深水钻井隔水管共振式疲劳试验研究

以深水钻井隔水管的全尺寸弯曲疲劳试验为契机,对共振式疲劳试验方法的实际应用进行了探索。基于该方法在隔水管疲劳试件设计、试验过程及结果分析等方面进行了系统分析和研究。试验测试结果证明了采用有限元模态计算进行隔水管全尺寸疲劳试件结构设计的正确性。通过理论加载曲线和实测加载历程的对比验证了共振式弯曲疲劳试验加载方法的正确性。该试验的成功为共振式疲劳试验方法和相应试验设备在大直径管材全尺寸疲劳试验领域的深入应用提供了参考。     

深水钻井隔水管单根寿命管理方法

深水钻井隔水管面临多种失效模式,对隔水管单根寿命进行管理有助于提高隔水管服役的可靠性。基于深水钻井隔水管系统完整性管理流程,提出了隔水管单根寿命管理方案:根据隔水管事故统计结果识别深水钻井隔水管的主要失效模式;建立隔水管单根失效风险矩阵,详细阐述深水钻井隔水管单根失效概率分析和失效后果分析的过程及方法;最后确定隔水管单根的检测要求、检测方法与维修方法。      

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。     

深水钻井隔水管疲劳监测方法分析

钻井隔水管是深水钻井的重要装备,在深水恶劣环境下容易发生疲劳损坏,因此对其进行疲劳监测尤为重要。通过分析深水钻井隔水管疲劳的诱因,对疲劳监测进行了分类,确定了监测装置的安装位置和数量,制订了深水钻井隔水管疲劳监测的3个方法 (单机监测、有线实时监测及声学实时监测)。对比分析了疲劳监测方法在国内外钻井隔水管上的应用情况,分析结果表明:对结构和环境进行监测可以确定钻井隔水管的疲劳状态,通过运动监测可以间接获得隔水管的疲劳状态;深水钻井隔水管疲劳监测的3个方法中,声学实时监测方法具有很大优势,有望成为以后的研究重点;国产化隔水管监测装置应继续改进和创新。研究结果可为我国深海油气的安全开发提供技术支撑。     

超深水钻井系统隔水管波致疲劳研究

钻井隔水管是深水油气田开发的关键装备,钻井系统浮体运动与波浪载荷可能导致隔水管的疲劳失效。在超深水环境下,浮体与细长结构之间的交互作用十分显著,而基于常规解耦方法预测得到的隔水管波致疲劳状况是不准确的,因此,建立了超深水环境下的系泊钻井系统有限元模型。基于耦合系统分析方法,对隔水管疲劳特性进行的研究表明,由低频浮体运动导致的低频疲劳是引起隔水管疲劳失效的重要因素,同时受浮体与细长结构之间耦合效应的影响也比较显著。因此,精确预测浮体运动是分析隔水管波致疲劳的关键,推荐采用耦合系统分析方法。     

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。      

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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。     

深水钻井隔水管疲劳试验载荷分析

针对海洋深水钻井隔水管在疲劳试验过程中的加载问题,提出了一种疲劳试验载荷的计算方法.用该方法计算了试样在各种应力幅下进行疲劳试验时的内压数据(轴向载荷),及在偏心块不变状态下加载电机的转速与试样焊缝处交变弯曲应力幅的对应关系(横向载荷).通过与国外权威机构所进行的深水钻井隔水管疲劳试验数据对比.验证了该计算方法的正确性.此方法可作为深水钻井隔水管疲劳试验外载荷的计算依据.     

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.     

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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，钻井隔水管的力学分析显得越来越重要。建立了深水钻井时在海流、波浪等海洋环境载荷的作用下，深水隔水管强度分析的三维有限元力学模型，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，使计算结果更加符合实际情况。深水钻井隔水管一般要承受复杂的三维载荷，即波浪力和海流不在一个受力平面上。文章还针对深水钻井隔水管的实际受力情况，重点研究了海底暗流对钻井隔水管强度的影响。并对弯曲载荷分布规律进行了计算分析。研究表明，而在隔水管靠近水面的位置，其弯曲载荷最大。在这些弯曲载荷大的位置，应特别注意隔水管的强度问题。暗流对海洋深水钻井隔水管的弯曲强度产生显著的影响，在进行隔水管强度设计及现场钻井作业中，应特别考虑暗流的存在及其对隔水管强度的影响。     

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。     

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。     

深水隔水管疲劳监测方法初探

深水隔水管是海洋油气钻探开发的关键构成,也是最脆弱、最危险的部件。深水隔水管疲劳监测技术在预防隔水管事故方面具有不可或缺的作用。我国已踏上深水油气钻探开发的新征程,迫切需要强大的隔水管监测技术作支撑。为此,介绍了隔水管监测的目的和意义,探讨了深水隔水管疲劳监测的相关方法,特别对疲劳参数检测及其传输方法两个关键难题给予足够关注。随后介绍了我国的隔水管疲劳监测技术以及南海试验,旨在为深水油气钻探开发的安全进行提供技术支持。     

轴向载荷对海洋深水钻井隔水管力学特性的影响分析

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,隔水管及底部球接头静态分析的三维有限元力学模型,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等特点,引入了非线性理论,其计算结果更加符合实际情况。海洋深水钻井隔水管的轴向载荷对其力学特性有显著的影响,因此．在实际钻井作业过程中,隔水管顶部应保持足够的张力,避免隔水管处于受压状态。     

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。     

钻井隔水管接头结构参数对其强度的影响研究

针对深水钻井隔水管快速连接接头在复杂环境载荷作用下容易发生强度破坏的问题,采用ANSYS软件建立了双卡簧式快速连接接头有限元计算模型,并结合隔水管在波流耦合作用下的整体瞬态动力响应结果对其进行强度分析,研究了接头结构参数对其强度的影响规律。分析结果表明,隔水管快速连接接头最大应力出现在外接头和上卡簧接触的下部位置,最大应力可达255 MPa,满足结构强度要求;双卡簧受力情况为上卡簧受力比下卡簧普遍要大,另外,双卡簧在顶部和右下角处容易产生较明显的应力集中现象。左端面倾角、右端面倾角和倒角半径对隔水管接头最大应力的影响非常显著。考虑到实际情况,接头左、右端面倾角最优值分别为50°和15°,而其倒角半径的最优值为2 mm。该分析结果可为深水钻井隔水管快速接头的设计提供参考。     

海洋钻井隔水管适用性评价技术研究

根据海洋钻井隔水管自身特点,采用基于断裂力学的单根适用性评价方法,考虑隔水管疲劳载荷特点和海浪的随机载荷影响,通过分析和控制缺陷扩展可以避免疲劳失效,并进行剩余疲劳寿命预测。计算实例表明,波浪载荷是造成海洋钻井隔水管疲劳损伤的重要原因,海洋钻井隔水管的初始裂纹尺寸a0越小,其疲劳寿命越长,反之,则寿命越短。因此,提高裂纹检测水平,以及尽早发现细小缺陷对延长钻井隔水管的剩余寿命至关重要。     

深水钻井隔水管多模式损伤评估

深水钻井隔水管系统面临多种失效可能,不同类型的损伤出现位置也不同。考虑了涡致疲劳、腐蚀和磨损3种损伤类型,并根据深水隔水管配置和实际环境条件,针对损伤最易发生的区域进行作业寿命预测,从整体上评估了隔水管的损伤等级。评估结果表明,随着作业水深的加大,隔水管磨损问题日益凸现,应成为重要的预防和管理对象。