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海洋深水钻井隔水管系统力学特征及施工参数优化研究

范鹏飞  
【摘要】:目前,世界上还有超过90%的海上油气储量是赋存在海面1000m以下的深水地层中,深水/超深水油气开发是油气工业的重要领域,也是国家深海战略的重要组成,随着深水油气田开发的不断深入,作业和生产过程中安全风险控制成为关注的技术热点和难点,海洋钻井系统中的隔水管是连接平台和水下井口的关键设备,要承受海洋环境和钻井工况的耦合作用,容易发生磨损、破裂等事故,国内外已多次发生因隔水管事故引起重大的经济损失和作业安全问题。考虑到深水海洋环境下隔水管系统受力情况的复杂性,本文分别建立了海流载荷、涡流载荷和波浪载荷的计算模型。并提出了深海和浅海的海流剖面计算模型,对比分析了深水流速剖面计算模型和浅水流速剖面计算模型的剖面数值差异,明确的了浅水流水剖面的适用局限性和建立深水流速剖面的必要性。建立海流载荷计算模型,将系统各位置处的载荷以微元段载荷的形式表现出来。建立涡流载荷的计算模型,根据涡流特征,结合斯托哈尔数,推导涡流载荷的计算表达式。研究发现,若在深水中采用浅水模型会造成海流载荷值和涡流载荷值的计算结果偏小,影响隔水管设计的准确性,增加施工风险。建立波浪载荷计算模型,首先确定了阻力系数和惯性力系数,然后结合Morison方程进行计算。研究发现海浪载荷和涡流载荷变化规律符合正余弦函数变化,此规律有利于计算过程中的力学施加,另外得出海流载荷比涡流载荷和海浪载荷影响范围大,对隔水管系统的能量输入起决定性作用,但在确定浮力块配置方案时,涡流载荷和海浪载荷是重要考虑因素。本文根据力平衡和力矩平衡建立了隔水管四阶动力学方程,采用有限差分进行求解,收敛性良好,稳定性强,迭代误差小,可分析隔水管系统的动、静力学特征。根据理论研究编制了隔水管系统分析软件,适用于隔水管正常工况、极限工况、暂停工况和应急脱落工况设计分析,可优化浮力块配置、顶张力配置和钻井液密度等工况参数。本文研究发现顶张力对隔水管的力学特征影响很大,若张力器无法为隔水管提供足够的顶张力,须安装浮力块,可通过优化浮力块位置和长度减小隔水管系统的涡激振动。本文编制的隔水管系统分析软件可为深水海洋钻井施工提供设计思路和安全性验证。


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