新型防垂荡型半潜式钻井平台

设计出一种新构型的半潜式钻井平台,采用数值模拟软件分析了新型平台在频域和时域的垂荡响应,并与双浮体四立柱结构和垂荡板结构的半潜式钻井平台进行了对比。介绍了新型平台的设计原理以及进行相关分析时的理论基础、数学模型和边界条件。结果表明,与双浮体四立柱和垂荡板结构平台相比,频域分析中新型平台的垂荡响应最大值和均值都显著减小;新型平台的垂荡固有周期显著增加,能有效防止共振的发生;系泊时域耦合分析中,新型平台的纵荡、横荡、横摇响应较小,且垂荡响应大幅减小;谱分析中新型平台有更小的垂荡响应谱峰值和更好的波频特性。新型平台防垂荡性能优异,结构合理、可行,可为新一代半潜式钻井平台的设计、选型提供参考。图8表2参18     

新型北极冰区半潜式钻井平台及其系泊定位能力分析

为降低北极海上油气勘探开发成本,迫切需要适合北极作业的海洋工程装备。针对这一问题提出一种可以用于北极海上钻井作业的新型半潜式钻井平台概念。该平台采用6立柱双浮筒形式,平台立柱上部设计为倾斜形式以降低作用在平台上的冰载荷。为保证破碎后的海冰不影响钻井作业,平台设计立管防护装置和锚链防冰装置。分别对平台设计条件、主尺度、系泊系统设计情况进行介绍,并采用商业分析软件对平台在夏季和有冰季节的系泊定位能力进行分析。分析结果表明：该半潜式钻井平台可在北极夏季开阔水域和冬季海面结冰情况下进行钻井作业;平台可在1.0 m厚的海冰作用下保持作业能力,在1.5 m厚的海冰作用下保持自存能力;平台系泊定位能力满足北极钻井作业的要求。     

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。     

半潜式生产平台波浪载荷敏感性分析

基于三维势流理论对半潜式生产平台波浪载荷响应进行数值分析,并通过优化分析,以4个平台主尺度为变量进行波浪载荷预报,研究平台主尺度变化对平台波浪载荷的影响。利用谱分析预报方法,研究波浪浪向及周期对平台波浪载荷的敏感性,结合波浪载荷传递函数的特征,讨论以较危险的波浪载荷及组合波浪载荷确定设计波的方法。得到目标半潜式平台主尺度变化对波浪载荷的变化特点,为主尺度选型提供参考;总结平台波浪载荷对波浪方向及周期敏感性影响的特点及主控设计波选择方法,为半潜式生产平台后续的结构设计提供参考。     

深水半潜式钻井平台典型节点强度研究

基于SESAM软件,提出了深水半潜式钻井平台典型节点强度分析方法,并利用该方法研究了目标平台立柱与撑杆连接处节点强度性能。首先进行平台危险波浪载荷分析,得到平台危险波浪载荷;然后进行危险波浪载荷条件下的平台整体强度分析,确定平台立柱与撑杆连接处节点结构模型的载荷边界条件;最后依据分析确定的载荷边界条件及典型节点受到的波浪载荷进行局部强度分析。分析结果表明,目标平台典型节点的结构强度满足使用要求。     

基于黏流理论的半潜式平台近场干涉数值计算

以工作水深为250m的半潜式平台为研究对象,基于黏流理论开展规则波和不规则波作用下半潜式平台3种模式(固定、自由、系泊)的数值计算。自编程开发半潜式平台近场干涉数值计算后处理软件,研究平台立柱间发生近场干涉现象的基本规律。计算结果表明:周期较小时,入射波、反射波与辐射波叠加较为频繁,立柱间波面升高较大;浪向角对平台近场干涉效应有较大影响,浪向角为45°时近场干涉现象更为明显,波面升高极大值主要集中于后立柱内侧区域,最大波面升高可达入射波高的2.57倍;平台系泊和自由模式比固定模式近场干涉引起的波面升高大,波面分布较复杂。     

非均匀海流、表面波与内孤立波共同作用下钻井隔水管准静态分析

针对我国南海内孤立波活动频繁的实际情况,建立了非均匀海流、表面波和内孤立波联合作用下钻井隔水管的准静态分析模型,并分别采用Airy线性波理论和两层流的Kd V理论计算表面波和下凹型内孤立波的速度和加速度,利用有限差分离散和LU分解法求解钻井隔水管的静态微分方程。方法验证结果表明,本文方法与其他文献结果吻合较好,具有较高的可靠性。实例分析结果表明,表面波和内孤立波分别在相位角为12°和0°时对隔水管的准静态性能影响最大;内孤立波使上层流体中隔水管的横向偏移、弯矩、Von Mises应力大幅增加;在内孤立波波谷对应深度附近,隔水管弯矩呈"台阶状"突变,剪力呈"尖峰状"突变;内孤立波振幅越大、上下两层海水密度差越大,内孤立波对隔水管受力与变形的影响越剧烈。建议加强我国南海各油气区内海洋内孤立波的监测和预测,更好地指导海上钻井隔水管安全作业。     

