（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）深海钻井立管概念设计与分析.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ao is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g c o n c e p td e s i g na n da n a l y s i s o f d e e p w a t e rd r i l l i n gr i s e r c a n d i d a t e ：l i uh e s u p e r v is o r ：p r o f s u nl i p i n g a c a d e m icd e g r e ea p p lie df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fn a v a l a r c h it e c t u r ea n do c e a ns t r u ct u r e d a t eo fs u b m is s i o n ：f e b r u a r y ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 0 9 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 9 iiiii280舢8 iii1洲y 。u 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：痧、鹛 日期： 铷，口年乡月玉日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：别鹪 日期： 矽，口年弓月纩日 导师( 签字) ： 埘口年只i 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 摘要 陆地油气产量的日益减少和海洋油气开发的日益成熟，使得全球的海洋 石油工业正在更深的海域建造生产开发设备，广泛采用新兴技术并极大的促 进现有技术的发展，这是海洋石油和天然气工业发展的总趋势。 不管海洋油田开发采用何种浮式方案，都需要使用立管系统，它是海洋 基础结构的关键组成部分。海洋钻井是海洋油气开采的第一步，而海洋钻井 立管是海洋石油天然气勘探开发的关键技术装备。钻井立管的设计直接影响 到钻井船设计和海洋油田开采计划。开展深海钻井立管技术研究，掌握深海 钻井立管系统设计技术，对提升我国深海油气勘探开发能力具有重要意义。 本论文阐述了深海钻井立管的技术特点，以钻井船为背景，研究中国南 海特有的海况数据，根据钻井立管设计有关标准及分析方法，对钻井立管进 行概念设计和分析工作，并对不同方案进行比较研究，确定最佳设计方案。 主要有以下几项工作： 1 、调查研究南海环境条件，考虑南海特有的内波影响，计算南海海流流 速及土壤p y 曲线等环境数据； 2 、根据规范和理论计算，进行钻井立管初步方案设计，包括计算钻井立 管壁厚及确定材料等； 3 、应用a b a q u s 有限元软件对钻井立管系统整体建模，进行总布置方 案研究，确定各组件性能数据。并研究比较多种设计方案，选择性能最为优 良的方案： 4 、应用涡激振动专用软件s h e a r 7 分析钻井立管涡激振动，计算涡激 振动疲劳损伤，预测疲劳寿命，确定是否需要安装涡激振动抑制装置。 5 、调查研究国内外钻井设备市场现状，为钻井立管系统选择设备并对钻 井立管系统国产化进行展望。 关键词：钻井立管；设备选型；整体分析；内波；涡激振动； 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 a bs t r a c t a st h ed e c r e a s ei no i la n dg a sp r o d u c t i o nf r o ml a n da n dm a t u r i t yi no f f s h o r eo i l a n dg a se x p l o i t a t i o n ，t h e g l o b a l o f f s h o r eo i l i n d u s t r y i sb u i l d i n gp r o d u c t i o n e q u i p m e n t si ne v e nd e e p e rw a t e r , g r e a t l yp r o m o t i n gt h ec u r r e n tt e c h n o l o g i e sa n d e x t e n s i v e l ya d o p t i n gt h en e wt e c h n o l o g i e s t h e s em o v e m e n t sm a k eu pt h eg e n e r a l t r e n di nt h eo f f s h o r eo i la n dg a si n d u s t r y f o ra n yk i n do ff l o a