平台运动对深水钻井隔水管非线性动力响应的影响

文章建立了波浪、海流和船体运动等载荷综合作用下的深水钻井隔水管非线性时域动力响应模型,模型考虑了顶部张力和隔水管内部泥浆对隔水管动力响应的影响,计人了张力沿隔水管长度的变化,并采用有限差分法求解了四阶偏微分运动方程.计算了随机波浪和规则波浪下船体运动对深水钻井隔水管非线性动力响应的影响,研究分析了船体平均偏移以及波频响应和低频响应的周期和幅值对深水钻井隔水管动力响应的影响.结果表明,船体运动对深水钻井隔水管动力响应有较大的影响,在随机波浪和海流作用下,考虑船体运动时,隔水管上部最大弯矩增大了59%.船体的平均偏移主要影响底部最大弯矩.船体波频运动对上部最大弯矩有较大影响,随着波频响应的周期和幅值的变化,上部最大弯矩变化较快,而低频响应的则主要影响隔水管上部弯矩.     

超深水钻井隔水管动力分析理论研究与数值模拟

随着钻井作业向深水(500～1 500m)和超深水(1 500m以上)发展,在交变海洋环境载荷波浪力、海流力和浮式钻井平台运动的共同作用下,隔水管的动态响应更加显著.文中探讨了隔水管侧向振动的数学模型、动态特性分析中的结构与环境载荷建模技术及其非线性动力分析方法,研究并对比了不同分析方法在计算效率、计算精度和工程适用性等方面的差异.介绍了时域内应用ABAQUS软件进行超深水钻井隔水管非确定性动力分析的算法与详细流程,算例比较了不同边界条件对深水钻井隔水管动态特性的影响.研究表明,时域非确定性分析最为精确但需要时间最长,且只能采用线性AIRY波浪理论;理论上,海流主要引起隔水管动态响应的时不变部分,但该时不变部分不等同于海流引起的隔水管静态响应,一种简化方法只将海浪与钻井船运动作为动载荷而不考虑海流对动态响应的贡献;钻井船运动和波浪载荷是隔水管动态响应分析主要的动载荷,对于超深水隔水管来说,钻井船运动是首要的动载荷,其慢漂运动对隔水管性能有重要影响,而波浪仅对隔水管局部产生作用.     

深水钻井平台-隔水管系统波激疲劳分析

平台运动是深水钻井隔水管系统波激疲劳的主要来源之一。传统的隔水管波激疲劳分析不考虑或简化钻井平台运动,为了更精确地评估隔水管系统波激疲劳损伤,建立了深水钻井平台-隔水管耦合系统动力学模型及波激疲劳损伤评估方法,开展了动力定位和锚泊定位模式下的隔水管系统动力学响应及疲劳损伤分析,深入揭示深水钻井隔水管系统波激疲劳动力学特性。结果表明,两种定位模式下的平台-隔水管系统受波浪载荷的影响,在常规波浪频率范围内发生波频振动,锚泊定位模式下的平台-隔水管系统还呈现一定的低频特性;两种定位系统下的深水钻井隔水管系统疲劳损伤最大值均发生在隔水管系统顶部,锚泊定位模式下的隔水管系统波激疲劳损伤变异系数较大,动力定位系统下的隔水管系统波激疲劳损伤较大。     

新原理深海人工海床钻井系统耦合动力特性研究

针对现行水下钻井系统的技术、经济及安全局限性，提出一种新原理深海人工海床钻井系统。建立深海人工海床钻井系统的全耦合时域动力学分析方法，开展深海人工海床钻井系统的时域耦合动力特性研究，分析深海环境中人工海床系统的运动稳性、钻井隔水管、回接套管及系泊系统的动态极值响应特性，以及钻井隔水管、回接套管及系泊系统的强度性能。研究结果发现：深海人工海床系统的六自由度运动幅值较小，运动稳性良好；钻井隔水管的弱点位于其与海面接触部位，回接套管的弱点位于顶部应力节与顶部回接套管的连接处，系泊系统的弱点位于其顶部。新原理深海人工海床钻井系统可为我国深海及超深海油气的高效自主钻采提供一种全新的解决方案。     

