深水测试管柱测试过程中横向振动特性分析

基于Hamilton原理,建立了充分考虑内外流惯性力、隔水管作用力、内外流与隔水管摩阻力等影响下的深水测试管柱横向振动模型,通过数值求解得到了管柱的各阶振幅及最大位移计算公式;应用编程求解,研究了悬挂力、水深、产量、管柱壁厚对测试管柱前六阶振幅及最大位移的影响.结果 表明:测试管柱整体受拉能避免产生复杂的横向振动,管柱受拉时的最大位移和振幅值随悬挂力的增大而减小;悬挂力在水深增加而保持不变时,测试管柱各阶振幅值变化复杂,悬挂力随水深增大而增加时,最大位移及振幅随水深增大而增大;管柱的最大横向振动位移随管柱壁厚的增大而增大;随着产量的增加,测试管柱的最大横向振动位移增大,但幅度较小.结论 认为,适当增大悬挂力能有效减小测试管柱的最大横向振动位移,当水深增大时,现场除应增大悬挂力外,还应考虑适当增大测试管柱与隔水管间的环空间隙,以减小两者可能存在的接触碰撞.     

基于钻井工况和海洋环境耦合作用下的隔水管动力学模型

对于深水和超深水钻井,钻井工况对隔水管动力学行为的影响是一个不可忽视的问题。为此,结合我国自主建造的第一座深水钻井平台--“海洋石油981”钻井平台结构和隔水管系统的实际生产环境,利用最小势能原理,结合泛函求极值方式在国内外首次建立了基于海洋环境和钻井工况耦合作用下的隔水管系统动力学控制方程,给出了相应的边界条件、求解方法,编制了相应的计算程序,并通过实验验证了该模型的有效性。利用该模型编制了计算程序,分析了钻井工况对隔水管系统的模态及横向振幅的影响。结果表明：钻井液流速对隔水管的振动模态影响不明显;钻杆、顶张力对隔水管横向振幅的影响较为显著,顶张力越大,隔水管横向位移越小,但顶张力过大会增加隔水管的自振频率;钻杆则有可能造成隔水管局部的碰撞破坏。     

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。     

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。     

波流载荷作用下的下入安装立管横向动态特性

为了研究海洋立管在下入水下设备安装过程的横向动态位移及其下部弯矩变化规律，建立了海洋下入立管的横向动态承载方程、波流载荷计算方程。结合网格离散、边界条件及计算求解稳定性的分析，应用Matlab求解了波浪速度、管柱壁厚和水深变化下的立管横向变形、最大位移和位置，以及位移及弯矩动态波动过程。研究结果表明：距离立管底部50 m内的横向位移、弯矩随时间周期性波动逐步增大，立管最大横向位移与波浪速度近乎呈正比，且弯矩波动幅度及最大弯矩均随海流速度的增大而增大；随着壁厚的增大，立管抗弯强度的增大使得立管的最大位移减小、底部的弯矩幅度减小；在相同张紧力系数下，随着水深的增大，最大横向位移增大、底部的弯矩波动周期减小、弯矩波动变化值减小，最大位移位置自水深“1/3”向海面靠近。研究结果可为海洋立管下入安装设备时的安全作业控制提供基础，并为下入设备分析的上部边界提供条件。     

深水钻井隔水管三维涡激振动理论模型

隔水管作为深水钻井的关键设备,国内外均对其涡激振动开展了大量的理论与实验研究,但都主要针对隔水管在横向的涡激振动,并没有考虑隔水管同时受到横向以及流向的耦合作用。为此,利用旋涡动力学理论,建立了同时考虑流向静态变形以及流向与横向耦合作用下的深水钻井隔水管三维涡激振动理论模型,采用有限单元法结合Newmark-β法对模型进行求解,并在深水试验池开展了相似实验对模型进行验证,编制了计算分析程序,模拟了不同海流流速下隔水管涡激振动模态以及三维空间形态,探索了三维空间下隔水管涡激振动响应机理。模拟结果表明:①随着表面流速的增大隔水管横向以及流向的振动模态分别增大,且流向振动模态阶次大于横向振动模态阶次,横向振动幅值远大于流向振动幅值;②隔水管流向的静态变形远大于流向涡激振动变形,流向的变形形态主要受静态变形的影响;③隔水管在横向以及流向涡激振动耦合作用下,空间形态变得扭曲,在进行隔水管组合配置设计时应该同时考虑来自横向和流向的影响。     

