（油气井工程专业论文）深水钻井隔水管的振动分析与数值模拟.pdf

a b s t r a c t m o r et h a n9 0 o f f s h o r eh y d r o c a r b o nr e s e r v e se x i s ti i lt h ed e e p w a t e rs e d i m e n t sw l l i c h i sm o r et h a l ll0 0 0 md e 印，锄dt h em a i np r o d u c t i o no fo 任i s h o r eh y d i d c a r b o ni si nd e 印一w a t e r t h ea n a l y s i so f 五3 r c ea n dv i b r a t i o no f d e e p w a t e rd r i u i n gr i s e ri sak e yp o i n tb e c a u s eo ft h e c o m p l e xa i l dt o u 曲s 仃e s ss t a t eo f “l l i n gr i s e r 1 l l ev i b m t i o nd e s 们yo f “l l i n gr i s e rm u s tb e t a k e ni n t oa c c o u n ti nd e l 印- w a ：t e r 耐l l i n g t h ev i b r a t i o nr e s u l t e d 舶mc o u p l i n ge 髓c t so f i n s t a b i l 埘o fi m e rn u i da i l de x t e m a ll o a do fo c e a n 、删e ri sl a c ko fr e s e a r c h s o 咖d yo nt h i s p o i n ti so fi m p o r t a d tr e a l i s t i ca i l da c a d e m i cv a l u e t h i sp 印e rs t u d i e do nt h ee n v i r o n m e n t a l l o a d so fd e e p - w a t e r “l l i n gr i s e rb a s e do nn u i d d y n 锄i c s 肌ds t r e s s 、删em e o e q u a t i o n so f 、v a v ef o r c ea 1 1 do c e a l lc u r r e n tf o r c ea r e i n d u c e d w a v ee q u a t i o no fn u i da n dv i b r a t i o ne q u a t i o no fd r i l l i n gr i s e ru 1 1 d e rm ee 行e c t so f i n n e rn u i d sa r ei n t r o d u c e dt os u p p o r tt h ei n n e r1 0 a d so fd r i l l i n gr i s e r t h e l a r g ee l a s t i cd e f o m a t i o nu 1 1 d e rs m a l ls t r a i n ，t h ee 虢c t so fa ) 【i a ls t r e s sa i l dt h ee 施c t s o fi n 嘲b i l i 够o fi 1 1 1 1 e rn u i d sa r et a k e ni n t oa c c o u r l t t h em e c h a n i c a lm o d e lo fd r i l l i n gr i s e r s l o a d sa i l dv i b r a t i o nd i 骶r e n t i a le q 吼t i o n sa r ei n d u c e d t 1 1 ev i b r a t i o nc h a r a c t 嘶s t i c so f 嘶l l i n g r i s e ra r ea n a l y z e dt 0s u p p o r tt h ev i b r a t i o nr e d u c t i o n c a s es t u d i e so fn u m e r i c a ls t i m u i a t i o na r ec o n d u c t e db ya n s y s t h em a x i m 啪r a d i a j d e f o m a t i o n ，t h em a x i m 啪r a d i a lr o t a t i o n ，t h em a x i m 哪s 廿i e s s2 u l dt h e i rp o s i t i o n sw h e nt h e r i s e ri sv