深水鉆井隔水管設(shè)計方法及其應(yīng)用研究_圖文

1、中國石油大學(xué)(華東博士學(xué)位論文深水鉆井隔水管設(shè)計方法及其應(yīng)用研究 姓名:暢元江申請學(xué)位級別:博士專業(yè):機械設(shè)計及理論指導(dǎo)教師:陳國明20080601摘要本文結(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非線性動力分析、懸掛模式

2、深水鉆井隔水管軸向動力分析、 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)計的機理, 分析了各影響因素與

3、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

4、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TrR,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 l 1個因素各取5個水平構(gòu)建三50(511正交表,采用準(zhǔn)靜

5、態(tài)分析系統(tǒng)進行有限元計算,對正 交試驗結(jié)果進行極差與方差分析,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(Support Vector MachiIle,簡稱SVM 的隔水管響應(yīng)預(yù)測模型,采用正交試驗結(jié)果訓(xùn)練SVM,隨機產(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非線性動力分析在對隔水

6、管動態(tài)響應(yīng)數(shù)學(xué)模型與水動力載荷模型進行研究的基礎(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軟件進行隨機波浪與鉆井船運 動作用下深水隔水管動力分析的方法。為實現(xiàn)隔水管時域隨機振動分析,首先進行長 峰隨機波浪的模擬和模擬波浪的譜估計,然后根據(jù)鉆井船運動解析式、波浪模擬得到 的隨機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)。

7、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 運動以及二階低頻鉆

8、井船運動引起的長期疲勞。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)PiersonMoskowitz波浪譜(簡稱P.M譜與鉆井船RAO模擬隨機波浪 與隨機鉆井船運動,然后進行隨機波浪載荷與鉆井船運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計算。算例計算南海 海域1,500m鉆井隔水管的波致長期疲勞。重點研究了鉆井船運動、頂部張緊力和隔水 管單根壁厚對隔水管疲勞損傷的影響。關(guān)鍵詞:深水鉆井隔水管:設(shè)計方法;結(jié)構(gòu)分析;應(yīng)用技術(shù)Design Approach and Its A

9、pplication for Deepwater Drilling Risers CHANG Yuanjiang(Mechanical Design and TheoryDirected by Prof.Chen GuomingAB STRACTThe dissertation focuses on design approach and its application for deepwater drillingrisers,which is a part of the“863”Hi曲Technology Research and Development Program of China(N

10、o.2006AA09A 1064and the project of“Research on Deepwater Riser Engineering Methods and Trace Study of Dual-Gradient Drilling Technology”sponsored by CNOOC. Design approachand its application for deepwater drilling risers is investigated systemically based on theoretical research,numerical calculatio

11、n and computer simulation,including analysis of influencing factors for design of ultra-deepwater drilling risers system, comprehensive study on(quasistatic performance of drilling risers,parametric sensitivity analysisand research on response prediction model of drilling risers,nonlinear dynamic an

12、alysis of risers subjected to random wave loads and vessel motion,axial dynamic behavior of hungoff drilling risers and long-term wave fatigue analysis of deepwater drilling risers, and SO on.111e main works are summarized as follows:l Analysis of Influencing Factors for Design of(UltraDeepwater Dri

13、lling Risers System Environmental and operational factors are the main factors that affect the design of (ultradeepwater drilling risers system.The former include water depth,wave,current,and the latter include drilling fluid density,hung-off mode after disconnection of LMRP(Lower Marine Riser Packa

14、ge謝m BOP(Blowout Preventer,and vortexinducedvibration suppression devices,buoyancy modules distribution,service pressure of choke and kill lines, et a1.This paper presents a systemic description of the factors affecting the design of(ultra deepwater drilling risers system,identifies the mechanism of

15、 the factors affecting the design of drilling risers system,and analyzes the relationships between the influencing factors and the design of drilling risers system.The research shows that water depth and current are the most significant factors influencing the design of the drilling riser system,and

16、 the design of it should be conducted between hung-off and connected mode to obtain the optimal configuration of the drilling riser system.2Comprehensive Study on(quasiStatic Performance of Deepwater Drilling Risers Theory,principle and method for quasistatic analysis of deepwater drilling risers ar

17、e presented in the paper.Quasistatic analysis system for drilling riser by use of ABAQUS in the background is developed in C+Builder environment.Then,the automatic search for the maximal wave phase as well aS the nonlinear quasistatic analysis of the top tensioned drilling riser is implemented.Based

