深水鉆井隔水管設(shè)計方法及其應(yīng)用研究.pdf

1、本文結(jié)合國家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計劃海洋技術(shù)領(lǐng)域重大項目“深水鉆完井關(guān)鍵技術(shù)”和中國海洋石油總公司綜合科研課題“深水鉆井隔水管工程方法研究及雙梯度鉆井跟蹤應(yīng)用研究”，系統(tǒng)開展深水鉆井隔水管設(shè)計方法及其應(yīng)用研究，通過理論研究、數(shù)值計算和計算機(jī)仿真，在(超)深水鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計影響因素分析、深水鉆井隔水管(準(zhǔn))靜態(tài)性能綜合研究、深水鉆井隔水管響應(yīng)參數(shù)敏感性分析及其預(yù)測模型研究、深水鉆井隔水管隨機(jī)非線性動力分析、懸掛模式深水鉆井隔水管軸

2、向動力分析、深水鉆井隔水管波致長期疲勞分析等方面取得較大的研究進(jìn)展。主要研究成果總結(jié)如下： 1(超)深水鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計影響因素分析(超)深水鉆井隔水管設(shè)計影響因素主要為環(huán)境因素與作業(yè)因素，前者主要包括水深、波浪、海流，后者主要包括鉆井液密度、底部海洋隔水管總成(Lower Marine Riser Package，簡稱LMRP)與井口防噴器(Blowout Preventer，簡稱BOP)脫離后鉆井隔水管系統(tǒng)懸掛模式、浮力塊

3、分布、渦激抑制設(shè)備、節(jié)流與壓井管線的工作壓力等。系統(tǒng)辨識了(超)深水鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計影響因素，研究了各因素影響隔水管系統(tǒng)設(shè)計的機(jī)理，分析了各影響因素與隔水管系統(tǒng)設(shè)計之間的關(guān)系，研究了(超)深水鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計方法。研究表明，水深和海流是(超)深水鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計最重要的影響因素，隔水管系統(tǒng)設(shè)計需要在懸掛模式與連接模式之間循環(huán)進(jìn)行以得到系統(tǒng)最佳配置。 2.深水鉆井隔水管(準(zhǔn))靜態(tài)性能綜合研究提出隔水管準(zhǔn)靜態(tài)分析的理論、原理和

4、方法，開發(fā)深水隔水管準(zhǔn)靜態(tài)性能分析系統(tǒng)。系統(tǒng)以隔水管最大Mises應(yīng)力作為波浪最大相位角判據(jù)，以C++Builder為開發(fā)環(huán)境，后臺調(diào)用ABAQUS求解器進(jìn)行計算，實現(xiàn)波浪最大相位角的自動搜索和隔水管的準(zhǔn)靜態(tài)分析。比較隔水管靜態(tài)與準(zhǔn)靜態(tài)分析的主要差異，研究了波浪相位角對隔水管準(zhǔn)靜態(tài)分析的影響。從工程應(yīng)用角度，展開了隔水管靜態(tài)性能的綜合研究。 3.深水鉆井隔水管響應(yīng)參數(shù)敏感性分析及其預(yù)測模型研究影響隔水管響應(yīng)的參數(shù)主要有隔水管幾何

5、參數(shù)、海況參數(shù)、浮力塊參數(shù)和作業(yè)參數(shù)。隔水管幾何參數(shù)包括隔水管外徑和壁厚，海況參數(shù)包括波高，波浪周期，流剖面，浮力塊參數(shù)包括浮力塊外徑、浮力塊長度和安裝位置，作業(yè)參數(shù)包括張力比(Top Tension Ratio，簡稱TTR)，鉆井船平均偏移以及鉆井液密度等。隔水管響應(yīng)參數(shù)敏感性分析的目的在于揭示這些參數(shù)對隔水管響應(yīng)的影響，為隔水管設(shè)計與系統(tǒng)配置提供依據(jù)?；谡辉囼灧椒ㄟM(jìn)行隔水管響應(yīng)參數(shù)敏感性分析，將上述影響隔水管響應(yīng)的11個因素各取