i b r a t i n ga r ed e t e m i n e d 1 1 1 ev e r a c i t yo ft h ec a l c u l a t i o ni sv a l i d a t e d t h e c h a r a c t e r i s t i c so fd r i l l i n gr i s e r ，t o pe x p a n d i n gp r e s s u r e ，e f r e c t so fi 衄e rn u i d sa 1 1 do c e a n e n v i r o i m l e m sl o a d sa r es t u d i e dt oo p t i m i z et h ep a r a n l e t e r s t h eo p t i m i z es c h e m ep r o p o s e di n t h j sp a p e rc o u l dr e d u c et h ev i b r a t i o no f 嘶l l i n gr i s e rd r 锄a t i c a l l y t l l ec o n c l u s i o n s 谢l l s u p p o r tt h ed e s i 印a n de m p l o y m e n to f 嘶l l i n gr i s e r - k e yw o r d s ：d e e p w a t e rd r n l i n g ，d r i l h n gr i s e bt w o p h a s en o 、ba n s y s ，n a t u r a l f r e q u e n c y 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。 学雠文储虢华嶂 隅磁年月朋 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 指导教师签名： 日期：卵髫年多月p 日日期：卵年多月p 日 日期：年月日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 问题的提出及研究的意义 第一章前言 随着国民经济的发展，我国对油气的需求量越来越大，要满足这一巨大需求，就必 须勘探开发新的油气资源。海底有着丰富的油气资源，包括已经和正在进行开采的石油 天然气，还有尚未开发的天然气水合物。走向海洋、研究海洋、解决在开发海洋油气资 源中遇到的种种问题已成为国内外科研工作者的又一个热点领域。谁先研究掌握了先进 的开发技术，谁就能在未来的资源大战中取得胜利。对于我国这样一个能源消耗大国， 在内陆油气资源将近枯竭的情况下，走向海洋，特别是深海，开发海洋资源已迫在眉睫。 我国有着丰富的海洋油气资源，在我国的东海、南海都已经发现大量的油气储藏。我国 南海的深水区蕴含有十分可观的油气资源，有望成为未来的波斯湾。所以对于深水技术 的研究就显得尤为重要。如何开发这些资源，将成为我国以后能不能解决能源问题的关 键。 本文主要研究在海洋钻井中隔水管的振动、破坏问题，对海洋油气资源的开发具有 重要的意义。深水钻井隔水管是浮式钻井平台中的关键设备，在交变海洋环境载荷；波 浪力和钻井船的作用下会发生振动，隔水管的振动一方面影响隔水管本身的强度与疲劳 寿命，同时也会对钻井作业产生影响，严重时可能使钻具遭到破坏。本文主要分析了隔 水管的受力以及在内外载荷作用下的动态响应，重点对管内流体作用下的动态响应问题 进行了研究，根据理论分析和数值模拟的结果，提出了隔水管参数优化方案，相关结论 可供工程应用参考。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 深水油气资源的勘探开发现状 目前世界石油工业正面临着极大的挑战。全球油气储量增长乏力，远远无法弥补每 年的产量，然而全球的油气消费量仍将以较快的速度增长。未来巨大的油气需求将如何 得以满足，这是摆在世界石油工业面前的一个大难题。根据b p 2 0 0 5 年能源统计资料全 球对于油气的需求正在强劲增长。1 9 8 1 年的油气消费量各为2 9 9 亿吨和1 4 7 万亿立方 米，而到2 0 0 4 年已分别达到4 0 4 亿吨、2 。6 9 万亿立方米。而且根据国际能源署( i e a ) 发布的世界能源展望预测i ij 。从2 0 0 0 2 0 3 0 ，年世界石油需求预计年均增长1 6 ，到2 0 3 0 第一章前言 年达到5 7 6 9 亿吨；天然气的需求量年均增长2 4 ，到2 0 3 0 年达到4 2 0 3 亿吨油当量； 未来油气仍将在世界一次能源需求中居主导地位，到2 0 3 0 年油气需求占世界一次能源 总需求的6 5 ，而且在2 0 1 5 年天然气将超过煤炭成为一次能源中第二大能源种类。 2 0 3 0 年9 9 7 2 亿吨油当量的油气需求要得以满足，再加上陆上石油资源危机问题日 渐突出，因此急需寻找储量的接替区域。而未来石油界的希望应该在海上。