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深水钻井隔水管系统参数激励响应分析

窦文婷  
【摘要】:隔水管系统作为连接海上平台与海底井口的一种重要设备,不仅受到波浪、海流、风等自然环境所造成的载荷作用,平台的升沉运动也会造成隔水管系统顶部载荷的变化,进而造成隔水管系统内部几何刚度的变化,产生参数激励现象,对隔水管系统的安全作业造成重大的威胁。本文依托国家“973”项目“海洋深水油气安全高效钻完井基础研究”子课题“深水海底井口-隔水管-平台动力学耦合机理与安全控制”,采用有限元方法对深水钻井隔水管系统的参激振动现象进行深入研究,开展深水钻井隔水管系统参激振动实验分析,形成有限元参数激励理论模型和参激振动仿真求解器,得出参激振动响应规律,为我国深水钻井安全作业提供理论依据。本文的主要研究内容总结如下:(1)在常规深水钻井隔水管系统理论模型的基础上提出深水钻井隔水管系统参数激励理论模型。采用Galerkin方法将隔水管系统的参激振动理论模型转化为Mathieu方程,基于Mathieu方程开展深水钻井隔水管系统的参激振动稳定性区域研究。分别分析考虑阻尼和不考虑阻尼对隔水管系统参激振动不稳定性区域的影响,并对深水钻井隔水管系统参激振动响应特性进行分析。(2)考虑到模态叠加分析方法的不足,建立深水钻井隔水管系统参数激励有限元分析模型,采用Newmark积分法对深水钻井隔水管系统参激振动有限元模型进行求解。利用MATLAB建立深水钻井隔水管系统固有频率和参数激励分析求解器,通过VC++与MATLAB混合编程搭建深水钻井隔水管系统参数激励响应分析仿真平台。(3)基于深水钻井隔水管系统参数激励响应分析求解器,对隔水管系统连接工况和悬挂工况下的参数激励现象进行模拟分析,确定深水钻井隔水管系统参激振动响应规律。将基于有限元法得出的深水钻井隔水管系统参激振动响应结果与基于Mathieu方程分析方法得出的响应结果进行对比,验证有限元分析方法的准确性及优势。基于连接工况分析不同因素对深水钻井隔水管系统参激振动响应的影响,提出减小或避免隔水管系统参激振动的方法。(4)设计了深水钻井隔水管系统参激振动实验模型及实验方案,对平台升沉运动引起的隔水管系统参激现象进行实验模拟,进一步验证深水钻井隔水管系统参激振动响应规律。通过求解器对实验模型进行仿真并与实验结果对比,验证有限元法及参激振动求解器的准确性,进一步完善深水钻井隔水管系统参数激励有限元分析方法。


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