18、 on the above research,the results are compared between static and quasistatic analysis,and the effect of wave phase angle on riser quasistatic performanceis investigated.In the end,a comprehensive study of riser static performance is made from the viewpoint of engineering application.3.Parametric S

19、ensitivity Analysis and Response Prediction Model of Deepwater Drilling RisersGeometry parameters,seastate parameters,buoyancy modules parameters and operation parameters are the main factors affecting the response of deepwater drilling risers.Geometry parameters include outside diameter and wall th

20、ickness of the drilling risers,seastate parameters include wave height,wave period and current profile,buoyancy modules parameters include outsidediameter,length and configuration position,and operational parameters include TTR(Top Tension Ratio,drilling fluid density and mean offset of the drilling

21、 vessel.The purpose of parametric sensitivity analysis is to disclose the effect of those parameters on drilling riser response, and to provide reference for the design and configuration of drilling riser system.Sensitivity analysis of parameters affecting the response of the riser is conducted base

22、d on orthogonal test approach in this paper.L50(5兒orthogonal table is built after 11factors noted previously being considered in orthogonal test with 5 levels adopted in each factor.Finite element calculation is carried out by use of quasistatic analysis system,and range and variance analysis of tes

23、t results is made.As a consequence,the effect of parameters on riser response is analyzed qualitatively and quantitatively.Research on response prediction model for deepwater drilling risers is to provide a rough estimation on riser response which meets the need of engineering application without co

24、mplicated finite element calculation,and to provide a simple and applicable solution at the stage of preliminary design of the drilling risers.Response prediction model based on support vector machine(SVMis investigated and proposed in this paper.SVM is trained by orthogonal test results,and its pre

25、dication accuracy is checked by randomly generated new test data.The difference in accuracy between SVM and regression predication model is compared,and the result indicates that predication model based on SVM meets the need of engineering application.4Nonlinear Dynamic Analy7ses of Deepwater Drilli

26、ng Risers Subjected to Random Wave Loads and Vessel MotionBased on the theoretical research on mathematical model and hydrodynamic loads model for riser dynamic analysis,analysis techniques of dynamic response for deepwater drilling risers are discussed thoroughly.An approach is proposed for calcula

27、ting the nonlinear dynamic response of deepwater drilling risers subjected to random wave and vessel motion 嘶m finite element solver ABAQUS/Aqua in time domain.Firstly,wave trains and the associated sea surface elevation time history based on the simulation of the long-crested random wave should be

28、determined,then dynamic vessel motion based on the wave train and the specified Response Amplitude Operator(RAOof the drilling vessel should be determined, and finally finite element dynamic analysis Can be performed after definition of wave series, boundary condition,structural and environmental lo

29、ads is completed.Response analysis technique of the hungoff riser after disconnection is studied,and Vaxial dynamic behavior of it is analyzed.T11e first step in dynamic analysis of the hungoff riser iS to determine the vessel heave motion.The calculation of the maximum permissible seastate for a dr

30、illing riser string in a hard hangoff configuration is generally based on a criterion of no compressive loading.By use of numerical calculation method,heave motion of the drilling vessel is determined according to wave spectrum and heave RAO.which iS the dynamic boundary condition of the hung-oIjF r

31、iser.Then the axial stress time history in the riser at different position is obtained.The related conclusions Call provide reference for selection of hung-off mode,drilling riser system configuration and its optimization.5Long-term Wave Fatigue Analysis of Deepwater Drilling RiserAs a dynamic,fatig

32、ue sensitive structure,longterm fatigue performance of thedeepwater drilling risers is an important design consideration.Anapproach of long term wavefatigue analysis for deepwater drilling riser iS presented,which can be used to calculate the long term fatigue of drilling risers subjected to 1st ord

33、er wave force,wave Ijrequency vessel motion and 2nd order lOW行equency vessel motion.By use of the proposed method.according tothe short term fatigue case defined by the wave scatter diagram,random wave and random vessel motion require to be determined based on the dual parameters of wave spectrum an

34、d the RAO of the drilling vessel.Then,nonlinear dynamic analysis of the drilling riser under random wave loads and vessel motion boundary condition Can be performed. Based on the response time history obtained by random nonlinear dynamic analysis, considering the probabilities of shortterm cases in

