深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用研究.pdf

1、本文結(jié)合國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計(jì)劃海洋技術(shù)領(lǐng)域重大項(xiàng)目“深水鉆完井關(guān)鍵技術(shù)”和中國(guó)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(jì)方法及其應(yīng)用研究，通過(guò)理論研究、數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真，在(超)深水鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)模型研究、深水鉆井隔水管隨機(jī)非線性動(dòng)力分析、懸掛模式深水鉆井隔水管軸

2、向動(dòng)力分析、深水鉆井隔水管波致長(zhǎng)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(jì)影響因素分析(超)深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)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(jiǎn)稱LMRP)與井口防噴器(Blowout Preventer，簡(jiǎn)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(shí)了(超)深水鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響因素，研究了各因素影響隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)理，分析了各影響因素與隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，研究了(超)深水鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)最重要的影響因素，隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tái)調(diào)用ABAQUS求解器進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)波浪最大相位角的自動(dòng)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(duì)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(cè)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(zhǎng)度和安裝位置，作業(yè)參數(shù)包括張力比(Top Tension Ratio，簡(jiǎn)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(duì)隔水管響應(yīng)的影響，為隔水管設(shè)計(jì)與系統(tǒng)配置提供依據(jù)?；谡辉囼?yàn)方法進(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(gè)因素各取

6、5個(gè)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(jì)算，對(duì)正交試驗(yàn)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(duì)隔水管響應(yīng)的影響。 深水鉆井隔水管響應(yīng)預(yù)測(cè)模型研究目的在于無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的有限元計(jì)算即可對(duì)正常作業(yè)的隔水管響應(yīng)提供一個(gè)滿足工程需要的粗估計(jì)，為隔水管的初期設(shè)計(jì)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(jiǎn)稱SVM)的隔水管響應(yīng)預(yù)測(cè)模型，采用正交試驗(yàn)

7、結(jié)果訓(xùn)練SVM，隨機(jī)產(chǎn)生新的試驗(yàn)數(shù)據(jù)校核SVM預(yù)測(cè)精度，比較了SVM預(yù)測(cè)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(cè)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(dòng)力分析在對(duì)隔水管動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)學(xué)模型與水動(dòng)力載荷模型進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，研究了隔水管動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析技術(shù)。提出了時(shí)域內(nèi)采用ABAQUS/Aqua軟件進(jìn)行隨機(jī)波浪與鉆井船運(yùn)動(dòng)作用下深水隔水管動(dòng)力分析的方法。為實(shí)現(xiàn)隔水管時(shí)域隨機(jī)振動(dòng)分析，首先進(jìn)行長(zhǎng)峰隨機(jī)波浪的模

8、擬和模擬波浪的譜估計(jì)，然后根據(jù)鉆井船運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)稱RAO)，迭代生成鉆井船運(yùn)動(dòng)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?jiǎng)討B(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(dòng)態(tài)響應(yīng)。懸掛隔水管動(dòng)力分析的第一步是確定鉆井船的動(dòng)態(tài)升沉響應(yīng)，硬懸掛模式計(jì)算隔水管柱

9、最大允許海況的準(zhǔn)則是隔水管無(wú)壓縮載荷。采用數(shù)值計(jì)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(dòng)響應(yīng)，再將鉆井船的升沉響應(yīng)時(shí)間歷程作為隔水管軸向動(dòng)態(tài)分析的動(dòng)邊界進(jìn)行懸掛隔水管軸向動(dòng)態(tài)分析，得到隔水管不同位置的軸向應(yīng)力時(shí)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(jì)與配置及其優(yōu)化提供參考。 5 深水鉆井隔水管波致長(zhǎng)期疲勞分析作為動(dòng)力疲勞敏感結(jié)構(gòu)，深水鉆井隔水管的長(zhǎng)期疲勞性能是重要的設(shè)計(jì)考慮。提出一種深水

10、鉆井隔水管波致長(zhǎng)期疲勞計(jì)算方法，用以計(jì)算一階波浪載荷和波頻鉆井船運(yùn)動(dòng)以及二階低頻鉆井船運(yùn)動(dòng)引起的長(zhǎng)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(jiǎn)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(dòng)，然后進(jìn)行隨機(jī)波浪載荷與鉆井船運(yùn)動(dòng)作用下隔水管非線性動(dòng)力分析。在得到隔水管響應(yīng)時(shí)間歷程的基礎(chǔ)上，考慮波浪散點(diǎn)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(zhǎng)期疲勞損傷