动力定位模式下考虑钻井立管角度响应的最优控位方法

随着海上浮式移动钻井设施作业水深的不断增加,钻井立管受水面浮体运动与海洋环境载荷的影响将更加复杂,如何通过有效的定位方法来保证水面平台与水下立管的联合作业安全是深海环境下油气开发面临的重要挑战。针对浮式移动设施水下钻井、修井的位置保持问题,本文在动力定位模式下设计一种考虑钻井立管顶、末端角度响应的控位方法,以满足立管安全运行限制域的要求。联合水面浮体与水下立管的低频运动特性分析与建立水面浮体运动偏移与立管顶、末端角度的相对运动关系与模型。在动力定位控位策略中引入最小化钻井立管角度响应的目标函数及其约束条件进行最优化动态期望位置规划,并通过“海洋石油981”深水钻井平台及其立管系统进行了仿真验证。     

海洋平台垂荡作用下立管的非线性涡激振动特性研究

立管是海洋工程中常用的一种典型细长体结构物，研究立管在海洋平台垂荡和内外流体共同作用下的非线性动力学特性具有重要的学术意义和应用价值。本文采用Hamilton原理和Galerkin方法建立了顶张力立管的二维非线性动力学模型，将平台垂荡运动模拟为随时间变化的顶端张力，研究海洋平台运动和立管非线性涡激振动的耦合位移响应。研究结果显示，增加顶张力可以改变结构的固有频率，在可变张力作用下，立管的位移响应在相邻模态之间可以相互转换。通过与已有实验数据进行对比，验证了本文分析方法和数值计算结果的合理性。本文研究结果可为海洋立管的非线性涡激振动分析提供理论参考。     

深水钻井立管建模与角度安全控制

从水面钻井平台与水下立管联合作业的安全角度出发，提出一种将钻井立管的力学响应限制特性引入水面平台动力定位闭环控制中的位置保持方法，实现水面钻井平台（或船舶）基于立管角度响应的动态定位。利用有限元方法建立包括立管系统质量、系统刚度、结构阻尼和水动力载荷在内的立管运动控制模型。联合水面浮体和水下立管的低频运动特性建立水面浮体运动偏移与水下立管顶端角度及末端角度的相对运动关系模型。在此基础上，设计基于立管运行响应的动力定位控位方法，实现对立管顶端角度及末端角度的安全控制。仿真结果表明，所提出的方法可行，在外界突变的环境载荷瞬时作用于水面浮体时，能更快地跟踪新的期望最优位置，保证钻井立管运行在安全界限内。     

顶张式立管液压气动式张紧器的模拟方法

综合考虑液压气柱的张力-冲程非线性关系、液压气柱与立管之间的夹角以及平台-张紧器-立管之间的耦合关系,研究顶张式立管液压气动式张紧器的不同模拟分析方法。选取3种典型工况,对不同张紧器模拟方法下立管的动态响应进行仿真计算,分析比较不同模拟方法的科学性和适用性。结果表明:在顶张式立管分析过程中,张紧器的合理模拟至关重要,是否考虑液压气柱和立管之间的夹角对立管响应的影响不大;恒定集中力模型不能反映立管张力的变化规律,而且立管响应也存在较大差别,故不宜采用;线性模型可用于平台运动幅值较小的情况;非线性模型最能反映张紧器的刚度特性,且在极端载荷环境下尤为适用。     

深水钢悬链线立管顺流向非线性动力分析

深水钢悬链线立管在外部流体作用下的动力响应在立管的性能优化设计中是非常重要的.文章考虑了深水钢悬链线立管轴向大应变的特性以及弯曲刚度和内流的影响,利用Hamilton原理和拉格朗日应变理论建立了立管的二维动力学模型.将外部流体的非线性作用力用Morison方程表示,通过Hermite插值函数对动力学方程进行离散,采用平均加速度法求解立管的动力响应.探讨了外部流体的非线性作用力对海洋立管顺流向动力响应的影响以及不同流速和拖曳力系数与海洋立管共振响应幅值的关系.     

干涉对海洋立管涡激振动影响实验研究

文章进行了干涉对海洋立管涡激振动影响的实验研究,实验分为立管前后排列和并肩排列两部分。立管间距为3~10倍直径,模型材料采用有机玻璃,长1.5 m,外径18 mm,壁厚2 mm,边界条件均为铰接,外流速分别从0.3~0.8 m/s,每级增加0.1 m/s。通过在立管表面粘贴应变计获得动态应变数据,分别从立管的横向动态响应、振幅、频率等方面对前后排列、并肩排列立管以及和单独立管的实验数据进行对比研究。结果表明,当有外流通过时,立管会受到其他立管尾流的影响,漩涡脱落引起的振动由于间距及排列方式的不同而显著不同,使得立管的动力特性、动力响应以及漩涡的脱落形式同单个立管相比均有较大的变化。     