35、the wave scatter diagram,a self-developed special program is employed to calculate the long term wave fatigue.As an example,long term wave fatigue of the 1,500m deepwater drilling riser in South China sea is calculated.The effect of drilling vessel motion,top tension and wall thickness of the riser

36、joint 011fatigue damage of drilling riser is mainly investigated.Key Words Deepwater drilling riser;Design approach;Structureanalysis;Applicationtechnique表格目錄表1.1鉆井隔水管事故原因分析3表1.2(超深水鉆井船(半潛式平臺鉆井隔水管配置.4表1.3Cameron公司10,000ft超深水鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計與配置5表2.1不同作業(yè)模式下隔水管極限準(zhǔn)則.23表3.1鉆井隔水管可能承受的載荷35表3.2深水鉆井隔水管屬性與計算環(huán)境載荷參數(shù)“.

37、42表3.33種不同的流剖面風(fēng)流與潮流參數(shù)43表3.4浮力塊直徑&安裝長度參數(shù)51表3.5不同浮力條件下底部撓性接頭轉(zhuǎn)角對比.52表4.1極差分析法原理55表4.2隔水管正交試驗設(shè)計的因素與水平56表4.31,500m鉆井隔水管正交試驗方案.56表4.41,500m鉆井隔水管正交試驗結(jié)果.58表4.5隔水管最大Mises應(yīng)力(MPa極差分析一59表4.6隔水管最大彎曲應(yīng)力(MPa極差分析60表4.7隔水管最大橫向變形(m極差分析60表4.8隔水管底部撓性接頭最大轉(zhuǎn)角(。極差分析60表4.9隔水管最大Mises應(yīng)力方差分析.61表4.1O隔水管最大彎曲應(yīng)力方差分析61表4.11隔水管最大

38、橫向變形方差分析62表4.12隔水管底部撓性接頭最大轉(zhuǎn)角方差分析62表4.13隨機實驗數(shù)據(jù)組合65表4.14隔水管最大Mises應(yīng)力(MPa預(yù)測值與計算值對比65表4.15隔水管最大橫向變形(m預(yù)測值與計算值對比.66表4.16隔水管最大彎曲應(yīng)力預(yù)測值與計算值對比(MPa.66表4.17隔水管底部撓性接頭最大轉(zhuǎn)角(。預(yù)測值與計算值對比.66表5.1DNV推薦的隔水管動態(tài)分析方法.74表5.2組成波列中前10個正弦波參數(shù)表.80表5.3隔水管動力分析的三種鉆井船運動邊界條件.86表6.1南海海域波浪散點圖(%98表6.2對應(yīng)于整體疲勞環(huán)境的加權(quán)疲勞等效應(yīng)力幅與年疲勞損傷.99X插圖目錄圖1.1鉆

39、井隔水管示意圖.2圖1.2鉆井隔水管災(zāi)難性破壞3圖1.3鉆井隔水管渦激振動導(dǎo)致井口破壞3圖1-4論文主要研究內(nèi)容框圖.13圖2.1水深對海洋鉆井隔水管的影響.15圖2.2鉆井隔水管單根16圖2.3RF螺栓法蘭接頭.16圖2.4隔水管擠毀臨界水深與隔水管壁厚關(guān)系.17圖2.5HIS隔水管單根試驗18圖2.6作業(yè)中HIS隔水管單根18圖2.7規(guī)則波作用于隔水管的載荷機理.19圖2.8海流對(超深水鉆井隔水管的影響20圖2.9海流對鉆井船偏移的影響20圖2.10四種典型流剖面下隔水管渦激疲勞損傷2l 圖2.11目前全球典型的深水流剖面2l 圖2.12鉆井隔水管下放期間海流流速與隔水管底部水平變形關(guān)系

40、22圖2.13基于水圈(鉆井船偏移的隔水管作業(yè)包絡(luò)線.22圖2.14典型的鉆井作業(yè)包絡(luò)線23圖2。15鉆井液密度和頂張力對底部撓性接頭轉(zhuǎn)角的影響25圖2.16脫離后懸掛模式深水鉆井隔水管.26圖2.17硬懸掛鉆井隔水管示意圖26圖2.18軟懸掛鉆井隔水管示意圖.26圖2.19作業(yè)中的浮力塊隔水管單根28圖2.20渦激抑制設(shè)備(左為螺旋輪鐵,右為減震器29圖2.21(超深水鉆井隔水管設(shè)計方法與過程.31圖3.1頂部張緊鉆井隔水管靜態(tài)分析示意圖。34圖3.2隔水管單元三向應(yīng)力狀態(tài).36圖3.3ABAQUS軟件關(guān)于波浪相位角的定義.37圖3.4ABAQUSqb提取最大正值彎曲應(yīng)力的截面點.38圖3.