大直径隔水管携岩工艺及计算

在海洋钻井过程中,泥浆从套管环空返至截面积显著增加的隔水管环空时,泥浆上返速度明显降低,岩屑举升效率下降甚至于不能满足正常携岩的要求.通过对国内外深水钻井泥浆举升技术的调研与分析,以及对直井及深水隔水管携岩理论进行的深入研究,提出了隔水管携岩工艺,即在保持原有泥浆循环系统基本不变的情况下,由增压管线向隔水管环空内注入泥浆,增大隔水管环空段的泥浆总排量,从而提高泥浆上返速度来实现隔水管环空携岩;给出了计算泥浆泵与增压管线的水力参数计算方法.上述的研究结果对深水钻探具有重要实用价值.     

隔水管垂直存放系统设计简介

隔水管垂直存放系统是一种新颖的隔水管处理系统,它是钻机行业井架内钻杆垂直存放系统成功解决方法的外延应用。通过对隔水管垂直存放系统的设计基础、系统组成、主要设备参数、系统保护等有关问题的阐述分析,指出隔水管垂直存放系统的解决方案对钻井装置的布置合理性影响很大,应引起重视。     

基于风险增强的钻井隔水管VIV疲劳评估

涡激振动(VIV)是深水钻井隔水管疲劳损伤的主要来源.合理评估VIV疲劳是进行隔水管疲劳设计的关键问题.应用基于风险增强的疲劳准则进行隔水管VIV疲劳评估.应用设计参数的最佳估计值对隔水管进行标准VIV疲劳分析,以确定隔水管的基本疲劳损伤.识别控制疲劳损伤不确定度的随机变量,并对这些变量进行标准疲劳灵敏度研究,以评价疲劳损伤不确定度.基于风险增强准则确定VIV疲劳安全因子的大小,同时考虑VIV分析模型的内在偏差,以建立对VIV疲劳的接受准则.以南海某深水区钻井隔水管设计为例进行分析.隔水管在设计寿命内的最大疲劳损伤为0.3570,在高、中、低三种安全等级下的许可疲劳损伤分别为0.1274.0.2410与0.5263,该隔水管设计仅满足低等级安全标准.     

基于钻井液上返流动作用下的隔水管动力学行为研究

本文对钻井隔水管在海洋环境载荷和钻井液上返流动耦合作用下的动力学行为特征进行了研究。通过能量法结合Hamilton原理建立了隔水管动力学模型，并引入弯曲梁单元的Hermite三次插值函数作为形函数对动力学模型进行离散，以此建立耦合作用下隔水管系统的有限元模型。在此基础上，在时域内通过Newmark积分法对隔水管系统的动力学响应进行数值求解，在频域内对隔水管系统的动力学特性进行模态分析，并进一步探讨钻井液参数对隔水管系统动力学行为的影响。通过数值模拟结果的对比发现：钻井液上返流速越大，隔水管的横向偏移越大，但其对隔水管的弯曲应力和固有频率影响不大；钻井液密度越大，隔水管的固有频率会增大，但其横向偏移会受到抑制。     

波流共同作用下隔水管动力响应非线性分析

为了探讨在波浪海流共同作用下隔水管的动力响应及涡激振动力分析,根据三维空间中隔水管运动的微分控制方程,以:MatteoIuca改进的Vanderpol尾流振子模型为基础计算涡激振动时隔水管与流体之间的相互作用.通过Hermite插值函数对隔水管的运动微分方程进行有限元离散,基于非线性分析理论利用当前拉氏描述(UL)建立了考虑几何非线性、预应力、涡激流固耦合等复杂因素影响的综合非线性增量平衡方程,并采用New-ton-Raphson迭代法和Newmark方法相结合的方法建立了空间隔水管非线性涡激动力响应的增量迭代算法.最后给出了考虑几何非线性与对外界荷载作用简化的位移分布包络线.以及横向涡激振动响应曲线.计算结果表明,所采用的方法正确、有效,可以为隔水管的生产没计及理论分析提供依据.     

