（流体力学专业论文）深水钻井隔水管振动响应分析.pdf

摘要 当今，国际油气资源的勘探和开发逐步迈向深水。深水钻井隔水管是海洋油气资源 勘探和开发必不可少的设备，其整体动力响应和涡激振动问题是影响其安全作业和操作 的重要因素，因此逐步成为工业界和学术界研究的热点问题。 本文建立半潜式钻井平台水动力分析模型，并进行了水动力计算，得到其运动频域 响应函数，从而进一步模拟了平台运动。以浮式平台运动作为边界条件，综合考虑了波 浪和海流等因素，建立了深水钻井隔水管非线性运动方程，并通过在时域内对四阶非线 性偏微分方程的求解，分析了顶部张力、泥浆密度、波浪和海流等因素对隔水管整体动 力响应的影响，详细研究了浮式平台运动的各项参数对隔水管动力响应的影响。研究表 明浮式平台运动对隔水管动力响应有较大的影响，使隔水管上部产生较大的循环应力， 从而产生不可忽略的疲劳损伤。 利用基于g o p a l k r i s h n a n 刚性圆柱体的受迫振荡实验数据提出的流体力模型，本文 建立了立管涡激振动响应时频联合预报模型。考虑了附加质量分布与无量纲频率的关 系，迭代求出了真实响应频率和附加质量分布。利用v i v a n a 频域方法识别出参与涡 激振动的响应频率，从而建立升力和阻力模型。在时域内，通过求解非线性偏微分方程， 迭代求解出作用在立管上的流体力，进而得到立管涡激振动响应。为了验证预报模型的 有效性，将预报结果与阶梯状来流和剪切流下的涡激振动实验结果的进行了校核。结果 表明，与频域模型相比，本文模型预报出响应阶次、响应频率以及立管涡激幅值响应与 实验结果吻合更好。 关键词：钻井隔水管；浮式平台运动；动力响应；涡激振动；时频联合模型 t h ev i b r a t i o nr e s p o n s ea n a l y s i so fd e e p w a t e r d r i l l i n gr i s e r z h a n gx i u z h a n ( f l u i dm e c h a n i c s ) d i r e c t e db yp r o f w a n gt e n g a b s t r a c t n 。wd a y s ，t h ee x p l 。r a t i 。na n de x p l o i t a t i 。n o fw 。r l d w i d e 。i la n dg a sr e ；。砒c e s i s m o v i n gt 0d e e p w a t e r 锄dt h e 嘶l l i n g r i s e ri st h ek e ye l e m e r i tf o rd r i l l 洫“nd e e p w a t e r 1 等 9 1 0 b a l 稀锄i cr e s p 哪e a n dv o r t e xi n d u c e dv i b r a t i o n ( v i v ) h a v e a v a s i g n i f i 训譬：。篓水 ：do p 二a t i o n0 fd r i l l i n gr i s e r a n db e c 。m e 。fi n c r e a s i n g c o n c e l t l 证h c 丘e l d0 f 。凰h o r e e n a i n e e r i n g mr e ；n s ea m p l i t u d eo p e r a t o r s ( r a o ) o f s e 傩- m is u b m e r s i b l ep l 曲咖锄。d ? b u i l d i n ga n da i l a l y z i n go fh y d r o d y n a m i c m o d e l t h ct i m el l i s t o r y0 fn 0 撕n gp l 甜? m 砸o n i ss t i 二a t e d m en o n l i n e a rd y n 锄i ce q u a t i 。n 。f d e e p w a t e rd r i l l i n gr i s e ts u b j e 删t 0 鼍羔 。