41、5隔水管準(zhǔn)靜態(tài)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)39圖3.6ABAQUS腳本界面與ABAQUS/CAE苯系40圖3.7隔水管水動力學(xué)外徑4l 圖3.8幾何非線性對隔水管彎矩分布的影響.4l 圖3.9第一分析步隔水管靜態(tài)分析應(yīng)力分布.42圖3.10第二分析步隔水管靜態(tài)分析應(yīng)力分布.42圖3.11三種不同流剖面形狀.43圖3一12最大Mises應(yīng)力隨波浪相位角變化“ 圖3.13底部撓性接頭最大轉(zhuǎn)角隨波浪相位角變化44圖3.14靜態(tài)與準(zhǔn)靜態(tài)分析隔水管彎矩分布對比45圖3.15靜態(tài)與準(zhǔn)靜態(tài)分析隔水管橫向局部變形對比.45圖3.16靜態(tài)與準(zhǔn)靜態(tài)分析隔水管局部復(fù)合應(yīng)力對比46圖3.17靜態(tài)與準(zhǔn)靜態(tài)分析隔水管局部軸向應(yīng)變對比46

42、圖3.18張力比對隔水管彎矩分布的影響.47圖3.19張力比對隔水管橫向變形的影響47圖3.20鉆井船偏移、張力比對隔水管最大橫向變形的影響47圖3.21偏移、張力比對撓性接頭轉(zhuǎn)角的影響48圖3.22水深、偏移和張力比對下部最大彎矩影響.48圖3.23鉆井船偏移對隔水管橫向變形的影響.49圖3.24鉆井船偏移對隔水管彎矩分布的影響49圖3.25鉆井液密度對隔水管Mises應(yīng)力的影響.49圖3.26鉆井液密度、頂張力對撓性接頭轉(zhuǎn)角影響49圖3.27流剖面對隔水管彎矩的影響.50圖3.28表面流速、張力比對撓性接頭轉(zhuǎn)角影響50圖3.29浮力塊對隔水管彎曲應(yīng)力影響51圖3.30浮力塊對隔水管橫向變形

43、影響5l 圖3.3l不同長度浮力塊對隔水管Mises應(yīng)力影響:.52圖4.1支持向量機結(jié)構(gòu)示意圖。64圖5.1頂部張緊鉆井隔水管動態(tài)分析模型70圖5.2深水鉆井隔水管頂部與底部動態(tài)位移響應(yīng)的時間差。73圖5.3隔水管頻域隨機振動譜分析.74圖5-4不同有效波高的P.M波浪譜密度.75圖5.5長峰波頻域波浪譜與時域隨機波浪關(guān)系76圖5.6波浪譜分割原理.78圖5.7隨機波面高度時間歷程(有效波高8m。79圖5.8隨機波面高度時間歷程(有效波高6m79圖5.9隨機波面高度時間歷程(有效波高4m。79圖5.10隨機波浪的譜估計及與理想譜對比8l 圖5.11系泊船只的運動模式.82圖5.12鉆井船縱蕩

44、RiO(幅值比83圖5.13鉆井船縱蕩RiO(相位差.83圖5.14鉆井船縱蕩運動時間歷程(T=200s.83圖5.15鉆井船縱蕩運動時間歷程(T=100s.84圖5.16不考慮慢漂的鉆井船縱蕩運動時間歷程84圖5.17時域內(nèi)采用ABAQUS進行隔水管動力響應(yīng)分析流程85圖5.18第一類邊界條件下隔水管彎曲應(yīng)力時程86圖5.19第一類邊界條件下底部撓性接頭轉(zhuǎn)角時程86圖5.20第二類邊界條件下隔水管彎曲應(yīng)力時程86圖5.21第二類邊界條件下底部撓性接頭轉(zhuǎn)角時程86圖5.22第三類邊界條件下隔水管彎曲應(yīng)力時程87圖5.23第三類邊界條件下底部撓性接頭轉(zhuǎn)角時程87圖5.24不同邊界條件隔水管彎曲應(yīng)