t e rc o n c e p t s ，r i s e r s ，t h ec r i t i c a lp a r t si no f f s h o r ei n f r a s t r u c t u r e a r ea l w a y sn e c e s s a r yf o ro f f s h o r eo i l f i e l dd e v e l o p m e n t o f f s h o r ed r i l l i n gi st h e f i r s ts t e pi no f f s h o r eo i la n dg a se x t r a c t i o n a n dt h eo t i s h o r ed r i l l i n gr i s e ri st h e k e ye q u i p m e n to fo f f s h o r eo i la n dg a se x p l o r a t i o na n dp r o d u c t i o n b o t hd r i l l i n g s h i pd e s i g na n do f f s h o r eo i lf i e l de x p l o r a t i o np r o g r a ma r ed i r e c t l ya f f e c t e db vt h e d e s i g no fd r i l l i n gr i s e r t h e r e f o r e t h er e s e a r c ho nt h ed e e p w a t e rd r i l l i n gr i s e r t e c h n o l o g yh a sag r e a ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v eo u ra b i l i t yi nd e e p w a t e ro i la n dg a s e x p l o r a t i o na n dp r o d u c t i o n i nt h i sp a p e r , t h ed e e p w a t e rd r i l l i n gr i s e rt e c h n o l o g yf e a t u r e sa r ed i s c u s s e dw i t h t y p i c a le n v i r o n m e n t a ld a t af r o ms o u t hc h i n as e a a c c o r d i n gt ot h er e l e v a n t d r i l l i n gr i s e rd e s i g nr u l e sa n da n a l y s i sm e t h o d s ，n o to n l ym a r i n ed r i l l i n gr i s e r c o n c e p td e s i g na n da n a l y s i sw o r ka r ec a r r i e d ，b u ta l s od i f f e r e n td e s i g np r o p o s a l s a r ec o m p a r e d ，s ot h a tt h eo p t i m u md e s i g nc o u l db ed e t e r m i n e d b e l o wa r et h e m a i nt a s k s ： 1 t h ef l o wv e l o c i t ya n ds o i lp - yc u r v e so fs o u t hc h i n as e aa r ec a l c u l a t e d b a s e do nt h ee n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n so fs o u t hc h i n as e a a n di t s p a r t i c u l a ri n t e m a lw a v e s ； 2 a c c o r d i n gt or u l e sa n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s ，t h ep r e l i m i n a r yd e s i g no f d r i l l i n gr i s e rs y s t e mi sc o n d u c t e d ，w h i c hi n c l u d e sc a l c u l a t i n gm i n i m u m w a l lt h i c k n e s sa n dd e t e r m i n i n gt h em a t e r i a l so f d r i l l i n gr i s e r ； 3 a p p l y i n ga b a q u sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，t