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。     

剪切流作用下隔水管涡激振动响应机理

开展剪切流作用下隔水管涡激振动实验,分析剪切流作用下隔水管涡激振动特征参数及振动响应机理。实验中基于光纤光栅传感器测试技术采集剪切流作用下隔水管在流向和横向的涡激振动响应,实验数据处理时消除了实测信号中隔水管轴向预张力的影响并采用模态分析法求取隔水管位移响应。实验数据分析表明,剪切流作用下:隔水管不同位置处同一方向涡激振动响应频率一致;涡激振动锁定现象发生在涡泄频率对应的最大阶次固有频率附近且涡激振动受该阶次固有频率主导;受模态竞争的影响,剪切流涡激振动呈现多频响应形式;隔水管在流向的主导频率是横向主导频率的2倍;受相位角影响,实验中隔水管单个振动周期的运动轨迹呈扁斜"8"字形,多个轨迹重叠后呈"新月"形。图8表1参27     

软悬挂撤离工况深水隔水管动力学特性分析

针对软悬挂紧急撤离工况下深水隔水管振动失效问题,采用有限元法并结合哈密顿变分和虚功原理,建立了软悬挂钻井隔水管三维非线性动力学模型,考虑了纵横向耦合效应、海洋涡激效应以及隔水管的大变形等非线性因素。借助文献试验参数和结果验证了非线性动力学模型的有效性。采用HYSY981钻井平台隔水管现场参数,探究了浮力块布置和台风重现期对紧急撤离工况下软悬挂隔水管非线性振动响应特性的影响规律。研究结果表明:合理布置浮力块可以减小应力和动态轴力,最优浮力块的布置方法可由所建立的理论模型确定;在高流速区中,隔水管的浮力块布置应该减少,且隔水管的最大应力和位移出现在靠近顶部或者底部区域,现场需重点关注此位置处隔水管的安全性;隔水管顺流向位移随着台风重现期的延长而增大,且靠近上端部分的位移变化较大,在撤离过程中应注意避免隔水管上端与月池碰撞。研究结果可为了解撤离工况下软悬挂隔水管振动响应特性提供参考。     

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。      

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.     

海洋钻井隔水管随机振动的理论分析

海洋钻井隔水管在随机载荷波浪力的作用下发生随机振动 ,从而偏离原来的铅垂位置 ,严重时会使钻具受到破坏 ,引起钻井中断。应用随机振动的理论和方法 ,分析了波浪力的随机过程和随机模型 ,指出波浪力是一个均值为零的平稳随机过程 ,隔水管的横向随机位移也是一个均值为零的平稳随机过程。同时采用模态分析的离散化方法 ,分析了隔水管在随机载荷波浪力作用下的横向随机振动问题 ,导出了隔水管横向随机振动位移相关函数和均方位移的计算公式 ,为隔水管的随机响应计算和工程设计提供了一定的理论基础。     

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。     

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。     

深水钻井水下井口力学稳定性分析

深水钻井时水下井口承受的复杂作用力可能导致其稳定性存在问题。根据深水钻井水下井口系统整体受力分析，建立了井口力学稳定性分析方法，该方法综合考虑了海洋环境载荷、钻井船或平台漂移、隔水管力学性能、套管柱与地层之间的非线性响应等因素的影响，可以实现井口力学性能分析。算例分析表明，水下井口的横向偏移及弯矩随张力比和海流流速的增加而大幅增大，顶张力过大会引起井口稳定性变差；随着钻井船或平台漂移量的增加，井口的横向偏移和弯矩近似线性增加，控制好钻井船或平台的漂移非常重要；由于井口承受弯矩的能力有限，较大海流流速情况下可能造成井口失稳；提高导管抗弯强度、控制泥线处管柱冲刷、获取浅部地层的取样数据等措施可以增强井口稳定性。