c e a nc 脚e n t sa n dv e s s e l 谳n h a sb e e nd e v e l o p e d t h ee f l e e t so ft o p 触n ，m u d d e n s l 姚 w a v ea n dc u r r e n t 0 nt h eg l o b a lr e s p o r i s e0 fd r i l l i n gr i s e r a r es t u d i e d b y l v m g 也e ， f o 胁0 r d e rn o n l i n e a rp a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n s t h e v e 刚删0 n s 哦吣訾咖m d y 姗i cr e s p o n s eo fd e e p w a t e r r i s e ra r ei n v e s t i g a t e c l , i n c l u d i n gm e a i lo ffs-is幽，删：疗鼍叫 忑n s ，l o wf r e q u e n c ym o t i 。n s ，p e r i 。da n d a m p l i t u d e 。f t h em o t i o n t h e r e s u 恼出鼍竺 v e s s e lm o t i 。nh a s a ni m p 0 姗te f l e e to n t h ed y n a m i c r e s p o n s e o f 乱e p w 栅出跚d k 砒幻 s i 鲥f i c 锄tc y c l i cs i r e s si nt h eu p p e r p a r t 。f t h er i s e r a n dr e s u l m 渤p o 姗“狐酗d 弧? 。t h et i m e f r e q u e n c ym o d e l f o rt h ep r e d i c a t i o no f v i vr e s p o n s e s0 fr i s e ra r e p r o p o s e d 。 u s i n gt h e 觚d f o r c em 。d e lb a s e d o i lt h ed a t ef r o mg o p a l k r i s h n a n s f o r c e d 0 8 d 1 雩伦啦m r i g i j c y l 砌r i c a l b 。d i e s t h er e a lr e s p o n s e 雠q u e n c y 锄d m ed i 鲥b u t 。0 no fa d d e dm a s s a r e 。i 咖：db yc o n s i d e r i n g t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n a d d e dm a s sa n dn o n - 击m e n s 沁n a lf r e 畔咧 u s i n gm e 船q u e n c ym e t h o d 。f v i v a n a ，t h e m o d e li d e n t i f i e st h e r e s p o n s e 缸q u e n c y o ft h e 妇j e 五l i 幺st h el i f tf o r e e 删a n d 妞印i n g f o r e em o d e lu s i n g i d e n t i f i e 抵印o n s e f r e q u e n c y ，a i l dt h e no b t a i n s t h ev i vr e s p o n s e so f t h er i s e rb ys o l v i n gt h ep a r t i a l d i f f e ，r e i n i a l e 。吼t i o ni nt i m ed o m a i n t h ep r o p o s e dt i m e f r e q u e n c y m o d c li sv a l i d 删w 砌1v lv - - 麒 q t n e - r i m e n t so nt h er i s e ri ns t e p p e dc a r r e n ta n d s h e a rc u r r e n t c o m p a r e dt ot h ef requency- m o r d e - - 1 , t h ep r e d i c t e dr e s p o n s e s 。f t h ep r e s e n tm o d e la g r e e dw e l lw i t ht h ee x p 耐m e n t a l o n e s k 州。