深水半潜式钻井平台钻井设备配置方案的探讨

钻井设备配置是深水半潜式钻井平台的关键技术。本文着重就井架作业系统、BOP与采油树处理设备、隔水管移运设备、隔水管张紧系统、钻柱运动补偿装置等设备对半潜式钻井平台主尺度、总体性能和布置方案的影响作了探讨。     

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。     

浮式钻井装置隔水管张紧系统研究

针对浮式钻井装置的隔水管张紧问题,提出了几种解决方案,并对方案的补偿原理做了分析研究,同时也对DAT隔水管张紧系统设计作了阐述。     

深水钻井隔水管静态性能参数敏感性分析

采用ABAQUS软件，建立深水钻井隔水管的有限元模型，对隔水管的力学性能进行了研究。在此基础上，对隔水管参数敏感性进行了分析，研究深水钻井隔水管力学性能在不同工况下的变化规律，得到一些有用的结论可供工程应用参考。     

海上新型组合隔水导管抗冰极限承载力分析

为了提高海上钻井隔水导管抗冰承载能力,提出一种组合式钻井隔水导管,基于弹塑性力学基本理论,利用有限元分析软件ANSYS建立组合结构极限承载力计算模型,对不同组合方式的隔水导管结构抗冰极限承载力进行对比分析.结果表明,组合隔水导管结构相比单层隔水导管结构抗冰极限承载力提高幅度可达40％以上.     

深水半潜式井平台隔水管存储形式及作业功效研究

隔水管是深水半潜式钻井平台重要配置,为建造国内有自主知识产权第六代半潜式钻井平台地需要,对隔水管在平台两种存储形式即立放和平放形式进行研究,从所需设备配置、占用甲板面积、重心、总体布局和作业效率等多个方面对比分析立放和平放两种存储形式的优缺点.隔水管存放方式选择主要取决于公司设计理念和设计习惯及平台运营商的价值取向,文章所涉及的研究对国内半潜式钻井平台设计和隔水管作业有一定参考作用.     

计及海底井口影响的隔水管涡激振动响应特性试验

在靠近海底井口位置,隔水管周围流场受井口系统的影响发生变化,流固耦合下涡激振动可能诱发隔水管在横流向(CF方向)更为剧烈的振动。为了研究受管土装置影响的隔水管涡激振动响应特性,使用自主设计的管土装置模拟海底井口,采用8 m柔性立管,进行了均匀流下单管和受管土装置影响的涡激振动对比试验。试验通过FBG光纤应变片测得应变信息,使用模态叠加法、FFT变换处理分析试验数据,对比分析2组隔水管的主导频率、应变时历与幅值谱、无因次振幅以及激励力系数等参数沿管径的分布情况。结果发现管土装置影响下,隔水管主导频率减小;CF方向涡激振动增大,振幅沿径向呈非对称特征;涡激振动振幅更大,隔水管受流场的激励与阻尼更为剧烈。     

细长海洋立管涡激振动预报模型

涡激振动预报对于深水环境中的细长海洋结构物的设计至关重要.近年来出现的若干经验模型基于圆柱体受追振荡实验数据.文中介绍了细长海洋结构物涡激振动预报工具的发展,进而提出了一种基于圆柱体受迫振荡实验数据的预报模型.与现有的类似模型相比较,该模型更加直接地利用了原始模型实验数据,并且将立管的有限元模态分析并入到响应预报当中,以计及立管物理参数的不均匀特性.利用近期立管模型在阶梯状分布流以及剪切流中的涡激振动响应实验测量数据,验证了该模型的有效性.该模型的计算结果表明,立管的模态振型、模态频率与涡激振动响应高度耦合,并且对于低质量比的情况尤为明显.文中还指出了类似的基于受迫振荡圆柱体实验数据的预报模型存在的缺陷.