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基于内外流耦合作用的隔水管力学特性研究

曾诚  
【摘要】:海洋中蕴藏着丰富的油气资源,目前,海洋石油已成为世界石油工业的重要区域和科技创新的前沿。钻井隔水管是连接钻井平台和水下井口的关键通道,对海洋石油钻完井的安全性起到了至关重要的作用。隔水管在海水中既要承受自重和顶张力,也要承受外部海洋环境以及钻井工况的耦合作用,容易发生失效事故,严重影响到深水钻井的安全。因此,开展基于内外流耦合作用下的深水钻井隔水管力学特性研究具有重要的理论价值和工程指导意义。本文研究的主要内容及成果有以下几个方面:(1)根据海流和波浪对隔水管加载方式的不同,总结海流力和波浪力的计算方法,将二者合成为海洋环境载荷。并在此基础上建立隔水管微元静力学分析模型,使用有限差分法对方程进行求解,分析各影响因素对隔水管静力学特性的影响。结果表明,隔水管的流向变形、弯矩和偏移角随着顶张力的增大而明显减小;表面海流流速明显加剧隔水管的流向变形;平台偏移量的增大会使隔水管最大变形处上移,使得靠近海面的隔水管接头更容易脱落。(2)针对深水钻井隔水管系统特征,利用变分原理和泛函求极值法建立深水钻井隔水管系统固有频率计算模型,并使用有限元软件ADINA验证了该模型的正确性。分析各影响因素等对深水钻井隔水管固有频率的影响。结果表明,固有频率随着顶张力的增大而增大,且增幅明显;安装有浮力块的隔水管的固有频率比无浮力块的隔水管的更大。(3)针对隔水管从海面到海底受到的不同水流速度,将三维隔水管简化为二维圆柱,将三维流场简化为二维矩形流体域,基于有限元软件ADINA建立了隔水管二维绕流模型,研究不同尺寸隔水管在不同水流流速影响下的升阻力系数和涡泄频率的变化规律。分析显示管径对升阻力系数的影响并不明显,而涡泄频率随着隔水管外径的增大而减小。(4)在分析了隔水管涡泄频率和固有频率影响因素的基础上,使用有限元软件ADINA建立了基于内外流耦合作用的全尺寸隔水管有限元分析模型,并用前人的物理模型实验结果验证了有限元模型的正确性。结果表明,隔水管涡激振动“锁定”现象明显,钻井液密度越大,隔水管振动的响应振幅越大,响应频率越小,但钻井液流速对隔水管涡激振动特性影响不明显;表面海流速度增大时,涡激振动的振幅增大;隔水管轴向应力随表面海流速度的增大而明显增大,因此在极端海况下,增大顶张力来抑制涡激振动的方法会使隔水管轴向应力过大而危害钻井安全。通过本文的研究,基本形成了一套深水钻井隔水管静力学分析方法,建立了考虑钻井液流动的隔水管涡激振动流固耦合有限元分析模型,本文建立的理论分析方法和影响因素研究具有很好的理论研究价值。


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