r d ：d r i l l i n g 溉f l 。a t i n gp l a t f o r m m o t i o n ；d y n a m i cr e s p o n s e ；v i v ；t i m e - f 他q 优n c y m o d e l 表格目录 表3 1 半潜式钻井平台模型的主要参数2 8 表3 2 海洋环境主要参数。2 9 表4 - 1 附加水质量对隔水管振动频率的影响一4 8 表4 2 不同顶部张力比下隔水管振动频率计算结果对比( p m = 12 0 0 k g m 3 ) 。4 9 ， 表4 3 顶部张力为3 2 51 e 6 n ，不同钻井液密度下隔水管振动频率计算结果对比5 0 表4 - 4 顶部张力比下t r = 1 4 ，不同钻井液密度下隔水管前五阶振动频率计算结果对比5 1 表5 1 不同r e 数下均匀来流绕固定光滑圆柱体的尾流形式( b l e v i n s ，1 9 9 0 ) 7 7 表6 1 有限元方法计算出的立管振动频率与立管振动频率的实测值的比较1 1 2 表6 - 2 不同涡激振动预报模型识别的主导响应频率与实验测量值l1 3 表6 3 实验立管的基本参数12 2 表6 - 4 不同情况下的测试流速1 2 3 表6 5 不同顶部张力下隔水管涡激振动响应频率和阶次1 2 7 表6 6 不同泥浆密度下隔水管涡激振动响应频率和阶次12 8 表6 7 不同海流剖面下隔水管涡激振动响应频率和阶次12 9 v 插图目录 图1 1 深水钻井设备中的隔水管及其组成3 图3 1 半潜式钻井平台的湿表面模型。：2 7 图3 - 2 半潜式钻井平台质量模型2 8 图3 3 半潜式钻井平台附加质量系数3 0 图3 _ 4 半潜式钻井平台阻尼系数31 图3 5 半潜式钻井平台一阶波浪力r a o 3 2 图3 - 6 半潜式钻井平台平均波浪慢漂力二次传递函数。3 4 图3 7 半潜式钻井平台纵荡r a o 3 5 图3 8 半潜式钻井平台横荡r a o 3 5 图3 - 9 半潜式钻井平台垂荡r a o j 3 6 图3 1 0 半潜式钻井平台艏摇r a o 3 6 图3 1 1 半潜式钻井平台纵摇r a o 。3 7 图3 1 2 半潜式钻井平台横摇r a o 3 7 图4 1 钻井隔水管示意图3 9 。图4 - 2 作用在钻井隔水管单元上的力4 0 ，图4 _ 3 船体运动时间历程( 随机波浪和海流作用下) 。4 4 图4 - 4 平台运动对隔水管各点最大弯矩的影响( 随机波浪和海流作用下) 4 4 图4 5 隔水管距下部球接头9 8 5 m 处的弯矩时间历程( 随机波浪和海流作用下) 4 5 图4 - 6 船体运动时间历程( 规则波浪和海流作用下) 4 6 图4 7 平台运动对隔水管各点最大弯矩的影响( 规则波和海流作用下) 4 6 图4 8 隔水管距下部球接头9 8 5 m 处的弯矩时间历程( 规则波和海流作用下) 4 7 图4 9 附加质量对隔水管振型的影响。4 8 ， ， 图4 1 0 顶部张力比对隔水管振型的影响4 9 图4 11 项部张力为3 2 5 1 e 6 n ，不同钻井液密度下隔水管振型5 0 图4 1 2 顶部张力比为1 4 ，不同钻井液密度下隔水管振型5 l 图4 1 3 顶部张力比对隔水管各点最大弯矩的影响。5 2 图4 - 1 4 顶部张力比对隔水管各点最大位移的影响5 2 图4 - 1 5 钻井液密度对隔水管各点最大弯矩的影响( t t o p = 3 2 5 i e 6 n ) 5 3 图4 1 6 钻井液密度对隔水管各点最大位移的影响( t t o p = 3 2 5 1 e 6 n ) 5 4 图4 1 7 钻井液密度对隔水管各点最大弯矩的影响( 1 r r = 1 4 ) 5 5 图4 1 8 钻井液密度对隔水管各点最大位移的影响( t t r = 1 4 ) 5 5 图4 1 9 波浪作用下隔水管最大弯矩分布图5 7 图4 - 2 0 波浪作用下隔水管三位置处弯矩时程曲线5 7 图4 2 1 波高对隔水管各点最大弯矩的影响5 8 图4 - 2 2 波高对隔水管各点最大位移的影响5 8 图4 2 3 波浪周期对隔水管各点最大弯矩的影响5 9 图4 2 4 波浪周期对隔水管各点最大位移的影响5 9 图4 2 5 海流对隔水管各点最大弯矩的影响6 l 图4 2 6 海流对隔水管各点最大位移的影响6 1 图4 2 7 四种不同的流剖面6 2 图4 2 8 海流剖面对隔水管各点最大弯矩的影响6 2 图4 2 9 海流剖面对隔水管各点最大位移的影响6 3 图4 3 0 平台平均偏移对隔水管各点最大弯矩的影响6 4 图4 3 1 平台低频运动幅值对钻井隔水管各点最大弯矩的影响( t l = 2 0 0 s ) 6 5 图4 3 2 平台低频运动周期对钻井隔水管各点最大弯矩的影响6 5 图4 3 3 平台波频运动幅值对钻井隔水管各点最大弯矩的影响( t n - - 8 s ) 6 6 图4 3 4 平台波频运动周期对钻井隔水管各点最大弯矩的影响( s 萨1 6 2 5 m ) 6 7 图4 - 3 5 海流三维剖面图：。