而且对于石 油公司来说海上油气的基础设施不易遭到恐怖袭击的破坏这点使海上油气的勘探开发 更有吸引力。研究世界海洋石油工业的现状特别是发展趋势。无论对于整个世界石油工 业，还是对于未来世界经济的发展，都有非常重要的意义。随着人类对陆地上矿产资源 的大量开采，陆地上的许多矿产资源正面临着逐渐枯竭，而海洋则是人类目前，尤其是 未来矿产的主要来源。海洋总面积约3 6 1 x 1 0 8 平方千米，约占地球表面积的7 0 7 8 。 世界沉积盆地总面积约1 3 5 x 10 8 平方千米，其中有5 2 ( 约7 0 0 0 平方千米) 位于海洋。 在如此广阔的海洋之下，埋藏着极其丰富的油气及其他矿产资源。 海洋石油开发是陆地石油开发的延续，经历了一个由浅水到深海、由简易到成熟的 发展过程。1 8 9 7 年在美国加利福尼亚海岸萨姆兰德的地方，为了开发由陆地向海里延伸 的油田，从防波堤上向外搭建了一座木质栈桥，在上面安上钻机打井，这是世界上第一 口海上油井，它拉开了海洋石油开发的序幕“j 。到1 9 9 4 年美国壳牌石油公司在墨西哥 湾的“g a r d e nb a n k s4 2 6 区块水深8 7 2 米处安装了一座张力腿平台，日产原油8 1 0 0 m 3 。 经历了各个阶段的发展，取得了巨大的科技和能源的收益。 我国近海有1 6 个以新生代沉积物为主的盆地，都可能有油汽资源，估计储量为1 5 0 亿一3 0 0 亿吨。目前已经完成地质普查工们及沉积盆地早期资源评价。除自营外，还与英、 法、日、美等国公司合营进行勘探。已找到含油气构造3 8 个、油田1 6 个、气田1 个，但 油田地质构造比较复杂，规模较小的边际油田、超浅海油田相当多，且油中含蜡高。1 9 8 7 年后，在渤海和南海的勘探有了突破。在勘探中加强了对地质的综合研究，在地球物理 勘探方面，掌握了三维地震等整套技术和解释评价，钻井、测井技术也达到了世界先进 水平。目前，我国海上找油已探明储量1 7 亿吨，天然气3 5 0 0 亿立方米，1 9 9 4 年，海上产 油己达7 2 0 万吨，产值占海洋产业的6 4 。1 9 9 5 年产油9 0 0 万吨，1 9 9 7 年产油1 6 0 0 万吨， 天然气折合石油4 0 0 万吨。 我国海洋石油开发起步比国外晚了6 0 年，迄今已经历了两个发展阶段p j 。 1 9 5 7 年到1 9 7 9 年为第一阶段，这阶段主要是依靠自力更生探索下海技术，并在渤 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 海进行开发试脸。 从1 9 8 0 年开始的第二阶段，是合作开发阶段，实施的是“油气并举、向气倾斜 的方针。 1 2 2 隔水管系统研究现状 关于隔水管系统的力学分析，早期的有关研究采用的是二维静力学的分析方法，利 用弹性力学方法来模拟隔水管b 的变形，进而对其强度进行分析。 这样的分析方法对于浅水钻井的隔水管具有一定的适用性。但是随着水深的增加， 动态因素对隔水管振动的影响越来越显著，人们提出了动力学的分析原理和方法【4 】。较 早的学者提出用解析解的方法来研究隔水管的受力和强度的动力学模型，考虑水质点的 速度甜是由周期为丁的稳态正弦波产生，即可用一个正弦稳态解法来求周期相同的y a ， 砂值。但由于模型的简化和繁琐的求解过程，这种解析法并不实用。美国德克萨斯技术 大学的a e r t a s 等在1 9 8 5 年提出了动态分析隔水管受力的数值求解方法，用莫里森方程 对于海流力用有限差分法对动力学方程进行求解。 + 国内学者贾星兰、方华灿在1 9 9 5 年采用泛函数分析法【5 1 导出了与上述相似的隔水管 振动的微分方程，利用边界条件确定动力响应的通式。得出具体条件下隔水管的动力响 应。李华桂在1 9 9 6 年将隔水管假设成均质、各向同性的线弹性材料j 将海浪、海流及 隔水管的运动都处在同一个二维平面内，用数值差分的方法对隔水管进行了二维动力学 分析【酗。 以上方法都以纯数学的角度进行简化建模，但是实际中隔水管的受力是极为复杂 的，根据水深的不同，海水对隔水管的作用都是有很大区别的。所以目前对于隔水管的 分析，急需一种在考虑隔水管内外载荷共同作用下可以比较真实地模拟隔水管振动的方 法。用计算机进行数值模拟来分析研究隔水管的振动问题是目前的一种趋势，对于隔水 管的力学问题，多采用理论研究的方法，对其做计算机数值模拟的较少。特别是对于隔 水管在内外载荷共同作用下的振动问题，还没有采用计算机做数值模拟的先例。研究钻 井隔水管的强度，必须首先确定海洋环境载荷。本文在研究隔水管振动时，不光考虑了 深水隔水管柱的环境载荷，还重点考虑隔水管内载荷的作用，这样就使得本文的研究更 加全面。 1 2 3 多相流以及内流引起管道振动的研究现状 最早提出的多相流简化模型是均流模型，主要是把多相混合物看成均匀介质，流动 第一章前言 物理参数取各相相应参数的平均值，从而按照单相介质来处理各种流动问题。此模型过 于简单，误差较大，应用受到限制。 上世纪5 0 年代提出了气液两相流的分流模型，把两相流动看成是两相介质各自分 开的流动，每相介质都有其平均流速和独立的物性参数。