深水钻井隔水管浮力块配置方法研究

给出了合理配置隔水管浮力块的基本原则和主要流程;以深水钻井隔水管硬悬挂模式为例,对隔水管的轴向运动性能进行了分析,确定了悬挂状态下隔水管的动态张力,在此基础上给出了确定合理浮力系数的方法,并通过实例进行了计算与分析.本文提出的浮力块配置方法及相关研究结论可供工程应用参考.     

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。     

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。      

浮力块对隔水管固有频率的影响研究

为了避免钻井隔水管在深海环境中出现涡激振动现象,利用ANSYS软件,针对带浮力块和不带浮力块的隔水管系统进行了模态分析。定量研究了浮力块密度、长度及不同布置位置对隔水管固有频率的影响。研究结果表明,布置浮力块后隔水管的各阶固有频率都会相应增大;当隔水管布置浮力块的长度与起始位置相同时,随着浮力块密度的增大,隔水管的各阶固有频率值相应减小;当布置浮力块的密度与长度相同,且布置浮力块的位置靠近隔水管的下端时,隔水管的各阶固有频率越小;当布置浮力块的密度与起始布置位置相同时,隔水管的各阶固有频率会随着布置浮力块长度的增大而增大。得到的结论对涡激响应的研究具有重大意义。     

超深水钻井隔水管-井口系统涡激振动疲劳分析

超深水钻井作业经常发生隔水管涡激疲劳问题,而由隔水管涡激振动(VIV)引起的井口系统疲劳可能更为严重。根据超深水隔水管-井口系统VIV疲劳分析算法与计算流程,建立隔水管-井口系统整体有限元模型,通过模态分析提取各阶模态下所有节点的振型、斜率和曲率,应用SHEAR7程序进行详细疲劳分析,识别系统关键疲劳部位,评估系统的VIV疲劳寿命,并研究顶张力、防喷器(BOP)、导管结构尺寸及井口出泥高度对井口系统VIV疲劳特性的影响规律。针对南海某超深水井的隔水管-井口系统进行实例分析,结果表明,超深水隔水管 井口系统容易发生多阶模态振动,系统最大疲劳损伤位于导管上,系统疲劳寿命满足作业要求,适当提高顶张力、采用小型化的BOP、增大导管抗弯刚度以及降低井口出泥高度均可有效改善井口系统的VIV疲劳性能。     

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。     

海洋深水钻井隔水管系统动力特性分析

海洋钻井隔水管是连接海底井口与钻井船的重要设备,文中利用描述隔水管运动的四阶非线性偏微分方程,应用有限差分法对隔水管的受力情况进行数值分析,考虑了顶张力和浮力块以及其他因素对隔水管的影响,并编制了相应的计算软件。文中所提供的力学分析方法及计算程序具有方法简便、计算精度高和运算速度快等特点,能够为深水钻井隔水管设计和校核提供可靠的理论依据和指导,具有较好的应用价值。     

环境载荷对深水隔水管底部球接头的影响分析

隔水管底部球接头是深水钻井的关键部件 ,其工作状态及力学行为对安全作业显得格外重要。建立了深水钻井时海洋环境载荷作用下 ,隔水管及底部球接头静态分析的三维有限元力学模型 ,引入了非线性力学理论 ,计算结果更符合实际。计算分析表明 ,隔水管底部球铰处的转角是制约深水作业的重要参数 ,船体的漂移是影响它的最重要的因素 ;其次是隔水管顶部张力 ,随着顶部张力的增大 ,底部球铰的转角减小 ;随着海流速度的增大 ,底部球铰的转角增大 ;海浪的影响不明显。实际钻井过程中 ,当海流速度较大时 ,可通过增加顶部张力或加浮力块的方式来改善底部球接头的工作状况。     

海上深水钻井隔水管振动特性研究

针对海上深水钻井隔水管特点和实际钻井作业中的具体情况,建立了深水钻井隔水管受力模型,并通过能量法求解得到了较为精确的隔水管挠曲变形方程;在此基础上,采用结构力学研究和分析方法,得到了深水钻井隔水管固有频率的简便计算方法和表达式.本文所提出的海上深水钻井隔水管振动特性分析方法简便易行,对指导室内设计和现场作业有重要意义.     