6 9 图4 3 6x 轴方向海流流速分量6 9 图4 3 7y 轴方向海流流速分量。7 0 图4 3 8 三维载荷作用下隔水管弯矩分布图( 海流、规则波和平台偏移) 。7 0 图4 3 9 三维载荷作用下隔水管弯矩分布图( 海流、规则波和平台运动) 7 1 图4 4 0 三维载荷作用下船体运动对隔水管最大弯矩分布的影响7 1 图4 - 4 1 三维载荷作用下隔水管的变形( 海流、规则波和平台偏移) 7 2 图4 4 2 三维载荷作用下隔水管的变形( 海流、规则波和平台运动) 。7 2 图5 1 圆柱体旋涡脱落示意图7 5 图5 2 流体对圆柱体的作用示意图7 6 图5 3 圆柱体s t 数同r e 数之间的关系 6 6 】( b l e v i n s ，1 9 9 0 ) 7 8 图5 - 4 旋涡沿立管脱落情况8 0 图5 5 二维c f d 平面与立管有限元结构耦合模型8 2 图5 6 经验涡激振动分析程序和方法概述8 3 图6 1 剪切流中振动立管的能量平衡9 0 图6 - 2 振动管线的能量平衡9 0 图6 3 与速度同相位的升力系数云图，来自于g o p a l l ( r i s h n 绷( 1 9 9 3 ) 的强迫简谐振动实验9 3 图6 - 4 附加质量系数云图，来自于g o p a l k r i s h n a n ( 1 9 9 3 ) 的受追振动实验。图中给出了c l = o 时的频率幅值曲线。9 3 图6 5c l = o 时，相应的无量纲幅值和频率的关系曲线9 5 图铺c l = o 时，不同质量比下约化速度于响应幅值之间的关系曲线。图中给出了质量比为3 时 的激励范围。9 5 图6 7c l = o 时，不同质量比下，附加质量系数和约化速度之间的关系。9 6 ， 图6 8v i k e s t a d 和g o p a l k r i s h n a n 的实验结果的比较。9 6 图6 - 9 流速剖面，约化速度，无量纲频率和激励区域9 8 图6 1 0 立管各阶特征频率1 0 1 图6 1 l 各阶频率对应的无量纲频率1 0 2 图6 12 识别出可能的响应频率10 2 图6 1 3 识别出主导响应频率。1 0 2 图6 1 4 附加质量与无量纲频率之间的关系曲线1 0 4 图6 15 剪切流中的立管及关键参数10 5 图6 - l6 升力系数模型10 6 图6 17 升力模型参数的定义10 7 图6 - 1 8 一组不同的无量纲频率对瘟的升力系数模型一1 0 7 图6 - 1 9 稳定圆柱体平均拖曳力系数与雷诺数之间的关系1 ll 图6 2 0 实验布置图。1 12 一图6 - 2 1 立管上3 m 和1 2 m 处涡激振动横向响应时间历程曲线( c a s e l ) 1 1 4 图6 2 2 实验测量的涡激振动横向响应幅值包络线与预报结果比较( c a s e l ) 1 1 5 图6 2 3 实验测量的涡激振动横向响应幅值包络线与预报结果比较( c a s e 2 ) 1 1 5 图6 - 2 4 实验测量的涡激振动横向响应幅值包络线与预报结果比较( c a s e 4 ) 1 1 6 图6 2 5 实验测量的涡激振动横向响应幅值包络线与预报结果比较( c a s e 5 ) 。1 1 6 图6 2 6 实验测量的涡激振动横向响应幅值包络线与预报结果比较( c a s e 6 ) 1 1 7 图6 - 2 7 实验测量的涡激振动横向响应幅值包络线与预报结果比较( c a s e 8 ) 。1 1 7 图6 - 2 8 实验测量的涡激振动流向平均响应与预报结果比较( c a s e l ) 。