要求预先确定每一相占有过流 断面的份额以及介质与管壁的摩擦力和两相介质之间的摩擦阻力，这些数据的获得主要 是利用实验研究所得的经验关系式。随着计算流体力学的发展，有些数据已经可以通过 数学模型用解析计算求得。分流模型要分别建立各相的连续性方程、动量方程及能量方 程，考虑两相界面上的机械能损失、两相之间的相互做功以及两相之间的热量和质量交 换。这一理论曾在八九十年代被广泛应用于构筑欠平衡钻井井筒流动模型，并在生产中 发挥了重要的指导作用。 6 0 年代发展了漂移流动模型，是针对分流模型，既考虑了两相之间的相对运动， 又考虑了空隙率和流速沿过流断面的分布规律。漂移模型的优势在于利用它研究非定常 问题十分方便，如波动、排泄等。 从2 0 世纪8 0 年代以来，随着欠平衡钻井技术的发展，井筒多相流技术越来越受到 重视。环空内的流动是复杂的井筒多相流动，它包括注入气体、泥浆、产出油、气、水、 岩屑以及原油在流动过程中的相变等七相组分，因此，必需给出七种组分的井筒多相流 动模型才能进行有效计算。孙宝江( 2 0 0 3 ) 等人，在考虑井筒与油藏连续耦合的条件下， 发展了欠平衡井筒七种组分的多相流动计算方法，较好的解决了欠平衡钻井井筒多相流 计算问题，并在国内多个油田得到应用。 目前关于深水钻井多相流动理论在国际深水钻井领域研究不多，国外有些公司如挪 威国家石油研究院开发了相关软件，但没有深入的理论模型研究。在国内还没有见到相 关文献资料。 当流体从变形管道的一端流向另一端时，流体质点会产生离心加速度和柯氏加速 度，从而使得流体动压力周期性作用于管壁，诱发立管弯曲振动。早在1 8 7 6 年a i t l ( e n 【7 l 就注意到内流对输液管道的动力特性的影响，但直到五十年代横越阿拉伯地区的输油管 道出现了严重的振动，这个问题才引起人们的注意。f e o d o s e v l s ，h o u s n e r l s 】针对该输油 管道，分别用不同的方法，研究了简支的水平管道由于管内流体流动引起的振动特性， 得到了相同的结论。h o u s n e r 指出，管内液体的流动可以降低管道的固有频率，从而引 起管道低阶振型的祸合振动，当流速较小时，产生的动力对振动的影响较小，可以忽略， 但当流速较大，达到某一临界速度时，会导致管道动力失稳，如同承受轴向压力的竖杆 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 失稳一样。此后，国内外的许多学者对水平支持和垂直支撑的地上管道在管内流体流动 作用下的动力特性和稳定性做了大量研究。m p p a i d o u s i s 和n t i s s i d 【明研究了竖向输液 管道的动力特性和稳定性问题，结果表明，当内部流体为恒定流时，在较高流速下，管 道不仅发生弯曲，而且还会发生颤振现象。实验结果同也证明了内流对输液管道的动力 响应的确有显著影响。w 0 1 0 1 通过建立立管侧向振动数学模型，研究小弹性刚度条件下 内部流体和弯曲刚度对立管动力特性的影响，用单一扰动法求解方程，得出结论：内部 流体流动产生的动作用可以抵消顶端张力的作用，但顶端张力较大时，内流的作用效应 是不明显的。对顶端张力较小的情况，由于单一扰动法不再有效，此时的内流影响有待 研究。c h e n 【l l 】则研究了内流对自振频率和振型的影响，如果立管的顶端张力较小，当内 流足够大时可以显著降低立管的自振频率；而顶端张力较大时，管内流体产生的影响较 小。 1 2 4 深水油气资源开发的问题与前景 据可靠的预测估计，我国南海的深水区蕴含有十分可观的油气资源，但是我国对深 水油气资源的开采技术相对落后，在很多领域还依赖国外的技术和设备；所以对于深水 技术的研究就显得尤为重要。 在深水钻井中，随着水深的增加，隔水管柱的受力状态更加恶劣和复杂，有不少浮 动钻井船或平台由于隔水管系统不能适应和承受巨大的综合性外力而使钻井工作中断， 甚至无法恢复继续钻进，造成钻井失败【1 2 1 。在北海仅一年时间，直接因隔水管系统而造 成的损失就多达1 l o 台天和3 5 0 万美元。而我国海域的石油勘探钻井工作，由于隔水管 系统的事故而造成停工也多次发生；因此，对海洋深水钻井的隔水管系统进行分析，以 期作为深水环境条件下隔水管柱强度设计的依据，解决隔水管的稳定、安全问题，显得 尤为重要，也即是深水钻井中目前需要解决的重要课题之一。因此，隔水管的受力及振 动进行分析和研究具有非常重要的实际意义。 1 3 研究内容，研究目标和技术路线 1 3 1 研究内容 1 研究深水钻井隔水管承受的环境载荷：确定海流、海浪等环境载荷作用机理及 计算方法。 海浪的作用具有随机性，隔水管是一个庞大的受力体，它的受力相当的复杂，对其 第一章前言 做合理的简化，研究各个外部载荷的大小，作用方式；建立合理的力学及数学模型都是 计算的关键，如何准确的建模需要具体的研究。 2 分析管内流体的流动及其对隔水管振动的影响 隔水管内流体的流动是比较复杂。深水钻井中，当隔水管内流体对它的作用也是隔 水管振动的一个重要因素。本文将考虑这部分载荷对隔水管振动的影响，更加全面的分 析和研究深水钻井隔水管的振动。 