h ee n t i r ed r i l l i n gr i s e r s y s t e mi sm o d e l e dt os t u d yt h eo v e r a l ll a y o u tp r o p o s a la n dd e t e r m i n et h e p e r f o r m a n c ed a t ao fv a r i o u sc o m p o n e n t s f o l l o w e di st h eo p t i m u md e s i g n t h r o u g hc o m p a r i n gd i f f e r e n td e s i g np r o p o s a l s ； 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 i l l 4 a p p l y i n gv o r t e x i n d u c e dv i b r a t i o na n a l y s i ss o f t w a r es h e a r 7 d r i l l i n g r i s e rv o r t e x i n d u c e dv i b r a t i o ni sa n a l y z e d ，w h i c hi n c l u d e sc a l c u l a t i n g f a t i g u ed a m a g ea n df a t i g u el i f ec a u s e db yv o r t e x - i n d u c e dv i b r a t i o n ，a n d w h e t h e rt oi n s t a l lv o r t e x i n d u c e dv i b r a t i o ns u p p r e s sd e v i c e s ； 5 f o l l o w i n gt h ee q u i p m e n ts e l e c t i o nf o rt h ed r i l l i n gr i s e rs y s t e m ，a i lo u t l o o k o f d r i l l i n gr i s e rs y s t e ml o c a l i z a t i o ni sp r e s e n t e db a s e do n t h ei n q u i s i t i o no f d o m e s t i ca n df o r e i g nd r i l l i n ge q u i p m e n tm a r k e ts i t u a t i o n k e yw o r d s ：d r i l l i n gr i s e r ；e q u i p m e n ts e l e c t i o n ；i n t e r n a lw a v e s ；v o r t e x i n d u c e d v i b r a t i o n 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 海洋油气开采现状1 1 2 海洋立管系统3 1 3 国内外研究现状3 1 4 本文的研究内容5 第2 章海洋钻井立管力学分析及环境载荷7 2 1 海洋钻井立管受力7 2 2 力学分析方程7 2 3 海洋环境载荷1 0 2 3 1m o r i s o n 公式“1 0 2 3 2 波浪载荷1 2 2 3 3 海流载荷1 3 2 3 4 土壤数据2 0 2 4 立管设计规范2 4 2 5 本章小结2 5 第3 章海洋钻井立管系统设备选型2 6 3 1 海洋钻井立管2 6 3 2 钻井立管工况2 6 3 3 设备选型原则2 7 3 4 各组成设备功能和选型2 7 3 4 1 张紧器系统2 8 3 4 2 伸缩节3l 3 4 3 水面分流器系统3 2 3 4 4 钻井立管单节3 3 3 4 5 下部立管组件( l m r p ) 3 5 3 4 6 柔性接头和球接头3 6 3 4 7 柔性压井和节流管线3 7 3 4 8 立管收放设备3 8 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 3 4 9 立管支撑的压井节流和辅助管线”3 9 3 4 10 浮力设备4 0 3 4 1 1 其他4 1 3 5 市场分析及国产化展望4 1 3 6 本章小结4 3 第4 章深海钻井立管系统初步设计4 4 4 1 相关规定4 4 4 2 基本设计参数4 6 4 3 钻井立管材料选择4 7 4 4 钻井立管壁厚计算“4 8 4 4 1 确定尺寸4 9 4 4 2 计算准则4 9 4 4 3 初步计算结果5 1 4 5 本章小结5 3 第5 章深海钻井立管系统总布置研究5 4 5 1 基本布置方案5 4 5 2 有限元模型5 5 5 3 钻井立管校核标准”6 1 5 4 钻井立管强度校核“6 1 5 5 顶张力对钻井立管变形和载荷的影响6 5 5 6 浮力块布置对钻井立管整体性能的影响6 6 5 7 