深水鉆井隔水管強度評價方法及應(yīng)用研究.pdf

1、本文以國家863計劃海洋技術(shù)領(lǐng)域“南海深水油氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)及裝備”重大項目課題“深水鉆完井關(guān)鍵技術(shù)”（2006AA09A106）子課題“深水隔水管與井口技術(shù)”為依托，面向南海特殊環(huán)境，系統(tǒng)開展深水鉆井隔水管強度評價方法及應(yīng)用研究，在隔水管耦合動力分析與波致疲勞特性評估、隔水管渦激振動數(shù)值模擬與疲勞評估及抑制技術(shù)研究、隔水管懸掛動力分析與避臺管理、隔水管.井口系統(tǒng)整體分析及應(yīng)用研究方面取得了較大的研究進(jìn)展，在理論方法上有所創(chuàng)新，部分研

2、究成果填補了國內(nèi)空白，可為我國海洋深水油氣勘探開發(fā)鉆完井技術(shù)發(fā)展提供有效的技術(shù)支持。主要研究進(jìn)展歸納如下： 1隔水管耦合動力分析與波致疲勞特性評估 建立包含浮體、系纜與隔水管在內(nèi)的超深水系泊鉆井系統(tǒng)的有限元分析模型，對耦合系統(tǒng)模型進(jìn)行時域隨機(jī)振動分析，基于作用在浮體上的環(huán)境力與每個時刻的細(xì)長結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的動態(tài)平衡確定浮體運動與隔水管響應(yīng)。分別基于耦合方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行隔水管動態(tài)響應(yīng)分析，通過對比分析指出，隔水管的極端響應(yīng)

3、主要由平均浮體偏移與低頻浮體運動控制，傳統(tǒng)方法將低頻浮體運動作為準(zhǔn)靜態(tài)效應(yīng)進(jìn)行處理是不準(zhǔn)確的?；隈詈舷到y(tǒng)分析方法對隔水管的波致疲勞特性進(jìn)行分析與評估。分析并比較波浪載荷與浮體運動、低頻載荷與波頻載荷對隔水管造成的載荷效應(yīng)，識別了隔水管的關(guān)鍵疲勞部位，指出浮體運動是隔水管的首要疲勞載荷，低頻疲勞對波致疲勞具有重要貢獻(xiàn)且受浮體與細(xì)長結(jié)構(gòu)之間耦合效應(yīng)影響顯著。 2隔水管渦激振動數(shù)值模擬、疲勞評估與抑制技術(shù)研究 基于RNGκ-

4、ε湍流模型和動網(wǎng)格技術(shù)，針對隔水管在海洋環(huán)境中的實際雷諾數(shù)范圍，對二維管柱的渦激振動進(jìn)行數(shù)值模擬，研究管柱響應(yīng)的不同分支、漩渦泄放模式及頻率響應(yīng)特性。數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)典實驗吻合良好，研究發(fā)現(xiàn)一個新的響應(yīng)分支一“超低幅分支”，提出升力系數(shù)中高階頻率的出現(xiàn)是導(dǎo)致圓柱響應(yīng)由高幅分支向低幅分支轉(zhuǎn)變的主要原因。 以基于風(fēng)險增強的疲勞準(zhǔn)則進(jìn)行隔水管VIV疲勞評估，考慮分析方法的不確定性與內(nèi)在偏差，克服了常規(guī)疲勞準(zhǔn)則的局限性。針對長期海流分布

5、對隔水管進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)VIV疲勞分析，計算確定隔水管的基本疲勞損傷。識別控制疲勞損傷不確定度的隨機(jī)變量，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)疲勞靈敏度研究，確定疲勞損傷不確定度，評價VIV疲勞安全因子大小，并進(jìn)行疲勞強度評估。 對深水鉆井隔水管VIV抑制技術(shù)進(jìn)行研究。對裝有減振器的管柱進(jìn)行VIV數(shù)值模擬，研究減振器的減振效果與機(jī)理，并對減振器尾角進(jìn)行優(yōu)化分析。研究浮力塊分布形式對隔水管VIV疲勞特性的影響規(guī)律，從抑制VIV疲勞損傷角度出發(fā)，針對不同的浮力塊覆蓋范

6、圍推薦相應(yīng)的浮力塊分布形式，并總結(jié)優(yōu)化準(zhǔn)則。 3隔水管懸掛動力分析與避臺管理研究 對超深水鉆井隔水管進(jìn)行起下作業(yè)分析，目的在于合理確定隔水管的浮力配置，確保隔水管起下作業(yè)的安全運行。研究不同浮力配置下隔水管的軸向張力波動特性，確定浮力配置的需求范圍，并對浮力配置部位進(jìn)行優(yōu)化分析。對硬懸掛與軟懸掛模式下隔水管的軸向動力特性進(jìn)行研究，比較了隔水管在兩種懸掛模式下的服役性能。對比分析隔水管在兩種懸掛模式下的軸向響應(yīng)與張力波動特

7、性，并討論了隔水管在兩種懸掛模式下的作業(yè)風(fēng)險。對超深水鉆井隔水管進(jìn)行臺風(fēng)自存分析，研究臺風(fēng)條件下懸掛管柱的服役性能，探討了隔水管懸掛自存的可能性。計算確定隔水管懸掛自存的作業(yè)窗口，并確定了不同環(huán)境條件下隔水管的適用懸掛長度。對超深水鉆井隔水管進(jìn)行避臺撤離分析，從保證隔水管結(jié)構(gòu)安全角度出發(fā)對鉆井船的航速和航向進(jìn)行優(yōu)化分析。研究隔水管頂部應(yīng)力或上球鉸轉(zhuǎn)角在不同鉆井船航速或航向下的響應(yīng)規(guī)律，確定了鉆井船在不同環(huán)境條件下懸掛不同長度管柱實施撤離

8、時的適用航速范圍。 4隔水管-井口系統(tǒng)整體分析及應(yīng)用研究 建立超深水鉆井隔水管與水下井口系統(tǒng)的整體有限元分析模型，以p-y曲線模擬導(dǎo)管與土壤之間的交互作用，并考慮固井質(zhì)量問題。分別基于整體模型和解耦模型對隔水管響應(yīng)與井口系統(tǒng)強度進(jìn)行分析，比較并討論兩種模型預(yù)測結(jié)果的差異。研究固井質(zhì)量、隔水管頂張力、BOP以及導(dǎo)管對井口系統(tǒng)強度的影響規(guī)律，提出改善井口系統(tǒng)強度的措施。對隔水管-井口系統(tǒng)進(jìn)行弱點分析，目的在于確定極端載荷作用