3 分析在内外载荷作用下隔水管的振动，推导振动微分方程，计算固有频率 考虑隔水管的内外载荷对振动的作用，就必须研究在内外载荷作用下隔水管的振 动。所以推导隔水管在内外载荷作用下的振动微分方程，计算隔水管的固有频率是研究 分析隔水管振动的关键。 4 隔水管振动模型的建模、计算以及后处理 在本研究中，隔水管的振动模拟是通过有限元软件a n s y s 来实现的，因此对该软 件的学习，熟练掌握和运用，特别是用它进行模态分析这将是完成本研究必须要完成的 工作。也是本研究的一个重要内容。 5 分析隔水管的振动提出有效的优化方案 本文主要是要研究深水钻井隔水管的振动破坏机理，从而去解决这一破坏问题。因 此在理论分析和数值模拟的基础上分析隔水管的振动影响因素，通过分析，优化隔水管 参数；提出能减轻隔水管振动破坏的优化方案，这也是本文研究的目的和意义所在。 1 3 2 研究目标 系统的分析深水隔水管在复杂的内外载荷作用下的受力情况，推导隔水管的振动微 分方程。建立正确的力学模型，用有限元软件a n s y s 的模态分析功能对隔水管振动做 数值模拟，得到隔水管模型在不同的影响参数下的振动结果。通过分析各种参数以及对 振动的影响，提出能减轻隔水管振动的可行方案。 1 3 3 技术路线 根据研究内容，本文将由理论研究和数值模拟两部分结合来完成。 理论研究部分主要是分析和计算深水隔水管的环境载荷、分析环空内流体的流动及 其纵向振动；结合内外两部分作用，建立隔水管力学模型，推导振动方程；简化和分析 振动方程。推导和计算隔水管的固有频率。 数值模拟是采用a n s y s 做模态分析，模拟在不同情况下隔水管的振动。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 最后，结合理论分析和数值模拟的结果，分析振动因素，提出优化方案。具体的技 术路线如框图1 1 所示。 1 4 小结 图1 1 技术路线 f 蟾l lt e c h n o l o 斟c o u r s e 本章通过对国内外相关研究领域的调研，了解相关领域的研究现状；认识到在深水 油气资源的开采中隔水管安全方面存在的问题。针对存在的这些问题以及目前的研究水 平，提出了本文的研究目标、研究内容及要采用的技术路线。 7 第二章深水钻井隔水管的环境载荷 第二章深水钻井隔水管的环境载荷 深水钻井隔水管在深水进行钻井作业时，承受着来自海水的复杂的作用，也就是本 文要研究的环境载荷。只要对隔水管进行受力和振动分析都离不开对环境载荷的研究； 因此，分析环境载荷、研究其作用形式并计算其作用大小是本章的重要内容。 2 1 深水隔水管的基础性介绍 隔水管是位于钻井平台或者钻井船与海底井口之间的一段环空管状装置，它的作用 是隔离海水、引导钻具、循环钻井液、补偿钻井船的升沉运动等。随着水深的增加，隔 水管的长度也增加，隔水管系统受力状况更加恶劣和复杂，其强度、稳定性能否适应深 水钻井就成了深水钻井主要考虑的问题之一。 随着海洋石油向深水的不断发展，海洋钻井更多的采用浮式钻井平台，作为浮式钻 井平台中的关键设备，隔水管是整个系统中的重要而又薄弱的环节，同时随着水深的增 加给隔水管带来了一系列新的问题，与普通( 浅水区钻井隔水管) 隔水管相比，深水隔 水管有其自身的特点【1 3 】： ( 1 ) 深水隔水管的结构更为复杂； ( 2 ) 强度问题更加突出： ( 3 ) 隔水管的操作难度更大； ( 4 ) 隔水管的涡激振动问题更加严重。 其中，深水钻井隔水管的动态响应分析是在隔水管设计和使用时所涉及的一个关键 问题。由于受到多种因素的影响，隔水管的动态特性分析是一个具有挑战性的问题，隔 水管是一种容易使人误解的结构，它表面上看似简单，但实际上由于环境载荷的特殊性 和不确定性，以及水面浮式装置升沉和摇摆运动，使得问题具有很强的非线性【。海洋 隔水管是细长的柔性结构，其振动的基本周期最典型为几秒钟。波浪的周期一般为6 3 0 秒之间，这样很有可能一个或者几个隔水管固有周期落入波浪周期范围之内，此时，隔 水管将要发生复杂的随机振动，忽略波浪的动态本质将导致错误的隔水管响应计算结 果。本文拟对深水钻井隔水管的动态响应问题进行研究，给出具有工程参考意义的结论。 2 。2 隔水管的外载 作用在隔水管系统上的载荷我们可以从图2 1 中归纳为以下几类【垮l ： 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 1 ) 张紧力：主要由顶部张紧器及其浮力材料产生； ( 2 ) 弯曲应力：由浮式平台的漂移、波浪及潮流的共同影响产生： ( 3 ) 惯性力：由水质点在振荡波浪中的加速度作用产生； ( 4 ) 重力：由隔水管的自重产生； ( 5 ) 浮力：由静液力产生； ( 6 ) 拖力：由稳定状态的海流速度及其水质点在振荡波浪中的运动速度产生； ( 7 ) 外压力：由静液力产生； ( 8 ) 内压力：由静液力、隔水管中的压力波动及其天然气异常压力产生； ( 9 ) 压缩力：由张紧系统异常失效产生。 i 图2 1 隔水管结构与受力 f i 9 2 一lc o m p o s i t i o na n ds t r e s so fr i s e r 隔水管在海洋钻井中起着十分重要的作用，这也是与陆地钻井的不同之处。