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深水钻井隔水管耦合力学分析与数值模拟

刘珊珊  
【摘要】:海洋深水钻探是当前国内外最前沿的钻井技术之一,恶劣的自然环境对深海钻井装备提出了严格的要求。隔水管系统是海上钻井作业最关键的组成部分,同时也是整个钻井系统中薄弱环节,由于深水条件下隔水管柱的受力状态更加复杂,隔水管疲劳以及在海洋流体载荷条件下的破坏问题日益突出,因此,深水钻井隔水管系统力学分析是隔水管设计和使用涉及的重要研究课题。本文通过理论分析与数值模拟相结合系统的研究了深水钻井隔水管的受力变形、强度与疲劳、动力响应、流固耦合模态及流固耦合涡激振动规律。论文从以下几个方面展开研究:(1)深水钻井隔水管静力学分析根据隔水管在外载作用下的小应变大变形的特点,建立了考虑管内外流体共同作用下海洋深水钻井隔水管静力学模型,应用有限差分数值法对隔水管的受力情况进行求解,分析了隔水管系统的顶部张力、钻井平台漂移及长度对隔水管横向变形的影响;在此基础上,建立了隔水管与钻柱耦合静力学分析模型,计算了钻柱侧向力对隔水管横向弯曲变形影响;考虑环境载荷、隔水管、钻杆的相互作用,建立了基于钻井工况和海洋环境耦合作用的隔水管动力学模型,更符合实际钻井工况。在静力学分析基础上,应用ANSYS对深水钻井隔水管受波浪、海流以及其他海洋环境载荷作用时进行静态强度与疲劳分析,并分别考虑隔水管顶部张力、波浪高度、波浪周期以及海流速度等因素对隔水管强度的影响,为深水钻井隔水管设计及使用提供了科学依据。(2)深水钻井隔水管动力响应分析利用ANSYS软件对深水钻井隔水管进行了动力响应分析,包括预应力模态分析、谐响应分析和地震载荷影响下瞬态动力学分析。模态分析主要研究了顶张力和海流速度对固有频率的影响。此外,对比分析了不带钻柱和带钻柱两种情况下隔水管固有频率。谐响应分析得到了隔水管的主要共振频率,与模态分析的固有频率具有很高的相似性,为隔水管在受到波浪载荷发生共振的情况提供预判。对隔水管地震响应分析,主要评估了隔水管的变形、应力、张力、剪力和弯矩等随时间的变化。(3)深水钻井隔水管流固耦合模态及涡激振动分析采用ANSYS声流体单元模拟深水隔水管内部钻井液和外部海水,通过流固耦合分析计算了隔水管的湿模态,提取隔水管的流固耦合模态固有频率和振型。并分析了内部钻井液密度和粘度对隔水管固有频率的影响。采用Fluent和Mechanical对深水隔水管进行了双向流固耦合瞬态分析,计算了流体载荷的脉动和结构振动变形相互耦合的响应,为隔水管如何设计来降低涡激振动提供了一定的指导意义。在结构分析的基础上,对隔水管进行了疲劳分析,计算得到隔水管的疲劳寿命。


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