柔性立管涡激振动响应轨迹特性研究

为了深入研究细长柔性立管的涡激振动响应特性,进行了柔性立管的拖曳水池试验。由拖车拖动立管产生相对来流,根据应变测试得到的应变数据,基于模态叠加法得到位移响应。试验分析前,通过数值方法先针对刚性立管的涡激振动响应轨迹特性进行了分析。紧接着,通过试验方法对柔性立管的单模态以及多模态涡激振动响应轨迹特性进行了深入的分析和讨论。通过分析发现:柔性立管在低速下具有与刚性立管类似的轨迹响应特性,均呈现经典的8字形状;柔性立管在高速下,其轨迹开始变得混乱,这主要是由位移的多模态响应特性所产生。     

南海自由站立式立管设计与分析

自由站立式立管可作为南海油气开发的立管形式。根据设计参数建立自由站立式立管系统模型,根据南海某油田环境参数校核立管各工况下的强度结果并进行疲劳分析,探讨自由站立式立管动态强度与疲劳特性并验证是否满足规范要求。分析结果表明：该立管设计满足规范中的强度与疲劳要求,且疲劳性能较好;立管等效应力最大处为立管主体顶部应力节下端;最危险浪流方向为沿立管向平台方向;立管主体应力水平受平台运动影响较小,受顶部张紧力以及海流大小影响较大;疲劳损伤最大处位于立管主体顶部,且涡激疲劳损伤大于浪致疲劳损伤。     

波致立管疲劳损伤计算方法研究

针对波浪作用下平台运动引起的立管疲劳损伤,进行完整的频域计算方法研究。首先采用势流理论对平台的运动响应进行分析,求得平台的运动频响函数;接着采用有限元法对立管的应力响应进行分析,求得立管的应力频响函数;最后,结合立管材料的S-N曲线,采用谱分析方法对四种不同海况下波致立管振动引起的疲劳损伤进行分析,获得损伤沿立管轴线方向的分布曲线。研究结果表明：波致立管振动疲劳损伤与有义波高密切相关,疲劳损伤值随着波高的增加成指数次方增长;立管的最大疲劳损伤值通常出现在立管的边界区域。     

内波对海洋立管的作用

海洋内波作为海洋水体中特殊的非线性波动现象,对海洋立管的作用特征尚处研究阶段。本文首先分析海洋内波的成因及研究现状,之后结合我国南海海洋内波多发特性,对该海域内已建立管在内波作用下的特性进行分析,得出合理化建议。随着我国南海深水油气资源开发战略的推进,研究内波对海洋立管的作用具有重大的学术意义和实际应用意义。     

Mechanical model and characteristics of deep-water drilling riser-wellhead system under internal solitary waves

Internal solitary waves with a huge amount of energy easily trigger the large dynamic responses of riser-wellhead system and threaten its structural safety. However, previous studies have only focused on the dynamic response of the riser under internal solitary waves. The riser may experience excessive traction from the platform, especially from the mooring platform, in response to the arrival of internal solitary waves. The bottom of the riser connects to the wellhead system, which in turn exerts a reaction force on the riser. To address this problem, a coupled dynamic model of deep-water drilling mooring platform-riser-wellhead system under internal solitary waves is developed in this paper. A dynamic response analysis method based on the fourth-order Runge-Kutta method and finite element method is also proposed for the mooring platform-riser-wellhead system. A dynamical solver for the coupled system is then developed using MATLAB. The dynamic response characteristics of the riser-wellhead system under internal solitary waves are calculated. Results show that the displacement and bending moment of the system initially increases and then decreases along with the propagation of internal solitary waves, and finally reach equilibrium position. The displacement and bending moment reach their peak before the trough of internal solitary waves passes through the riser-wellhead system. The dynamic responses of the riser-wellhead system under the influence of internal solitary wave loads are much larger than those without the effect of internal solitary wave loads. The riser system experiences shearing loads at the interface of internal solitary waves, which trigger a step-like bending moment variation. The bending moment of the conductor under the mudline is greatly increased by the internal solitary waves.     

水下压缩空气储能系统柔性立管响应特性分析（英文）

With the rapid development of marine renewable energy technologies, the demand to mitigate the fluctuation of variable generators with energy storage technologies continues to increase. Offshore compressed air energy storage(OCAES) is a novel flexible-scale energy storage technology that is suitable for marine renewable energy storage in coastal cities, islands, offshore platforms, and offshore renewable energy farms. For deep-water applications, a marine riser is necessary for connecting floating platforms and subsea systems. Thus, the response characteristics of marine risers are of great importance for the stability and safety of the entire OCAES system. In this study, numerical models of two kinds of flexible risers, namely, catenary riser and lazy wave riser, are established in OrcaFlex software. The static and dynamic characteristics of the catenary and the lazy wave risers are analyzed under different environment conditions and internal pressure levels. A sensitivity analysis of the main parameters affecting the lazy wave riser is also conducted. Results show that the structure of the lazy wave riser is more complex than the catenary riser; nevertheless, the former presents better response performance.     