在深水 钻井中的隔水管由于其受力十分复杂，而且其受力作用非常巨大，这就使得对隔水管的 力学分析具有重大的意义。 钻井隔水管在接近水面的管柱部分承受几种动力的作用，能量从海水传给隔水管， 称之为激发带；而随水深的增加，由于水质点的阻尼作用，将使能量从隔水管传给海水。 称之为阻尼带；两者之间的过度区域称之为剪切带i 懈。 在隔水管所处的激发带，隔水管柱除承受由船体引起的动力外，还承受几种与时间 9 第二章深水钻井隔水管的环境载荷 有关的动载荷如图2 2 所示： ( 1 ) 海流与波浪合成造成的水平阻力的周期性变化； ( 2 ) 惯性力的周期性变化。阻力与惯性里的最大合成力的区域使波峰向前，如图 2 2 ( d ) 中虚线所示，波峰前移距离是阻力与惯性力之比及水深的函数： ( 3 ) 水面垂直位置的周期性变化和水平力的周期性变化，如图2 2 ( e ) 所示。 1 ， 誊薹霪玺磊 波谷时 辱一 | ， 4 i 受 3 7 l 厂丌 1 _ 一一 o - 罗， t | ? 剪、 i 罚 | | 巾 ，阻力和惯性力 ； 的最大合力线 内水稳 分质态 蘩最 零点基海 的速线流 橐翼 基度剖 线流 面 1r 1 r ( a ) 【 ( c ) ( e ) ( d ) 图2 2 隔水管的环境载荷作用模型 f i 9 2 - 2l ；u s e r sm o d e l w i t he n v i r o n m e n ti o a d i n ga f 佟c t e d 隔水管柱在激发带上由于上述几种周期性变化的动力作用，将激发动力反应，但是 隔水管柱在阻力带又受到海水的阻力作用，将动态挠曲限制在一个较小的数值，因此对 于附近的因波浪力引起的周期性的挠曲和应力是非常复杂的。 在同动力载荷条件下，不同结构的动力反应是不相同的，反应的大小与结构的自 振频率有着直接的关系。为了掌握结构的动力特性，必须计算结构的自振频率和振型。 因此，钻井隔水管的自振频率和振型分析是隔水管动力分析的一个主要内容。 体系振动的自由度是动力分析的重要概念。所谓振动的自由度是指确定体系全部质 量位置所需独立参数的数目。一般地，结构的质量是连续分布的，因此惯性力也是连续 分布的，确定一个实际结构全部质量位置所需的独立参数将有无穷多个。因此实际结构 物振动是一个无限自由度体系振动问题，对它求解十分困难。在工程中常将实际的无限 中国石油入学( 华东) 硕士学位论文 自由度体系振动分析问题近似地转化为有限自由度体系的振动分析问题的作法。 2 2 1 海流力 海水水平地或垂直地从一个海区流向另一个海区的大规模的质量转移称为海流。它 是具有相对稳定速度的海水运动。海流是由于短期的、偶然的、非周期性的和周期性的 各种不同类型的海水转移复杂地合成在一起而形成的。海流的速度和方向是随时间、空 间而不断变化的。 1 海流的种类及基本特征 ( 1 ) 风海流 由于风在海面上吹过时，对海面产生切应力，使海水产生运动，称为风海流。它是 海洋中最常见的一种流。 ( 2 ) 梯度流 梯度流是在等压面发生倾斜时，水平压强梯度力和地转偏向力对达到平衡时的稳定 流。 ( 3 ) 波浪流 近岸海区由于波浪引起的海水流动称为波浪流。 ( 4 ) 潮流 潮流是潮汐中水质点的运动，亦即在水平引潮力的作用与潮汐涨落同时发生的海水 在水平方向上的周期流动。因此，它与潮汐涨落是同一事物的不同方面。各海区的潮流 性质，基本上与潮汐的性质吻合。由于潮流容易受地形、摩擦以及地转偏向力的影响， 因此显得错综复杂。 ( 5 ) 定常流、周期流和短期流 如将海流的变化规律与时间过程联系起来分析，则可分为定常流、周期流和短期流。 基本上不随时间变化的海流称为定常流，如在理论中，当影响海流的各个作用力达到平 衡后，方向、速度和强度都不再发生变化的海流。在一定时间范围内重复出现的，具有 周期性变化规律的海流称为周期流，如季风流、潮流等。由于一时性外界条件变化而引 起的，带有偶然性的海流称为短期流，如气旋通过时产生的风海流或气压梯度流等。 ( 6 ) 入海通流 由于融冰或大量降水而显著增加的河川迁流，入海后继续向河口外方向或沿岸海区 延伸而形成的海流，即为入海迁流。 第二章深水钻井隔水管的环境载荷 ( 7 ) 暖流和寒流 按照海流本身的水温和周围海水温度的差异，又可分为暖流和寒流。温度较周围海 水为高，向外界输送和传播热能的海流称为暖流；反之，温度较周围海水为低的海流称 寒流。 ( 8 ) 补偿流 海水运动的结果必然在某些海区造成水的亏缺，在另一些海区造成水的集聚，根据 水的不可压缩性和连续性，海水必定从集聚的地方流向亏缺的地方而形成补偿流【1 7 】。 ( 9 ) 盐水流和淡水流 按照海流本身所含盐度与周围海水盐度的差异，又可分为盐水流和淡水流两种。盐 度较周围海水高的海流称为盐水流；反之则称为淡水流。 2 海流流速的计算 海流的流速应在长期海流连续观测资料的基础上，用统计的方法，求得其特征值。 但在观测资料不足的情况下，可以采用简便实用的计算方法。 ( 1 ) 近岸海区的风海流速度的估算1 8 】 若已取得风速v 。的观测资料时，可用下式估算风海流的流速v 。、及流向q ： v 。= k 。v 。