1 1 8 p 图6 - 2 9 实验测量的涡激振动流向平均响应与预报结果比较( c a s e 2 ) 1 l 8 图6 - 3 0 实验测量的涡激振动流向平均响应与预报结果比较( c a s e a ) 1 1 9 图6 - 3 1 实验测量的涡激振动流向平均响应与预报结果比较( c a s e 5 ) 1 1 9 图6 3 2 实验测量的涡激振动流向平均响应与预报结果比较( c a s e 6 ) 1 2 0 图6 3 3 实验测量的涡激振动流向平均响应与预报结果比较( c a s e 8 ) 1 2 0 图6 - 3 4 涡激振动实验旋转装置示意图。1 2 1 图6 3 5 剪切流下涡激振动实验模型简图及数值模型12 2 图6 3 6 不同流速条件下的响应频率。12 4 图6 3 7 主导响应模态阶次12 4 图6 3 8 附加质量系数沿立管的分布| 2 5 图6 3 9 立管涡激振动响应与立管直径比值的均方根( o 2 2m s ) ，t = 7 2 8 n 1 2 6 图6 4 0 立管涡激振动位移响应与立管直径比值的均方根( 0 4 2m s ) , t = 7 2 9 n 12 6 图6 - 4 1 不同顶部张力下，隔水管涡激振动响应均方根位移曲线1 2 8 图6 4 2 不同泥浆密度下，隔水管涡激振动响应均方根位移曲线1 2 9 图6 4 3 不同海流剖面下，隔水管涡激振动响应均方根位移曲线1 3 0 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：型釜日期：y 。7 年乡月26 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：圣堕兰堇 指导教师签名：；沪墙l 日期：p 。1 年 醐：吁年 夸月7 6 日 兮月“日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 随着世界工业发展对石油的需求不断增加以及近岸浅水水域油气储量的降低，国际 上众多石油公司已将他们的开发重点转移到远离海岸的深水区域，截至2 0 0 3 年，已经有 超过6 0 的石油与2 9 的天然气产自深水区。各种新的深水油气田勘探开发理念与新型 的深水油气勘探开发设备不断产生，离岸产油的水深纪录不断被打破。目前，世界上已 经出现了水深超过3 0 0 0 米的油井。鉴于深海油气资源的巨大储备，世界各个国家和地区 正加快深海油气资源勘探与开发的步伐，如墨西哥湾、巴西、西非与北海周边地区等。 近几年我国的海洋石油的勘探开发也逐步向深水进军。 随着海洋石油工业要在更深的海域中建造生产开发系统，各大石油公司在较大程度 地发展现有技术的同时，更多地采用新技术。当水深超过3 0 0 米后，因海洋环境变得恶 劣和水深变大，传统的固定式平台已经不能适应这种深海海洋工程的需求，取而代之的 是浮式结构物，如深水半潜式钻井平台和深水钻井船等。不管海洋油田开发采用何种浮 式方案，都需要使用深水立管系统，它们是深水海洋开发结构物的关键组成部分。深水 钻井隔水管( 钻井立管) 是深水石油钻探用到的形式结构较为简单的一种立管，是进行 深水石油天然气开采必不可少的设备，它主要作用是提供船体与井口之间的流体通道、 导向钻具、支撑压井管线和辅助管线以及下放和回收防喷器组。对与浮式深海钻井平台 系统，使用的钻井隔水管的长度非常长，并且除了在海底井口和平台底部外，在整个隔 水管长度上没有固定支撑，因此其动力响应非常显著，在外载荷下，比较容易发生破坏。 - 随着水深的增加，隔水管长度逐渐增加，海洋环境越来越恶劣，海流对隔水管的影 响越来越大，其动力响应越来越显著。深水钻井隔水管上部通过升沉补偿装置和柔性接 头( 或球接头) 与浮式钻井平台或钻井船相连，因此深水钻井隔水管的动力特性很大程 度上受平台运动的影响。由于伸缩接头和张紧系统组成的升沉补偿装置的存在，船体的 升沉运动、纵摇和横摇运动对隔水管产生的影响较小，而船体的纵荡和横荡运动对隔水 管的整体动力特性有一个较大的影响。随着水深的增加，浮式钻井平台或钻井船在波浪、 风和海流等作用下会产生较大的动力响应，对隔水管的动力响应的影响也越来越显著。 美国工程与科学公司( n e s c o ) 进行的超深( m o h o l e ) 钻探采用了1 4 ，0 0 0 英尺的隔水管， 分析揭示了隔水管动态特性的重要性。研究认为，影响隔水管动态特性最重要的因素不 是波浪载荷，而是钻井浮船的运动。 第一章绪论 截至目前，国内外学者从时域或者频域，规则波或者不规则波，线性或者非线性波 浪理论等角度对隔水管动态响应分析方法方面进行了大量研究，至今已有较大进展。但 由于海洋环境载荷的复杂性以及浮船运动的复杂性，+ 隔水管的动态响应较难以分析，不 同的分析方法产生的结果差别较大。 