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深水钻井隔水管的振动分析与数值模拟

杨茂红  
【摘要】: 世界上已发现的海上油气储量有90%潜伏在水深超过1000米以上的深水区,因此,深水油气资源的开采是是未来油气工业的主战场。由于钻井环境条件随水深的增加变得相对复杂,隔水管柱的受力状态也更加恶劣和复杂,因此深水钻井隔水管系统的受力及振动分析是一个至关重要的研究课题。对于海洋深水钻井而言,隔水管振动破坏是设计和施工中必须考虑问题,特别是隔水管内流动不稳定性和隔水管外海洋环境载荷共同作用引起的振动问题研究较少,因此,研究该问题具有重要的实际意义和学术价值。 本文运用流体力学理论、波动理论及相关的分析方法,对海洋深水钻井隔水管所承受的环境载荷进行了分析和研究,得到了海流力和波浪力的计算公式,为计算隔水管环境载荷提供了依据,分析了管内气液两相流的波动压力,在前人实验工作的基础上,分析回归波动压力的振幅和波动压力的作用频率的计算公式。 考虑隔水管在环境载荷作用下的小应变大变形和轴向力影响的特点,以及隔水管内流动不稳定性对其振动的影响,建立了隔水管在内外载荷作用下的力学模型,推导了隔水管的振动微分方程,并对方程做了简化。在此基础上分析研究了深水钻井隔水管的振动特性,为隔水管的振动和减振分析提供了理论基础。 针对一个实例,运用有限元软件ANSYS对隔水管振动进行了数值模拟,通过模拟得到了隔水管振动时的最大横向变形、最大横向弯矩、最大应力及其所在位置。通过对隔水管在只受外载荷作用和受内外载荷共同作用时计算结果的比较,分析了内部流体载荷对隔水管振动的影响。 理论分析结合数值计算的结果,分析了隔水管系统本身的特性、顶部张力、管内流体作用、海洋环境载荷对隔水管振动的影响,并对实例参数做了优化。通过比较优化前后隔水管振动特性,对隔水管实例参数做了优化。本文所得到的结论对我国今后进行深水钻井隔水管的设计和使用提供参考。


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