( 历s ) q = ( o ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中：k 。为风速因子，0 0 2 4 k 。0 0 5 0 ，一般k 。= 0 0 2 0 ：为等深线的方向。 ( 2 ) 潮流最大速度的计算【1 9 】 潮流的最大速度应根据实测确定，但若观测日期不是大、中、小的日期时，应根据 大、中、小潮期间的平均潮差灭胁，尺胁。与观测日期的潮差髟之比，可用如下 公式进行修正： r 等v d 卜= 争 协3 ， l = 等 式中：、1 ，砌、分别为大中、小潮期间潮流平均最大流速矢量( 掰j ) 。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 即： ( 3 ) 海流最大可能速度计算【1 9 】 海流最大可能流速可按潮流最大可能速度与风海流最大可能速度的矢量和计算。 v c 懈= v 删懈+ v f r 帐 ( 2 4 ) 式中：k 一及v 。r 一分别为风海流最大可能速度，潮流最大可能速度。 3 海流随深度的变化【2 0 1 为了计算深水钻井隔水管的水下部分所承受海流力的大小，需要知道海流流速随水 深的变化规律。在无实测资料的情况下，对海面下，某深度的海流速度，可采用美国船 舶检验局使用的公式计算： ，( 跏( 岔 协5 ， 式中： 。一海面的风流速度，叫s ； 参r 一海面的潮流速度，形j ： 日一水深，m ； 办一计算深度距海底的高度，聊； 4 海流力的计算【2 1 1 海流水质点速度分布因海域的不同而不同。无论是潮流，还是其它原因引起的水质 点流动，都将其视为稳定的，水深的分布可选择指数或对数分布模式。同方向的平面流 动，风漂流或密度其流速沿垂直为了计算的简化，可采用直线段的描述方法。由于海流 可近似看作一种稳定的平面流动，因此海流与隔水管柱的相互作用可用平面流与铅直圆 柱载荷公式。 ( 1 ) 隔水管单位长度上的海流力为： ：委c 。风d “2 ( 2 6 ) 式中： 甜一海流的最大可能速度，州s ； 几一水的密度，堙聊3 ； 1 3 第二章深水钻井隔水管的环境载荷 正一隔水管单位长度上的海流载荷，； d 一隔水管柱的直径，m ； c d 一阻力系数，无因次。 从式( 2 6 ) 可以看出海流力与海流速度的平方成正比。 ( 2 ) 在海水中的隔水管柱全长的海流力 海流力是作用在隔水管上的一种流动阻力，这种阻力是由于运动的海水所产生的定 常流动阻力，根据水下结构物上的阻力是流体的动能的函数的原理，按照稳定流动条件 下的阻力的数学表达式，可以写出海流力的表达式【2 2 】： e = 老。胁2 比 ( 2 - 7 ) 式中： c 一海流作用在圆柱形物体上的总力，； d 一圆柱体的直径，聊； s 一水面在海底以上的高度，m ； 掰海流最大可能引起的速度，聊居； d ，垂直方向的长度增量，所； c d 一阻力系数，无因次； 一水的重度，堙历2 j 2 ； g 一重力加速度，所s 2 。 5 阻力系数的合理确定 在计算海洋环境载荷时，要遇到确定阻力系数及惯性力系数的问题，而这两个系数 的大小又直接关系到作用力的大小，因此必须合理确定。阻力系数又叫拖曳力系数；拖 曳力的产生和变化的原因与边界层在物体表面的形成、发展和分离密切相关。拖曳力一 般由“摩擦拖曳力 和“压差拖曳力 两部分组成。“摩擦拖曳力”是由于流体的粘滞 性所引起的摩擦效应产生的，它与流体的流态和物体的粗糙度有关。“压差拖曳力则 是由于边界层的分离，在物体后部分形成低压的旋涡所造成的。它和流体的流态和沿流 向的形状有关。绕流的拖曳力和物体的形状和绕流流体的流态密切相关，并通过拖曳力 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 系数集中放映出来。因此，在计算风、波、流对海洋结构的拖曳力时，如何依据具体情 况正确地选用拖曳力系数是非常重要的。需要指出的是，这种由恒定运动所产生的拖曳 力，并非总是恒定的。在一定的雷诺数条件下，在绕流的物体后面发生一个规则的水流 的振荡运动，结果是在物体左右两侧交替地形成强烈的漩涡。 阻力系数c d 取决于下列一两个因素： ( 1 ) 雷诺数 由流体力学知道，雷诺数【2 3 】r e 应为： r ，：丝( 2 8 ) 式中：y 为海水的运动粘度，一般取1 x l o _ 6 ，z 2 j 。当海流速度数值不同时计算出 的雷诺数也不同，所对应的阻力系数也不同。 ( 2 ) 相对粗糙度 相对粗糙度是指桩柱上不规则粗糙面沿径向的厚度与桩柱直径的比值，即k d 。 一般海上结构的相对粗糙度在0 o o l o 1 范围内。表面粗糙度增大了桩柱的直径，也使 海流力增大，故考虑粗糙度这个因素的影响时，必须考虑它对阻力系数的影响，又要考 虑它对桩柱直径的影响。一般当相对粗糙度使阻力系数增加1 0 0 时，它使直径d 大约增 加2 0 。 2 。2 2 海浪力 海浪的传播将引起海水的流动。海水在流动过程中受到阻碍时，将对结构产生作用 力，这种力称为波浪力。波浪千变万化，此起彼伏，似乎无规律可寻。但从简单的液体 波动入手，分析复杂的海浪，可以揭示其规律。 