45、力包絡(luò)線對比87圖5.25不同邊界條件隔水管橫向變形包絡(luò)線對比.87圖5.26鉆井船升沉aho(幅值比88圖5.27鉆井船升沉gAO(相位差88圖5.28鉆井船升沉運動響應(yīng)時間歷程(有效波高為4m88圖5.29鉆井船升沉運動響應(yīng)時間歷程(有效波高為6m89圖5.30硬懸掛模式鉆井隔水管動張力變化89圖5.31硬懸掛模式隔水管軸向應(yīng)力時間歷程(頂部.89圖5.32硬懸掛模式隔水管軸向應(yīng)力時間歷程(中部.90圖5.33硬懸掛模式隔水管軸向應(yīng)力時間歷程(底部.90圖6.1平均周期對波浪譜分布的影響。93圖6.2兩種周期波浪的隨機波面高度時間歷程.93圖6.3時域內(nèi)隔水管長期疲勞計算流程.97圖6.4

46、GOM一年一遇流剖面.98圖6.5鉆井隔水管單元彎曲應(yīng)力時程.99圖6。6鉆井船運動對彎曲應(yīng)力包絡(luò)線(幅值影響.100圖6.7頂部張緊力對彎曲應(yīng)力包絡(luò)線(幅值影響.100獨創(chuàng)性聲明我呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師指導(dǎo)下個人進行的研究工作及取得的研究 成果。盡我所知,除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外,論文中不包含 其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果,也不包含為獲得其它學(xué)位或證書而 采用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文 中作了明確的說明并表示了謝意。特此聲明。聲明人(簽名:關(guān)于論文使用授權(quán)的說明2吣緝6月h日本人完全了解中國石油大學(xué)有關(guān)保留、采用學(xué)位論文的規(guī)定,即:學(xué) 校有權(quán)保

47、留送交學(xué)位論文的復(fù)印件,允許學(xué)位論文被查閱和借閱;學(xué)?？?以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容,可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段 保存學(xué)位論文。特此說明。說明人(簽名:嘩指導(dǎo)教師(簽名:巡卜拜6月o日深水鉆井隔水管設(shè)計方法及其應(yīng)用研究創(chuàng)新點摘要(1進行波流聯(lián)合作用下隔水管靜態(tài)分析時,需要忽略波浪的動載效應(yīng),按準(zhǔn)靜力 方法處理波浪載荷的作用。完整提出了深水鉆井隔水管準(zhǔn)靜態(tài)分析的理論、原理和方 法,開發(fā)了深水隔水管準(zhǔn)靜態(tài)分析系統(tǒng),從整體與局部的等效與彎曲應(yīng)力、應(yīng)變與橫 向變形等方面比較了隔水管靜態(tài)與準(zhǔn)靜態(tài)分析的主要差異,從工程應(yīng)用角度展開了隔 水管靜態(tài)性能的綜合研究。(見第3章(2采用正交試驗方法進行深

48、水鉆井隔水管響應(yīng)參數(shù)敏感性分析,提出了基于SVM 的隔水管響應(yīng)預(yù)測模型。進行隔水管響應(yīng)參數(shù)敏感性分析時,將影響隔水管響應(yīng)的11個因素各取5個水平構(gòu)建L50(511正交表,采用開發(fā)的準(zhǔn)靜態(tài)分析系統(tǒng)進行有限元計算, 然后對計算結(jié)果進行極差與方差分析,定量和定性研究了不同參數(shù)對隔水管響應(yīng)的影 響。研究并提出了基于SVM的隔水管響應(yīng)預(yù)測模型,采用正交試驗結(jié)果訓(xùn)練SVM,隨 機產(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)果證明基于SVM的隔水管響應(yīng)預(yù)測模型可滿足工程應(yīng)用。(見第4章(3研究了深水鉆井隔水管動態(tài)響應(yīng)數(shù)學(xué)模型與水動力載荷模型,提出了采用 ABAQUS

49、進行隔水管時域內(nèi)不規(guī)則波(隨機振動分析的理論、方法與詳細(xì)過程。首先進 行長峰隨機波浪的模擬和模擬波浪的譜估計,然后根據(jù)鉆井船運動解析式、隨機波浪 序列和鉆井船縱蕩響應(yīng)幅值算子RAO迭代生成鉆井船運動邊界條件,最后定義波浪序 列和邊界條件,考慮其他的結(jié)構(gòu)、功能與環(huán)境載荷進行有限元動態(tài)分析。研究了懸掛 模式隔水管的軸向動態(tài)響應(yīng),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 的動邊界進行懸掛隔水管軸向動態(tài)分析,得到硬懸掛模式隔水管單元軸向應(yīng)力時間歷 程和動態(tài)張力的最大幅值(應(yīng)小于張力器的張力極限。(見第5章(4提出一種深水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 頻鉆井船運動以及

