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深水钻井隔水管振动响应分析

张修占  
【摘要】: 当今,国际油气资源的勘探和开发逐步迈向深水。深水钻井隔水管是海洋油气资源勘探和开发必不可少的设备,其整体动力响应和涡激振动问题是影响其安全作业和操作的重要因素,因此逐步成为工业界和学术界研究的热点问题。 本文建立半潜式钻井平台水动力分析模型,并进行了水动力计算,得到其运动频域响应函数,从而进一步模拟了平台运动。以浮式平台运动作为边界条件,综合考虑了波浪和海流等因素,建立了深水钻井隔水管非线性运动方程,并通过在时域内对四阶非线性偏微分方程的求解,分析了顶部张力、泥浆密度、波浪和海流等因素对隔水管整体动力响应的影响,详细研究了浮式平台运动的各项参数对隔水管动力响应的影响。研究表明浮式平台运动对隔水管动力响应有较大的影响,使隔水管上部产生较大的循环应力,从而产生不可忽略的疲劳损伤。 利用基于Gopalkrishnan刚性圆柱体的受迫振荡实验数据提出的流体力模型,本文建立了立管涡激振动响应时频联合预报模型。考虑了附加质量分布与无量纲频率的关系,迭代求出了真实响应频率和附加质量分布。利用VIVANA频域方法识别出参与涡激振动的响应频率,从而建立升力和阻力模型。在时域内,通过求解非线性偏微分方程,迭代求解出作用在立管上的流体力,进而得到立管涡激振动响应。为了验证预报模型的有效性,将预报结果与阶梯状来流和剪切流下的涡激振动实验结果的进行了校核。结果表明,与频域模型相比,本文模型预报出响应阶次、响应频率以及立管涡激幅值响应与实验结果吻合更好。


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