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基于管土模型的钻井隔水管振动特性研究

朱超  
【摘要】: 近年来,随着深水油气勘探和开发活动大大增加,海洋工程正在向更深的海域中建造生产系统,这是世界上海洋石油天然气工业发展的总趋势。我国浅海油气开发近些年取得了一定的成果,但深水区域的勘探与开发依然处于起步阶段,深水区油气勘探开发已经成为我国石油企业未来重点发展方向之一。 随着水深的不断增加,钻井环境条件随水深的增加变得更加复杂,作为平台重要的附属设备,隔水管受力状态更加恶劣和复杂,因此对隔水管进行振动特性研究和受力分析是一个至关重要的研究课题。国外在隔水管的设计理论,计算方法和施工安装技术等方面已经积累了多年的研究成果和经验,国内近几年也在理论研究,试验研究和数值模拟等方面取得了一定进展。 本文首先简要地介绍了海洋工程中基本的波浪理论,讨论了线性波浪理论和斯托克斯波浪理论的基本方程及其推导,介绍了海洋工程结构物中波浪力的计算方法以及计算小构件的波浪载荷时的Morison公式以及波浪理论的选取及曳力系数和惯性系数的确定。 本文利用有限元分析程序ANSYS建立了钻井隔水管与海底泥土相互作用的耦合分析模型,在隔水管底端入土部分,选取了P-y曲线法来计算隔水管与海底土壤接触部分的相互作用,并用有限元程序中的非线性弹簧单元建立了管土接触模型。在此模型基础上,对不同水深环境下管土模型与固支模型进行对比;计算了隔水管在不同性质土壤中的固有频率,并对隔水管泥面下固支点的位置确定进行了分析讨论;进行了流致振动的可能性分析;对钻井隔水管进行了简化建模分析,确定了隔水管所处的环境条件和环境载荷,研究了在波流联合作用下隔水管系统的弯曲载荷变化,比较精确地模拟了隔水管的受力状况;最后,对该隔水管进行了考虑几何非线性的瞬态动力学分析,得到了合理结果。


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