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深水钻井隔水管悬挂模式力学行为研究

谢真强  
【摘要】:深水钻井隔水管是连接海洋钻井装置和水下井口的重要结构,承受着复杂的作用力,一旦出现事故将会带来严重后果。在深水海域台风等极端天气频发,为了保护井口和钻井装置,必须断开隔水管与井口之间的连接,隔水管处于悬挂模式,当遭遇强台风等超过了隔水管悬挂自存的恶劣天气时,必须实施避台紧急撤离,隔水管的受力状态变得更加复杂。因此,开展深水钻井隔水管悬挂模式力学行为研究,对深水钻井安全控制方法的完善具有重要意义,本文主要研究成果如下:(1)针对深水钻井隔水管悬挂模式特点,综合考虑了平台升沉运动、顶部张紧器的补偿作用、海水阻尼以及隔水管底部LMRP/BOP的集中质量影响,根据动力学基本原理建立了隔水管悬挂模式纵向振动力学模型,并利用有限差分法对微分方程进行离散,结合模型上下边界条件以及初始条件对方程组求解,分析结果表明,软悬挂模式下的纵向振动位移和应力明显小于硬悬挂;随着水深、隔水管壁厚的增加,隔水管纵向振动位移逐渐减小;增加浮力块增加了隔水管纵向振动位移和底部应力;减小BOP质量和隔水管壁厚有效可以减小隔水管纵向应力。(2)针对海洋环境载荷对隔水管横向振动的动态响应问题,依据动力学基本原理建立了隔水管横向振动力学模型,考虑了海流力、海浪力以及隔水管自重等影响,结合悬挂模式的实际工况给出了模型边界条件,使用有限差分法推导出方程组的差分格式,通过FORTRAN编程对方程组进行求解。分析结果表明,平台漂移、水深和浮力块对隔水管横向位移影响较大;随着隔水管壁厚、BOP重量和海浪周期的增加,隔水管横向位移逐渐减小;随着海水阻力系数、波高和海流速度的增加,隔水管横向位移逐渐增加;减小BOP质量、隔水管壁厚以及增加浮力块可以有效降低隔水管应力值;而海水阻力系数、海浪周期和海流速度的变化对隔水管的应力值没有明显影响。(3)针对隔水管紧急脱离时钻井液泄放问题,依据流体动力学基本原理建立了隔水管钻井液泄放模型,考虑了管壁摩擦力、液柱冲击海水产生的拖曳力以及液柱自身重力等影响,并结合模型的初始条件对方程进行求解。分析结果表明,增加水深和钻井液密度,加快了钻井液泄放速度,同时也增加了摩擦力、压力损失以及泄放加速度,而隔水管壁厚变化对钻井液泄放没有明显影响。结合隔水管纵向振动模型和钻井液泄放模型进行了控制分析,分析结果表明,采用较大的顶部张紧力和较小的相位角脱离可以减少隔水管从反冲到被平台锁住的时间,而平台升沉运动幅值对反冲控制没有明显的影响。(4)针对隔水管悬挂模式作业窗口确定问题,根据已建立的隔水管纵向振动力学模型和横向振动力学模型,结合隔水管安全作业准则,对隔水管悬挂模式作业窗口进行分析计算。由隔水管悬挂自存作业窗口分析结果表明,海面风速和海面潮流速度主要影响隔水管顶部Mises等效应力,随着海面风速的增大,作业窗口逐渐减小,在较小海面风速或海面潮流速度下的作业窗口范围较大。由隔水管紧急撤离作业窗口分析表明,海流角度和航速主要影响隔水管顶部挠性转角,平台采用顺流撤离,允许的航速范围大,且能更快的撤离至安全区域,采用低速航行,允许的海流角度范围大,可以应用于海洋环境变化较快的天气条件


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