1 海浪的随机模型【2 4 1 大量海浪实测记录的统计分析表明，海浪随机过程穆( ，) 是均值为零的平稳随机过 程。因此，它的统计特征可由其谱密度完全确定。常用的海浪随机过程谱密度( 简称海 浪谱) 有四种形式口5 】：n e um a n 谱、p m 谱( p i e r s o nm o s c o 州t z 谱) 、b r e t c h n e i d e r 谱和 j o n s w a p 谱。其中p m 谱具有较充分的观测资料依据，在海洋工程中得到了较广泛的 应用。它的具体形式( 单边谱) 为： s 印( 仞) ：掣e x p - o 7 4 土】4 】 ( 2 - 9 ) 。 v 训9 5 国 第二章深水钻井隔水管的环境载荷 v 口1 9 5 一海面上1 9 5 m 处的平均风速，聊厂s ； g 一重力加速度，聊j 2 ； 在工程中，确定p m 谱是还经常用到双参数的形式2 6 1 ，为： 蹦咖警( 甜唧 - o 4 4 ( 钉 协 式中： 日s 一有效波高，埘； 疋一谱峰周期，s ； p m 谱既适合于风浪充分成长的海区，也适合于风浪充分发展的海区。n e um a l l 谱 适合于风浪充分成长的海区；b r e t c l l i l e i d e r 谱适合于风浪成长的海区；j o n s w a p 谱适用 于风浪成长、充分成长、甚至飓风下的海区，适用范围较广。 2 波浪力的随机模型 由于海浪是一个随机过程，所以由其引起的波浪力也是一个随机过程。在假定桩直 径与海浪波长相比是小量的条件下，海浪作用于直立桩柱上的波浪力为： f ( x ，) = 罟k 。盯。甜( x ，f ) + k 口( x ，) ( 2 一l1 ) k 。= 圭夕水c 。d ，置= 昙鲰c ，d 2 ( 2 - 1 2 ) 式中： f 一时间，j ； p 一海水密度，磁掰3 ： d 一隔水管直径，聊； 一为阻力系数； c 一惯性力系数； 仃。一水质点水平速度“( x ，f ) 的均方根值，所j5 口( x ，) 一水质点的水平加速度，所s 2 ； 1 6 中国石油入学( 华东) 硕士学位论文 “( x ，f ) 和口( z ，f ) 都是零均值的平稳随机过程，其谱密度分别为： s 。( 石，缈) = 研( x ，国) s 玎( 缈) ( 2 一1 3 ) 配( x ，彩) = 彩2 日：( x ，国) s ，( 国) ( 2 一1 4 ) 式中：s ，( 国) 是海浪随机过程7 7 ( f ) 的谱密度，可取式( 2 1 1 ) 所示的p m 谱，或其它三 种谱。 因为口( x ，) 是“( x ，) 对时间的导数，根据平稳过程与其导数互不相关的结论，则由 式( 2 1 2 ) 求得随机波浪力f ( x ，f ) 的谱密度为： s f ( x ，彩) ：( 墨盯：k 三+ 定? 功2 ) 何：( x ，国) s 口( 彩) ( 2 1 5 ) 式中：风班镶铲，办是水深；后和彩分另l j 是波数和波频，用波长五和周 期f 表示为尼= 2 万五，国= 2 万f 。因此，随机波浪力是均值为零，谱密度为式( 2 1 5 ) 的 平稳随机过程。 譬，海浪力的计算【2 7 1 海浪水质点的速度和加速度是分析和研究海浪载荷的重要参数，而水质点的速度和 加速度的计算需要依照一定的波浪理论。这就需要合理选择波浪理论。目前用于隔水管 柱分析计算的波浪理论主要有：斯托克斯三阶波理论、线性波理论以及随机波理论，其 中线形波较为简便使用；在有的实际设计和计算中，也应用斯托克斯三阶波浪理论。分 析隔水管柱的方法均假设海流与海浪的传播作用在一个共面系统内，按照二维方法来进 行分析。其中，a i r y 波比较简便实用。 对于二维波来说，水质点只有沿水平方向和铅垂方向的速度分量，利用势函数可求 得： 甜：娑：一c c 办尼( z + 七) s i n ( h 一耐) ( 2 1 6 ) w ：挈：c 鼢办七( z + 尼) c o s ( 奴一研) ( 2 1 7 ) 式中：c ：一，彳：一竺c o 向后( z + 办) 。 c h ng 将势函数选取为伊= z ( z ) s i n ( h 一刎) ，则根据上式( 2 1 6 ) 、 ( 2 一1 7 ) 水质点的两 1 7 第二幸深水钻井隰水管的环境载萄 个速度甜，w 和两个加速度口。，口：为： “= 等掣c o s c 砂刮 “= _ o c o s ( 聊一倒， r s i n h ( 足向1 ) 一 w = 等掣豳c 砂刮 w = 一二- 二型s 1 n l 彤v 一亿v l r s i n h ( 砌) q = 擎掣咖c 砂刮q 。尹一i 盂斧s l m 砂一倒) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 铲竽掣c o s c 妙刮 协2 ， 式中： 群，w 一水质点水平与铅直方向速度，扔s ； 露工，口：一水质点水平与铅直方向加速度，搠s 2 ； h 一波高，m ； r 一波浪周期，s ； 七一波数； 缈一波浪圆频率，勉： 当只有波浪作用时，依据m o r i s o n 方程计算作用于隔水管的流体载荷为： f = + e = 吾矽c 列小号矽2 害