波浪作用下并联三箱间窄缝内流体共振

采用数值方法对不同吃水并联三箱在波浪作用下的窄缝间流体共振问题进行研究。考虑大吃水方箱不同布置位置对缝隙内共振波高、三箱系统透射因数与反射因数,以及不同箱体所受波浪作用力的影响。数值结果显示：当大吃水箱体布置于迎浪测时,三箱系统前方反射因数最大,波能无法进入三箱系统,导致三箱系统缝隙内共振波高最小,对应箱体所受水平波浪力和垂向波浪力也最小,说明上游大吃水箱体可对后方形成良好的遮蔽效应;当大吃水箱体位于中间位置时,第一窄缝处共振波高变化最大,并出现双峰现象,此时迎浪侧较小箱体所受水平波浪力最大;当大吃水箱体位于下游时,第二窄缝处的共振波高远大于其他2种工况,并伴随明显双峰,迎浪侧小箱体受垂向波浪力也最大;当大吃水箱体位于中间或下游位置时,大箱受力大小基本相同。     

考虑水平刮切作用的旋转钻井牙齿侵入规律

考虑旋转钻井钻头牙齿对井底岩石产生的水平刮切作用,分析了井底岩石侵入系数的变化规律以及初次侵入破碎坑的形状,得出旋转钻井重复侵入时井底岩石的破碎过程以及载荷侵深曲线形态,进一步揭示了旋转钻井牙轮钻头破岩机理:随着摩擦因数的增大,刃前岩石侵入系数线性降低,刃后岩石侵入系数线性增加;初次侵入时破碎坑为非对称的不规则形状,岩石破碎体积比只考虑垂向压入作用时小,发生剪切破碎时所需的载荷低;刃前岩石发生剪切破碎以后,刃后岩石由于应力集中效应,达到剪切破碎时所需的整体载荷降低,存在水平刮切作用时岩石多次侵入剪切破碎更为容易;重复侵入时井底岩石剪切破碎频数是只考虑垂向压入作用时的两倍,剪切破碎时载荷下降的幅度降低。     

垂荡板对Truss Spar平台垂荡性能的影响分析

为了研究垂荡板对Truss Spar平台垂荡性能的影响,在建立Truss Spar平台垂向波浪载荷计算模型的基础上,基于柯莱根-卡彭特数Kc计算了Truss Spar平台的黏性阻尼,提出了垂荡响应幅值的理论计算方法,并将理论计算结果与AQWA软件的仿真结果进行对比。分析结果表明:2种分析方法下垂荡响应幅值趋势一致,峰值较为接近,而且理论计算方法计算速度明显优于仿真分析方法;基于Kc数的垂荡响应幅值理论计算方法能快速有效地分析设有垂荡板的海洋平台的垂荡响应;黏性阻尼能够有效抑制Truss Spar平台的垂荡响应,在垂荡响应分析中不可或缺,垂荡板贡献的黏性阻尼是总黏性阻尼的主要组成部分。所得结论可为合理确定Truss Spar平台垂荡响应幅值提供参考。     

半潜式钻井平台内波工况定位能力

采用MOSES软件建立动力定位半潜式钻井平台分析模型,在时域内模拟平台在钻井作业过程中遭遇内波作用的耦合动力特性,分析平台在不同流速内波作用下的定位能力,并对动力定位系统的关键因素进行敏感性分析。研究结果显示：在同等环境载荷强度下,平台在船宽方向出现最大偏移;当内波流速小于1.0 m/s时,平台可基本满足钻井作业的定位要求,而当内波流速达2.0 m/s时,平台出现大幅值的水平偏移和倾角,需要解脱隔水管系统;提升推进器推力和增加推力敏感因子都有助于提升平台的抗内波能力,但都无法明显减小平台的水平偏移。因此,在遭遇高流速内波作用时,推荐平台撤离或调整船体首向。     

考虑内波流影响的南海八号钻井平台锚泊能力分析评估

南海八号钻井平台在我国南海某油田钻井作业时,遭遇了内波流的作用,对平台的锚泊系统和钻井作业产生了一定的影响。结合南海特有的内波流环境条件,分析评估了南海八号钻井平台的锚泊能力。首先对平台的锚泊系统配置、海洋环境进行了介绍,然后就平台原设计环境条件进行了锚泊能力评估,平台水动力计算依据三维势流理论,采用挪威船级社DNV的Hydro D和Deep C软件,对南海八号半潜式钻井平台进行了水动力分析,并建立了平台系统耦合运动空间离散有限元模型的动平衡方程。重点评估了内波流作用下平台的定位能力,分析了平台遭遇不同内波流流速下平台的偏移、锚缆张力、锚的水平载荷,提出了可供平台作业方参考的工程建议。     