50、二階低頻鉆井船運動引起的長期疲勞。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波浪譜與鉆井船RAO模擬隨機波浪與隨 機鉆井船運動,然后進行隨機波浪載荷與鉆井船運動作用下隔水管非線性動力分析。 考慮波浪散點圖中所有短期工況的概率,采用專用程序?qū)崿F(xiàn)隔水管波致長期疲勞損傷 計算。重點研究了鉆井船運動、項部張緊力和壁厚對隔水管疲勞損傷的影響。(見第6章第1章緒論第1章緒論1.1課題背景鑒于石油資源特別是陸上資源的日漸枯竭,深水無疑將是未來全球石油戰(zhàn)略接替 的重點之一。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和人類對海洋石油資源認(rèn)知水平的不斷提高,海洋 石油勘探開發(fā)已從常規(guī)水深(小于5

51、00m向深水(500m-1,500m和超深水(大于l,500re發(fā) 展,深水油氣田的開發(fā)正在成為世界石油工業(yè)的主要增長點和世界科技創(chuàng)新的前沿, 并逐漸形成了投資高、風(fēng)險大、高新技術(shù)密集的能源工業(yè)新領(lǐng)域【l】。墨西哥灣(Gulf of Mexico,簡稱GoM、西非、巴西、北海等都是海洋石油勘探開發(fā)的重要活動場所,前 三者集中了全球84%的深水鉆探活動,儲量占據(jù)了全球深水儲量的88%。盡管深水油氣 勘探投入大、風(fēng)險高,但其平均儲量和產(chǎn)量很大、油氣勘探成功率高、單位發(fā)現(xiàn)成本 低、回報高,對石油公司仍有巨大的吸引力。我國南海深水海域及南沙群島附近海域蘊含豐富的油氣資源和天然氣水合物資 源,有“第二個

52、波斯灣”之稱。南海自上世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)石油后,越南、菲律賓、馬 來西亞、新加坡、印度尼西亞、文萊等東南亞國家都前往勘探開采石油?，F(xiàn)南沙海域 油井已超過1,0001:2,每年開采的石油超過5,000萬噸,相當(dāng)于大慶油田的年產(chǎn)量。采用 切實可行的手段和設(shè)施保護和開發(fā)我國南海巨大的寶貴資源,是我國油氣戰(zhàn)略儲備的 迫切要求。1.2研究目的及意義隔水管系統(tǒng)是指連接海底井121與鉆井船之間的導(dǎo)管系統(tǒng),主要包括鋼質(zhì)、柔性和中國石油大學(xué)(華東博士學(xué)位論文:深水鉆井隔水管設(shè)計方法及其應(yīng)用研究混合型三類,主要用途是鉆井、采油、注水和油井維修,按用途分類可分鉆井隔水 管、采油隔水管和油井維修隔水管等31。鉆井隔水管

53、是連接海底井El與鉆井船的重要部 件,其主要功能是提供井121防噴器與鉆井船之間鉆井液往返的通道,支持輔助管線, 引導(dǎo)鉆具,下放與撤回井口防噴器組的載體掣41。鉆井隔水管系統(tǒng)組成與功能如圖1.1所示。圖11鉆井隔水管示意圖Figl一1Sketch of Drilling Riser2表11鉆井隔水管事故原因分析Tabl-ICauseofDrillingRiserIncidents隔水管破壞模式 鉆井船類型 原因火難性破M、 第5代鉆井船 調(diào)齏導(dǎo)致隔水管重新設(shè)計節(jié)漉與壓井線破壞 增壓軟管破壞第5代鉆井船第3代鉆井船第5代半潛式平臺第5代鉆井船第5代、F潛戰(zhàn)平臺第5代半潛式平臺計劃和準(zhǔn)備問題 裝備火效配置時渦激振動問題 裝備失效隔水管事故將導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果:首先是不安全的條件.對鉆井船、海底裝 備、油井和工作人員均不安全;其次是產(chǎn)生污染排放,合成基鉆井液泄漏.油井位置 潛在的不可控,最終為海