随着水深的增加，海流的影响越来越大，除了使直接作用在隔水管上的拖曳力增大 外，海流流经隔水管时会产生漩涡，漩涡的释放使隔水管受到一个交变的力，进而引起 涡激振动。涡激振动会诱发隔水管疲劳破坏的主要因素，会造成很大的疲劳损伤。当泻 涡频率与隔水管的自然频率相互接近时，会发生“锁定”( l o c k i n ) 现象，使隔水管的 振幅的明显增加，这将会加快隔水管的疲劳失效，甚至导致事故的发生。然而涡激振动 的机理比较复杂，影响隔水管涡激振动的因素有很多，含有很多不确定因素，理论研究 一直不完善，在实际的设计中，设计者不得不加大安全系数，使隔水管系统的成本偏大。 因此，深水隔水管的涡激振动研究成为海洋石油工程中的一个重要问题和难点。 鉴于此，本文将结合波浪力学、海洋结构动力学等理论，对隔水管的动力响应和涡 激振动进行理论分析和数值计算，详细研究各种因素对隔水管动力响应和涡激振动的影 响，为深水钻井隔水管的设计和分析提供理论依据，为隔水管的安全操作提供有利的支 持和保障。 1 2 海洋钻井隔水管的组成 钻井隔水管是船体和与水下井口的主要连接件，其主要作用是提供船体与井口之间 的流体通道、导向钻具、支撑压井管线和辅助管线以及下放和回收防喷器组。如图l 所 示，一般由以下五个部分组成： ( 1 ) 立管单根：立管单根是组成立管柱的主要组成部分，其直径最小尺寸由通过 立管的钻头或其它钻具尺寸决定，其最大直径可达2 4 英寸。立管一般不采用变换直径 或壁厚，而是根据磨损和腐蚀公差采用最小的直径和等壁厚。 ( 2 ) 隔水管底部联结：隔水管底部一般采用柔性接头( 或球接头) 与防喷器组连 接，以允许有较大的船体偏移，而又不向防喷器传递过大的弯矩。 ( 3 ) 隔水管顶部联结：一般在隔水管顶部装有伸缩立管和柔性接头( 或球接头) ， 以平衡潮差和船体的运动，它轴向运动可达1 3 米。 ( 4 ) 张紧系统：为了避免隔水管应力过度和弯曲，一般在隔水管顶部均通过张紧 绳与张紧器连结，借助张紧活塞作用，使立管柱保持一定的恒张力。 ( 5 ) 辅助管线：主要为阻流和压井管线，起主要作用是通过其将高压流体循环出， 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 阻止高压发生。 ( 6 ) 浮力模块：主要是为了降低对顶部张力的要求。 翻r i 黼n 瞄m n 9f l 嘧w i t hm a r i n eo r u a n 9r i s e r 图1 - 1 深水钻井设备中的隔水管及其组成 f i g u r e l - 1m a r i n ed r i l l i n gr i gw i t hd r i l l i n gr i s e r 1 3 深水钻井隔水管动力响应研究 深水钻井隔水管在波浪、海流和船体运动等作用下，在流向上会产生大的整体动力 响应，直接影响隔水管系统的整体强度与安全，在隔水管设计阶段是必须考虑的问题。 影响钻井隔水管的静、动力特性的因素有很多，一些研究者【2 】【3 】【4 1 认为，隔水管的 设计需要考虑以下因素：( 1 ) 隔水管顶部的转动刚度和垂向刚度；( 2 ) 底部和顶部球节 点的转动刚度：( 3 ) 隔水管的顶部张力；( 4 ) 隔水管内部泥浆的密度；( 5 ) 浮体的偏移； ( 6 ) 随深度变化的海流速度；( 7 ) 辅助管线的影响。 隔水管动态响应分析方法包括三种：稳态的频域分析，非确定性随机振动分析和确 3 第一章绪论 - 定性时间历程分析( 时域分析) 。 稳态的频域分析，最早由b g b u r k e l 5 】提出，是利用分离变量法，将位移项与时间项 分开，这样可以将控制方程转化为与时间无关的方程，就可以迅速地计算出其稳态的响 应。而其难点是如何考虑m o r i s o n 方程的非线性项和船体运动，如何对其进行线性化。 但是由于其计算时间短，精度相对也高，可以满足工程需要，因此该方法在早期得到广 泛的应用，更多这方面的研究见文献d w d a r e i n ga n dt h u a n g 州，b r u c ee b e n n e t ta n d m i c h a e lf m e t c a l t = 【7 1 ，c l 硒r ka n de u e t o k t 引，l a w r e n c ep k r o l i k o w s k i 和t o m a g a y 9 1 ，c h a r l e sp r a t ts p a r k sa n dj e a np i e r r ec a b i l l i e t l 0 1s a h m a d a n dt k d a t t a 1 ， a t a d a na se ta l 1 2 】i k c h a t j i g e o r g i o ua n ds a m a v r a k o s 1 3 1s a k d i r a tk a e w u r t r u e n 14 】等。 - - 非确定性随机振动分析，最早由t c t u c k e r 和j p m u r t h a 【l5 】提出，是利用随机振动 理论研究隔水管振动过程，把谱形式的随机波浪力作为输入，隔水管的响应是谱形式的 输出。然而由于隔水管的响应对波浪谱非常敏感，波浪谱的选取对隔水管响应影响很大， 会有较大的误差，并且m o r i s o n 方程的非线性项和船体运动也限制了该方法的应用。 时域分析法精度较高，可以考虑随机波浪、稳定海流、随机船体运动( 对波浪和船 体系泊或动力定位的瞬态响应) 和平均船体偏移，并且可以计算m o r i s o n 方程的非线性 项，也不需对m o r i s o n 公式中的非线性项进行线性化处理，也可以考虑隔水管与海水之 间的相对位移，同时针对立管运动是大位移、小变形的特点，也可以考虑由于几何非线 性而引起的刚度非线性。其缺点是对计算机要求高，计算求解较困难，但是随着计算机 t 的发展，这个问题已经解决。详细见文献r o b e r tm s e x t o na n dl k a g b e z u g e 【l 引， t n g a r d n e ra n dm a k o t c h t t t l ，oe g e l a n da n dtw i i k 1 8 1 ，d g s i m m o n d s 【 9 1 ，j t c o n n o l l ya n dp gw y b r 0 1 2 0 以及r i z w a n a k h a na n ds u h a i la h m a d 2 h 等。 国内对深水隔水管动力特性的研究起步较晚，对这方面的研究也很少。 李华桂6 2 2 1 ，朱克强等 2 3 t 2 4 1 也在时域内利用有限差分法等研究了隔水管的动力特性。 石晓兵等人【2 5 】【2 6 1 运用有限元法建立了三维动力学模型。贾星兰和方华灿【2 7 】，熊汉桥和 吴竟择【2 8 1 在利用频域方法研究了隔水管的动力特性。李军强和刘宏昭【2 9 1 等应用随机振动 的理论和方法研究了隔水管的振动，采用模态分析的离散化方法导出了隔水管横向随机 振动位移相关函数和均方位移的计算公式。 李中、杨进【3 0 i 等和畅元江，陈国明和许亮斌【3 等分别利用a b a q u s 和a n a s y s 等 工程软件对隔水管进行了静态和动态分析 国内的对隔水管研究起步较晚，做的工作相对较少，对隔水管模型的简化和m o r i s o n 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 方程的线性化使结果的误差较大，并且一般都采用规则波，对于随机波对隔水管动力响 应的响应研究较少，一般没有考虑到船体运动对隔水管的影响。 1 4 深水钻井隔水管涡激振动研究 如果将柱状结构物置于一定速度的来流当中，其两侧会发生交替泻涡。与漩涡 的生成与泻放相关联，柱体会受到横向及流向的脉动压力。如果此时柱体是弹性支 撑的，那么脉动流体力将引发柱体的振动，柱体的振动反过来又会改变其尾流结构。 这种流体结构物相互作用的问题被称作“涡激振动刀。它是一个本质上非线性的， 自控的( s e l f - g o v e r n e d ) 或自我调节的( s e l f - r e g u l a t e d ) ，具有多自由度的现象。当泻涡频 率与结构的自然频率相互接近时，“锁定( 1 0 c k i n ) 有时被称作同步( s y n c h r o n i z e ) 或锁住( 1 0 c k - o n ) 】发生。传统的观点认为“锁定 是在一定的流速范围内，柱体的振 动频率将接近其自然频率，泻涡频率从斯托哈( s 仃o u h a l ) 频率( 静止物体的泻涡 频率) 转移到振动频率上。“锁定 现象伴随着结构振幅的明显增加，这将可能导 致结构的疲劳失效甚至事故的发生。 随着水深的增大，海流的影响越来越大，海流流经隔水管时会产生漩涡，进而 引起严重的涡激振动。涡激振动会诱发隔水管疲劳破坏的主要因素，会造成很大的 疲劳损伤。涡激振动的机理比较复杂，影响隔水管涡激振动的因素有很多，包含很 多不确定因素，其理论研究一直不完善。