深水钢悬链线立管(SCR)安装分析研究

海管(立管)是海底生产系统和浮武装置之间的关键连接.随着海洋油气开发水深的不断增加,对海管(立管)自身以及辅助施工设备的性能都提出了更高要求,施工及正常作业的安全保证愈加重要.基于立管分析软件Orcaflex,针对项目中的SCR立管进行了安装分析,并依据规范进行应力、应变校核,可为深水安装分析及方案的确定提供一定的技术参考和理论支持.     

环境荷载共同作用下自升式平台地震响应分析

自升式海洋平台是海上施工的重要设备,其造价昂贵、设计复杂,承受着复杂的环境荷载作用。目前关于地震对其作用的研究还较少,有必要进行地震与风、浪、流等荷载对自升式平台的动力分析研究。文中在考虑流体附加质量及地基土体抗转效应的前提下,建立了适合动力分析的海洋平台计算模型,并利用弹塑性时程分析方法研究了其在地震及其他环境荷载共同作用下的动力响应。结果表明环境荷载作用方向对现役自升式海洋平台的抗震性能有着较大的影响,在平台结构抗震性能评估中应予以重视。     

考虑平台作用的顶张式立管动力分析

上层浮式平台的运动幅度比固定式平台大,对立管的影响更明显.为了解平台对顶张式立管动力的影响,提出一种动力分析方法.在一定的条件下建立立管的数学模型,采用软件Tube2D对平台和立管进行动力响应和弯曲应力分析,得到考虑平台作用的立管扶正器布置间距参数的敏感性和立管弯曲应力的变化.结果表明:对于考虑平台作用的立管模型而言,内套管与油管在立管上部更容易发生碰撞,从避碰的角度考虑,应适当减小立管上部扶正器的布置间距;各层立管的弯曲应力按弯曲刚度之比分配的结果与实际计算结果不符,应根据耦合立管模型的计算结果对各层立管进行强度校核.     

多功能施工平台在恶劣环境荷载下结构动力响应

自升式多功能施工平台结构刚度小,受近海大波浪、长周期涌浪等恶劣荷载影响,结构动力响应剧烈。结合线性化的莫里森方程和随机波浪理论,以自升式多功能施工平台为原型,利用ANSYS有限元软件分别对平台模型进行了模态分析和瞬态动力响应分析,得到了平台结构的频率特性和振动特性,为平台的安全性和可靠性评估,以及如何控制平台结构的振动响应提供了理论基础。     

海上养殖平台系泊系统耦合动力响应与疲劳计算

以某管架式海上养殖平台为例,计算平台-系泊系统耦合时域动力响应与系泊系统疲劳寿命,分析锚链拉力统计特性、平台运动规律、疲劳损伤成分比例等因素的影响。研究发现系泊系统动力响应具有明显的非线性特征,定常漂移力对本平台系泊系统极限载荷有重要影响,而波频振荡是产生疲劳损伤的主要因素。计算结果表明,系泊缆能够有效限制平台运动,且疲劳寿命满足设计要求,可为类似平台的设计和安全性评估提供参考。     

桩基建模方法对自升式钻井平台动力响应的影响

随着海洋油气开采作业水深的不断增加,海洋平台固有频率随之降低,易与相同频率成分的波浪产生共振,因此对平台动力响应特性研究是非常有必要的,而桩基模型在平台动力响应分析中发挥着关键作用。以某400英尺自升式钻井平台研究对象,基于等效建模的思想,分别建立了固支桩基、铰接桩基、线性弹簧桩基及非线性弹簧桩基四种有限元模型,并对其进行静力分析、模态分析及瞬态动力学分析,通过对比得到的振动频率、动力放大因子及波流惯性力,得出弹簧桩基模型在平台动力响应分析中的有效性及合理性结论。     

基于顶部张紧式立管动力分析的关键参数研究

文中提出了一种适用于工作于南中国海张力腿平台(TLP)的顶张紧式立管(TTR),并利用有限元软件ABAQUS/AQUA对该立管进行了模拟分析,计算用以预测立管波浪飞溅区和立管下部区域在波浪以及平台联合作用下的影响。计算时采取时域计算方法,计算过程中考虑了几何非线性的影响。并在计算完成TTR在位动力分析的基础之上,做了一定量的参数敏感性分析,重点考察立管侧向位移,弯矩以及等效应力水平对TTR一些重要参数的敏感性。结果表明,计算顶张力TTR动力分析时,必须考虑平台侧向位移跟轴向位移的耦合作用,立管响应受其顶部TLP平台以及张力比TTF的影响较大。随着立管顶部张力比TTF的增加,立管的变形逐渐变小,但顶部张力的增加同时增加了立管内部的等效应力,立管设计时应充分考虑到这两者之间的"平衡"关系。