深水钻井隔水管力学特性研究

随着全球深水油气资源开发加速，深海钻井隔水管在恶劣海况和复杂工况下面临重大安全挑战。本书聚焦深水隔水管在钻井作业钻杆耦合作用、悬挂撤离及自由站立等复杂工况下的力学行为，通过实验研究、理论建模与工程应用相结合，系统揭示其动态响应机理及安全控制策略。基于自主设计的实验装置，开展隔水管-钻杆耦合及悬挂撤离复杂工况下深水钻井隔水管力学行为实验研究；建立深水钻井隔水管-钻杆耦合系统接触碰撞动力学理论模型和力学分析方法；建立恶劣海况悬挂撤离状态下隔水管纵横向动力学理论模型和力学分析方法；在此基础上开展恶劣海况自由站立状态下隔水管动力特性和方案可行性研究并进行复杂工况下深水钻井隔水管现场应用分析与软件研发；形成一套完整的隔水管钻井作业与应急撤离工况的力学行为安全分析方法与应用软件。

本书可供海洋油气井工程领域的科研人员、工程技术人员及相关专业的高等院校师生参考。

第1章 绪论 1

1.1 本书研究目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 3

1.2.1 深水钻井隔水管力学行为理论研究现状 3

1.2.2 隔水管接触碰撞力学特性研究现状 6

1.2.3 隔水管力学行为实验及测试研究现状 7

1.2.4 隔水管悬挂撤离力学行为研究现状 9

1.2.5 自由站立隔水管力学行为研究现状 10

1.3 本书主要研究内容 12

第2章 复杂工况下深水钻井隔水管力学行为实验 14

2.1 实验装置设计 14

2.1.1 相似原理 14

2.1.2 实验系统设计 15

2.1.3 实验管柱设计 16

2.1.4 数据采集与传感器布置 17

2.2 实验装置研制与安装 19

2.2.1 实验台架研制与海洋环境模拟 19

2.2.2 实验管柱研制与安装 20

2.2.3 数据采集系统研制与安装 21

2.2.4 实验辅助装置研制与安装 22

2.3 实验与数据处理 24

2.3.1 实验步骤 24

2.3.2 数据处理方法 25

2.3.3 实验相关参数计算 27

2.4 实验管柱固有频率与模态分析 27

2.4.1 隔水管与钻杆实验管柱固有频率 27

2.4.2 悬挂撤离实验管柱固有频率 28

2.5 隔水管-钻杆耦合系统动力特性实验 30

2.6 悬挂撤离状态下隔水管动力特性实验 33

2.6.1 悬挂撤离实验管柱力学响应特性分析 33

2.6.2 撤离速度对悬挂撤离实验管柱位移特性影响分析 35

2.6.3 撤离速度对悬挂撤离实验管柱频率响应影响分析 39

2.6.4 撤离速度对悬挂撤离实验管柱振动模态影响分析 39

2.7 本章小结 40

第3章 深水钻井隔水管-钻杆耦合系统动力学理论研究 42

3.1 深水钻井隔水管-钻杆耦合系统动力学模型建立 42

3.1.1 隔水管-钻杆动力学数学模型推导 43

3.1.2 隔水管与钻杆接触碰撞载荷计算 45

3.1.3 边界条件 45

3.2 海洋环境载荷计算方法 46

3.2.1 波浪载荷 46

3.2.2 海流载荷 47

3.3 模型离散与求解 49

3.3.1 有限元模型离散 49

3.3.2 广义α法模型求解 50

3.4 应力计算与强度校核方法 52

3.5 深水钻井隔水管-钻杆耦合系统动力学模型验证 54

3.6 深水钻井隔水管-钻杆耦合系统动力特性分析 55

3.6.1 隔水管-钻杆耦合系统接触碰撞动力特性 56

3.6.2 海流流速对隔水管动力特性影响分析 60

3.6.3 风速对隔水管动力特性影响分析 61

3.6.4 顶部张力对隔水管动力特性影响分析 63

3.6.5 浮力块配置对隔水管动力特性影响分析 64

3.6.6 平台偏移对隔水管动力特性影响分析 66

3.6.7 钻杆长度对隔水管动力特性影响分析 67

3.7 本章小结 69

第4章 悬挂撤离状态下隔水管动力学理论研究 70

4.1 悬挂撤离状态下隔水管动力学模型建立 70

4.1.1 数学模型推导 71

4.1.2 边界条件 73

4.2 模型离散与求解 75

4.2.1 模型离散 75

4.2.2 坐标转换方法 76

4.2.3 Newmark β法模型求解 77

4.3 悬挂撤离状态下隔水管动力学模型验证 79

4.4 悬挂撤离状态下隔水管动力特性分析 80

4.4.1 悬停状态下隔水管动力特性分析 81

4.4.2 静水中悬挂撤离状态下隔水管动力特性分析 84

4.4.3 平台航速对悬挂撤离状态下隔水管动力特性影响分析 87

4.4.4 海流流速对悬挂撤离状态下隔水管动力特性影响分析 90

4.4.5 平台振幅对悬挂撤离状态下隔水管动力特性影响分析 94

4.4.6 LMRP重量对悬挂撤离状态下隔水管动力特性影响分析 98

4.4.7 浮力块配置对悬挂撤离状态下隔水管动力特性影响分析 102

4.4.8 悬挂长度对悬挂撤离状态下隔水管动力特性影响分析 105

4.5 本章小结 109

第5章 自由站立状态下隔水管动力学理论研究 111

5.1 自由站立式隔水管方案介绍 111

5.2 自由站立状态下隔水管动力学模型建立 113

5.3 自由站立状态下隔水管动力学模型验证 114

5.4 自由站立状态下隔水管动力特性分析 115

5.4.1 连接工况下自由站立式隔水管动力特性分析 116

5.4.2 自由站立状态下隔水管基础动力特性分析 118

5.5 自由站立状态下隔水管动力特性影响因素分析 120

5.5.1 海流流速对自由站立状态下隔水管动力特性影响分析 120

5.5.2 风速对自由站立状态下隔水管动力特性影响分析 122

5.5.3 浮力罐长径比对自由站立状态下隔水管动力特性影响分析 123

5.5.4 浮力罐位置对自由站立状态下隔水管动力特性影响分析 125

5.5.5 浮力系数对自由站立状态下隔水管动力特性影响分析 127

5.6 本章小结 129

第6章 现场应用分析及软件开发 130

6.1 复杂工况下深水钻井隔水管现场应用分析 130

6.1.1 钻井工况下隔水管现场安全分析 131

6.1.2 悬挂撤离工况下隔水管现场安全分析 134

6.1.3 自由站立工况下隔水管现场安全分析 136

6.2 复杂工况下深水钻井隔水管动力特性分析软件设计 137

6.2.1 软件设计目标 137

6.2.2 软件模块功能设计 137

6.2.3 软件开发工具介绍 139

6.2.4 软件运行环境平台 140

6.3 复杂工况下深水钻井隔水管动力特性分析软件实现 141

6.3.1 软件登录 141

6.3.2 软件主界面与基础参数输入 141

6.3.3 软件分析结果查看 142

6.4 本章小结 147

参考文献 148