6、5個水平構(gòu)建L50(511)正交表，采用準(zhǔn)靜態(tài)分析系統(tǒng)進(jìn)行有限元計算，對正交試驗結(jié)果進(jìn)行極差與方差分析，定量和定性研究了不同參數(shù)對隔水管響應(yīng)的影響。 深水鉆井隔水管響應(yīng)預(yù)測模型研究目的在于無需進(jìn)行復(fù)雜的有限元計算即可對正常作業(yè)的隔水管響應(yīng)提供一個滿足工程需要的粗估計，為隔水管的初期設(shè)計階段提供一種快速求解方案。研究并提出了基于支持向量機(jī)(Support Vector Machine，簡稱SVM)的隔水管響應(yīng)預(yù)測模型，采用正交試驗

7、結(jié)果訓(xùn)練SVM，隨機(jī)產(chǎn)生新的試驗數(shù)據(jù)校核SVM預(yù)測精度，比較了SVM預(yù)測模型與回歸模型之間的精度差異，結(jié)果表明基于SVM的隔水管響應(yīng)預(yù)測模型可滿足工程應(yīng)用需要。 4 深水鉆井隔水管隨機(jī)非線性動力分析在對隔水管動態(tài)響應(yīng)數(shù)學(xué)模型與水動力載荷模型進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，研究了隔水管動態(tài)響應(yīng)分析技術(shù)。提出了時域內(nèi)采用ABAQUS/Aqua軟件進(jìn)行隨機(jī)波浪與鉆井船運(yùn)動作用下深水隔水管動力分析的方法。為實現(xiàn)隔水管時域隨機(jī)振動分析，首先進(jìn)行長峰隨機(jī)波浪的模

8、擬和模擬波浪的譜估計，然后根據(jù)鉆井船運(yùn)動解析式、波浪模擬得到的隨機(jī)波浪序列和鉆井船縱蕩響應(yīng)幅值算子(Respose Amplitude Operator，簡稱RAO)，迭代生成鉆井船運(yùn)動邊界條件，最后定義波浪序列和邊界條件，考慮隔水管其他的結(jié)構(gòu)、功能與環(huán)境載荷進(jìn)行有限元動態(tài)分析。 研究了脫離后懸掛隔水管的響應(yīng)分析技術(shù)，分析了懸掛模式隔水管的軸向動態(tài)響應(yīng)。懸掛隔水管動力分析的第一步是確定鉆井船的動態(tài)升沉響應(yīng)，硬懸掛模式計算隔水管柱

9、最大允許海況的準(zhǔn)則是隔水管無壓縮載荷。采用數(shù)值計算方法，根據(jù)波浪譜與鉆井船的升沉RAO得到鉆井船的升沉運(yùn)動響應(yīng)，再將鉆井船的升沉響應(yīng)時間歷程作為隔水管軸向動態(tài)分析的動邊界進(jìn)行懸掛隔水管軸向動態(tài)分析，得到隔水管不同位置的軸向應(yīng)力時間歷程。研究方法與結(jié)論可為隔水管懸掛模式選擇、鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計與配置及其優(yōu)化提供參考。 5 深水鉆井隔水管波致長期疲勞分析作為動力疲勞敏感結(jié)構(gòu)，深水鉆井隔水管的長期疲勞性能是重要的設(shè)計考慮。提出一種深水

10、鉆井隔水管波致長期疲勞計算方法，用以計算一階波浪載荷和波頻鉆井船運(yùn)動以及二階低頻鉆井船運(yùn)動引起的長期疲勞。根據(jù)波浪散布圖定義的短期疲勞工況，首先基于雙參數(shù)Pierson-Moskowitz波浪譜(簡稱P-M譜)與鉆井船RAO模擬隨機(jī)波浪與隨機(jī)鉆井船運(yùn)動，然后進(jìn)行隨機(jī)波浪載荷與鉆井船運(yùn)動作用下隔水管非線性動力分析。在得到隔水管響應(yīng)時間歷程的基礎(chǔ)上，考慮波浪散點圖中所有短期工況的概率，采用自行開發(fā)的專用程序?qū)崿F(xiàn)深水鉆井隔水管波致長期疲勞損傷