不规则波作用下无顶板开孔沉箱波浪力的计算方法

通过二维不规则波波压力试验,对不规则波作用下无顶板开孔沉箱所受到的波浪力进行了系统地研究。针对开孔沉箱由于具有特殊的消浪室结构导致其所受到的总水平与总垂直波浪力存在相位差,给出了相位差的计算公式,提出了不规则波作用下开孔沉箱三个滑移稳定危险时刻的波浪力计算方法。将本文推荐方法的计算结果与试验结果比较可见,两者符合较好,推荐方法大多情况下能够给出较为安全的结果,能为实际工程提供有应用价值的结果。     

内孤立波载荷作用下钻井船动力定位性能

采用自主编写的动力定位时域仿真程序,以某钻井船为例,对内孤立波载荷进行建模并进行时域仿真。将内孤立波纳入环境载荷中,得到船舶在内孤立波下的动力定位时域仿真结果。获得船舶的作业窗口区间为 。结合船舶运动响应与推进器功耗情况对船舶动力定位性能进行评估,并提出船舶遭遇内孤立波时的海上操作建议。     

漂浮压载状态下自升式平台的运动响应分析

针对传统一阶理论在自升式平台漂浮压载工况下水动力计算精度不足的问题，以某自升式海上石油钻井平台为研究对象，建立平台水动力分析模型，在浅吃水状态下考虑波浪对平台的二阶作用，运用高阶边界元方法对平台的一阶和二阶水动力问题进行求解。通过数值模拟，给出多种波浪频率入射条件下平台的波浪力和运动响应数值计算结果。结果表明：在漂浮压载状态下，二阶波浪力在水平方向上对波浪力幅值影响较大；从运动响应角度看，无论是水平方向还是竖直方向，二阶波浪作用都不可忽视。     

基于OpenFOAM软件的内孤立波生成模拟及试验

为探究OpenFOAM软件在内孤立波生成模拟方面的可靠性,建立小型内波水槽,采用重力塌陷法生成内孤立波进行物理试验。基于OpenFOAM建立等尺度数值水槽,采用流体体积模型的不可压缩、绝热、不可溶多相界面捕捉求解器multiphaseInterFoam,设置空气-硅油-水三相流体,模拟生成内孤立波。将数值模拟所得波幅、波形、波速等数据与试验和理论解进行对比。结果表明,该方法模拟生成的内孤立波与物理试验和理论解均吻合较好,具有较高的精度,可进一步应用于研究内孤立波的演化特性及其与结构物相互作用研究中,在物理海洋学和军事海洋学都具有重要的应用价值。     

垂直钻井系统配合单稳定器力学性能研究

国内外研发的垂直钻井系统在防斜快速钻进过程中表现出良好的优越性,在高陡构造地层得到了越来越广泛的应用。在充分调研垂直钻井系统配合单稳定器钻具组合的结构特征和工作原理的基础上,应用三弯矩方法建立了垂直钻井系统配合单稳定器钻具组合的力学模型,推导出钻头侧向力和钻头转角的计算公式,编制了计算程序,采用宣页1井的现场施工数据进行数值求解,分析了垂直钻井系统导向块与稳定器配合位置、井斜角、井眼扩大率、钻井液密度、稳定器外径、钻压、井眼曲率等因素对垂直钻井系统配合单稳定器钻具组合造斜特性的影响规律,并以井斜趋势角为衡量参数,讨论了主动力与最大钻压的关系。     

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。     

低切力高密度无土相油基钻井液的研制

传统的油基钻井液采用有机土作为增黏剂来增加悬浮重晶石的能力,是一种含土相的油基钻井液,高密度条件下含土相油基钻井液流变性控制困难限制了其应用的范围。为此,以新研制的复合型乳化剂(G326-HEM)为核心,构建了无土相油基钻井液体系,并对该配方进行了优选和性能实验。结果表明:1无土相油基钻井液体系无须使用辅乳化剂、润湿剂,具有配方简单,高密度条件下流变性好等特性;2与含土相钻井液相比,高密度条件下塑性黏度、终切力低,降低了高密度钻井液因黏切高诱发井漏的风险,可节省10%的基础油;3塑性黏度和动切力随着油水比的降低而升高,不同密度下的油基钻井液选用不同的油水比;4无土相油基体系配方对基础油的适应性较广,可广泛应用于合成基、矿物油基钻井液。结论认为,该成果较好地解决了无土相体系在高密度条件下的电稳定性弱、悬浮稳定性差的难题,为页岩气及其他非常规气藏规模开发提供了技术保障。