。为了分析钻井液返回管线在钻探船运动下的力学特性,建立了深海钻探船-钻井液返回管线系统动力学模型,采用ABAQUS软件建立了钻井液返回管线有限元模型,并将钻探船的运动位移曲线施加于返回管线上端,分析了返回管线的动态特性。分析结果表明:返回管线在悬挂接头和下部海底泵处弯矩较大,但由于定位过程中出现弯矩突变,使得最大弯矩值出现在上部海底泵处;深海钻探船无隔水管钻井系统设计时,应该合理设计悬挂接头及对接接头结构,尽量减小弯矩。所得结论可为深海钻探船配备无隔水管钻井系统钻井液返回管线的安全设计提供参考。     

台风应急期间深水钻井隔水管悬挂撤离安全分析

对于半潜式钻井平台,常规应对台风的程序是回收所有的钻井隔水管,航离台风路径,但是回收隔水管的作业时间较长,有时无法保证回收所有的隔水管,因此,悬挂隔水管可能无法避免。为保证钻井平台悬挂隔水管航行时隔水管的安全,以悬挂状态下的隔水管为研究对象,考虑隔水管动态张力、弯曲应力、隔水管转角及与月池的空间干涉等因素,利用有限元分析方法建立了悬挂模式下的隔水管轴向动力学模型。利用该模型,以南海某超深水井(水深2 460 m)为例,分析了不同悬挂模式、钻井船撤离航速、航向对隔水管安全性的影响。结果表明:硬悬挂模式下,航速为2 kn时,安全撤离航向为0°~45°;软悬挂模式下,航速为2 kn时,安全撤离航向为0°~90°;同样海况条件下,软悬挂模式允许的钻井船航速比硬悬挂大。这表明软悬挂撤离模式比硬悬挂撤离模式对波流载荷的适应能力要强,悬挂隔水管避台风撤离时,应优先选用软悬挂模式。      

钻井隔水管动力响应及疲劳损伤分析

钻井隔水管受到环境载荷循环作用,属于动态疲劳敏感结构,其疲劳性能分析成为隔水管设计的难题。对不同海洋环境载荷下的钻井隔水管进行时域非线性动力分析,采用雨流计数法、S-N曲线和Miner线性累计损伤准则建立钻井隔水管的疲劳损伤模型,重点研究了环境参数、隔水管几何尺寸和作业参数对钻井隔水管疲劳损伤的影响规律,并对影响钻井隔水管疲劳损伤的因素进行参数敏感性分析。分析结果表明,海床附近的钻井隔水管疲劳损伤随着土体刚度的增大而减小;适当增大钻井隔水管壁厚可以有效地抑制疲劳损伤;焊接偏心距的增大会明显加重钻井隔水管的疲劳损伤。该项研究结果为钻井隔水管设计和施工操作提供了理论依据。