深水钻井隔水管涡激监测传感器位置优化方法研究

研究了基于响应模态分析的深水钻井隔水管涡激监测传感器位置(即监测位置)优化方法.首先筛选出造成隔水管涡激疲劳的主要激励模态;对每阶主要激励模态,考虑隔水管倾斜的影响,根据响应加速度幅值最大原则找出可能的监测位置;在此基础上确定最佳监测位置,该位置处的其他主要模态响应加速度幅值最小.通过计算实例讨论了顶张力对传感器位置的影响,顶张力变化时,每阶模态的监测位置将相应变动.     

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。     

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...     

深水钻井隔水管连接作业窗口分析

采用通用组合确定准则和非线性搜索方法研究深水钻井隔水管连接作业窗口,建立隔水管-井口-导管整体有限元分析模型,并以钻井平台偏移值、表面海流流速和伸缩节冲程组合参数形式确定隔水管连接作业窗口。研究表明,隔水管钻井窗口总体上呈倒锥形:表面海流流速较小时(小于1.0 m/s),钻井窗口主要受底部挠性接头转角的影响,顺流方向海流流速增加会增大底部挠性接头转角,减小允许的平台最大偏移值,逆流方向相反;当表面海流流速超过1.0 m/s时,钻井窗口主要受顶部挠性接头转角的影响,此时在逆流方向海流流速增加会显著增大顶部挠性接头转角,导致钻井窗口迅速缩小。隔水管连接非钻井和启动脱离程序窗口主要受导管最大等效应力限制,随海流流速增大向逆流方向偏移。另外,通过对隔水管连接作业窗口影响因素进行分析,可知适当提高顶张力和降低钻井液密度可有效扩展隔水管的钻井窗口。图7表3参13     

深水钻井隔水管悬挂窗口确定方法

隔水管悬挂窗口为允许隔水管进行悬挂作业的环境载荷极值条件,钻前形成悬挂窗口对于指导隔水管现场作业至关重要。提出隔水管软、硬悬挂模式作业窗口分析方法,建立隔水管轴向动力分析有限元模型,基于隔水管悬挂作业限制准则,进行不同海况条件下的隔水管悬挂窗口研究。波高周期作业窗口分析表明,隔水管硬悬挂窗口受平台升沉运动与波浪周期共同影响,波浪周期在10~16 s、20~24 s 之间的作业窗口较窄,硬悬挂自存时推荐平台艏向取45°浪向角;隔水管软悬挂窗口主要受伸缩节冲程限制,不同浪向角下的作业窗口基本相同。波浪海流作业窗口分析表明,海流流速越大隔水管悬挂允许的最大波高越小。对比两种悬挂模式下的作业窗口,软悬挂模式较大地扩展了隔水管的悬挂作业窗口。     

深水钻井隔水导管挠曲方程及固有频率研究

从深水钻井隔水导管的实际情况出发,采用一端铰支、一端自由的约束方式,应用弹塑性力学中的位移变分原理,考虑隔水导管所受到的轴向张力、自重以及隔水导管倾斜角,建立了隔水导管挠曲方程,并由此推导出了隔水导管固有频率的计算公式.通过算例,分析了隔水导管倾斜角、几何尺寸、张力以及水深对隔水导管固有频率的影响,对深水钻井作业有一定的指导意义.     

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。     

深水钻井隔水管静态有限元求解器设计

借助仿真分析来确定钻井作业的最佳参数,对于降低钻井过程中隔水管系统失效危险性意义重大。在对深水钻井隔水管系统静态有限元求解研究的基础上,采用Matlab程序设计深水钻井隔水管静态有限元分析求解器,以1 500 m水深某井为例进行实例分析,并对分析结果进行了验证。设计时隔水管单根采用二维梁单元进行模拟,所支持的单元类型包括所有关键的隔水管部件,隔水管张力以恒定载荷的形式施加在隔水管系统顶部。研究结果表明,软件的计算结果与ABAQUS的计算结果吻合,二者形状规律一致,在数值上也很接近。     

深水钻井隔水管系统工程设计与分析软件系统开发

针对深水钻井隔水管系统专用分析软件缺乏的现状,开发出了一套具备深水钻井隔水管系统力学分析和工程设计功能的软件系统,可实现隔水管系统的静态分析、模态分析、动态分析和疲劳分析,以及隔水管系统的顶张力优化设计和浮力块配置优化设计.该软件系统采用模块化的编程方法,主体部分采用VC++实现,核心求解器采用MATLAB设计,其成功开发为深水钻井隔水管系统的设计和分析提供了一个有效的工具.实例分析表明,该软件系统的计算精度满足工程应用需要.     

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。