因此在实际的设计中，设计者不得不加大 安全系数，使隔水管系统的成本偏大：因此，深水立管的涡激振动研究成为海洋石 油工程中的一个重要问题和难点。 1 4 1 引发深水立管涡激振动的因素 在一定的环境条件下，对于一个直立在水中的物体，如果流经它的流体释放旋涡的 频率等于或接近物体的固有频率，那么就一定会发生涡激振动现象 基于以下因素，深水立管更易发生涡激振动【3 2 】： ( 1 ) 相比于浅水区域，深水区的海流流速要大得多； ( 2 ) 随着管体长度的增加，立管的固有频率降低，这样，较小量级的海流作用就 可能引发立管的涡激振动； ( 3 ) 不同于浅水，深水平台通常都是浮式结构如半潜式平台、f p s o 等，在水下没 有邻近的结构可以安装立管夹子，无法用立管夹子限制立管的移动。 由于深水立管非常长，海流产生的漩涡激励出的响应模态将比立管的基本模态高很 5 第一章绪论 多。随着深度的改变，海流的大小和方向都发生变化，因此可以激励出立管的多个模态 发生涡激振动，这使深水立管的涡激振动的预报更加复杂。 1 4 2 深水钻井隔水管的涡激振动 深水钻井隔水管的涡激振动非常复杂，这是因为【3 2 】：l 、海洋隔水管所处的海洋环 境非常复杂，海流的大小和方向随深度不断发生变化；2 、隔水管上端的船体在波浪的 作用下不断运动，对隔水管的运动产生很大的影响；3 、由于隔水管上的辅助管线、浮 力块以及隔水管接头等的影响，隔水管本身的物理参数不是均一的，是沿着其长度方向 不断变化的。这些因素使得对立管的涡激振动的预测变得非常困难。 工程上对v 响应预报的目标模型可以参照其复杂程度进行粗略的分级【3 3 】： ( 1 ) 竖直立管遭受垂直于立管轴线的均匀流的作用。 ( 2 ) 竖直立管遭受垂直于立管轴线的剪切流的作用。 ( 3 ) 竖直立管遭受垂直于立管轴线的多方向流的作用。 ( 4 ) 竖直管遭受剪切流、波浪的联合作用，同时考虑顶端运动。 ( 5 ) 非竖直立管( 例如悬链线立管) 遭受与上面给出的同类型的环境条件。 ( 6 ) 多立管形成阵列，必须考虑立管之间的水动力干扰。 即使是针对前两种简单情况，不同的v 预报方法的结果会显示出巨大的差异。海 洋工程行业一直希望有一个适于分析深水细长结构物的可靠的v i v 模型。但当前，这样 一个可靠的v 理论模型还没有出现。 1 4 3 深水钻井隔水管涡激振动研究现状 对于涡激振动，有很多人做过大量研究。基于实验研究，g r i f f i n 和r a m b e r g 3 4 1 讨 论了海洋立管上旋涡泻放。v a n d i v e r 3 5 】讨论了海洋立管涡激振动的研究面临的挑战：流 固相互作用的理解；高质量的全比例数据的获取；合适的数据分析技术的建立；有效的 抑制和保护方法的发明；d o n a l dw a l l e n 3 6 1 总结了深水立管的涡激振动分析，介绍了涡 激振动的影响因素，包括涡激振动的预测、涡激振动试验需要虑的因素，选择涡激振动 的抑制设备需要考虑的因素及其选择；并且讨论了单个立管结构和多立管结构的影响。 由于数值模拟成本低，耗时少等原因，国内外许多学者在这方面做了研究，提出了 很多数值模型。目前对于v 的数值模拟方法可以归纳为两大类：一类是通过直接求解 n a v i e r s r o k e s 方程的计算流体动力学法( c f d ) ；另一类是通过实验数据确定流体作用 力参数的经验模型。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 1 ) 基于c f d 数值模拟的涡激振动研究 c f d 模型近年来发展得非常迅速，但由十海洋工程结构的轴向尺度非常大，当前的 - c f d 计算水平还不足以在整个流域对此类复杂的流体结构物祸合问题进行时域求解。于 是，现有的c f d 模型均在柔性细长柱体的轴向选取若干截面，在各个截面上应用某种 c f d 代码进行计算，认为柱体所受流体力可以按计算截面的数值换算得到，并将流体力 的计算与结构的运动耦合求解。此类c f d 模型需要考虑如何合理有效地布置计算截面， 以及如何利用并行算法加速各个片体的流体力计算以及结构动力计算。 按照c f d 模型对湍流采取的不同模拟方式，可以将c f d 模型大体分为四类【3 3 1 ：离 散涡方法( d i s c r e t ev o r t e xm e t h o d ，d v m ) ，雷诺平均n s 方程模拟方法( r e y n o l d s a v e r a g e dn a v i e r - s t o k e s ，r a n