伸缩节冲程对钻井立管整体性能的影响7 0 5 8 薄弱点研究7 2 5 9 本章小结7 3 第6 章深海钻井立管系统涡激振动分析7 4 6 1 涡激振动概念7 4 6 2 钻井立管v i v 疲劳分析7 4 6 3 钻井立管v i v 分析结果7 6 6 4 钻井立管疲劳寿命估算8 0 6 5 本章小结8 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i m l 结 仑8 3 参考文献8 5 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果9 2 致谢9 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 海洋油气开采现状 第1 章绪论 海洋约占地球表面积的7 0 9 ，全球海洋油气资源丰富，海洋石油资源 量约占全球石油资源总量的3 4 ，探明率3 0 左右，尚处于勘探早期阶段。 截至2 0 0 6 年1 月1 日，全球石油探明储量为1 7 5 7 亿吨，天然气探明储量1 7 3 万亿立方米。全球海洋石油资源量约1 3 5 0 亿吨，探明约3 8 0 亿吨；海洋天然 气资源约1 4 0 万亿立方米，探明储量约4 0 万亿立方米。 在全球海洋油气探明储量中，目前浅海仍占主导地位，但随着浅海油气 产量的下降，以及深海勘探开发技术的进步，人们逐渐将目光转向之前涉足 较少的深海。2 0 0 0 2 0 0 5 年，全球新增油气探明储量1 6 4 亿吨油当量，其中 深海占4 1 ，浅海占3 1 ，陆上占2 8 i ，世界主要深水区油气储量见表 】1 。 表1 1 世界主要深海区油气资源量【1 】 油气储量石油天然气 国家海域 ( 亿吨当量)( 亿吨)( 亿立方米) 美国墨西哥湾北部 2 11 56 0 0 0 巴西东南部海域 2 7 32 3 24 1 0 0 西非三角洲、下刚果 2 8 62 5 5 4 1 0 0 澳大利亚西北陆架 1 3 6o 51 3 1 0 0 东南亚婆罗洲 5 323 3 0 0 挪威挪威海 5 11 14 0 0 0 埃及屁罗= 角洲 4 84 8 0 0 中国南海北部 11 0 0 0 印度东部海域 1 61 6 0 0 此外，有估计预示，全世界未发现的海上油气储量有9 0 潜伏在水深超 过1 0 0 0 米以上的地层。因此深海油井是决定海洋石油工业前途的关键所在， 吸引世界很多知名的石油公司竞相涉足深海油气开发。目前全球已有1 0 0 多 个国家在进行海上石油勘探，其中有5 0 多个国家在进行深海勘探【2 】。由此可 见海洋石油工业，尤其是深海石油工业的良好发展前景。 l 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 中国是海洋大国，拥有约1 8 万千米的海岸线和6 5 0 0 多个5 0 0 平方米以 上的大小岛屿。此外还拥有面积约3 0 0 万平方千米的管辖海域，约占陆地面 积的1 3 。中国海洋蕴藏着丰富的油气资源，海洋油气资源产业化前景良好。 根据第三次石油资源评价结果【3 】，我国近海石油资源量为1 5 1 5 亿吨，占全国 石油资源总量的1 4 ，南海南部石油资源量达2 0 1 5 亿吨；近海天然气资源 量为1 2 7 万亿立方米，占我国天然气总量的2 3 ，南海南部天然气资源量 1 4 3 万亿立方米。我国海洋石油探明程度为1 2 ，海洋天然气探明程度为 1 1 ，远低于世界平均水平。我国海洋油气整体处于勘探的早中期阶段，资 源基础雄厚，产业化潜力较大，是未来我国能源产业发展战略重点f 4 】。 我国的海洋石油勘探和开采始于1 9 6 5 年，迄今经历了两个发展阶段。改 革开放前为第一阶段，海洋石油产业基本都是依靠自身力量来推动，发展相 对缓慢。这阶段在渤海进行开发试验，该地区典型水深约为2 0 米。从1 9 8 0 年开始的第二阶段是合作开发阶段。1 9 8 2 年1 月国务院发布的中华人民共 和国对外合作开采海洋石油资源条例，为海洋石油的对外开放提供了法律依 据。为进一步推动海洋石油工业发展，国家成立了中国海洋石油总公司。中 海油代表国家先后开展了数轮合作开采海上油气的国际招标，利用外资及技 术开发海洋石油资源。在南中国海的联合勘探和生产开始在水深1 0 0 米到4 0 0 米的范围内进行【5 - 7 】。近些年，我国努力提高海洋油气开采能力，海洋油气业 继续保持快速增长势头，中石油在冀东南堡新发现1 0 亿吨大油田，中海油在 渤海湾、北部湾等海域新发现1 0 个油气田，其中9 个为自营油气田 8 1 。 国家海洋局发布的2 0 0 7 年中国海洋经济统计公报说：一系列的海洋 油气田被探明，表明我国海洋油气勘探自主创新能力逐步增强，海洋油气发 展潜力进一步提高。油气蕴含丰富的中国南海海域，将成为中国深海开采的 首要区域。目前，我国已经制定海洋开发的“十一五”规划，“深海油气开发” 已经成为我国海洋能源开发企业和科研单位的重要课题。 为提高我国深海工程装备研发制造能力，加快我国海洋油气资源开发， 各单位已展开适用于南海海域的钻井船和半潜式钻井平台的技术研究工作。 2 哈尔滨= r 程大学硕十学何论文 哈尔滨工程大学深海工程技术中心与渤海船舶重工有限公司签订1 5 0 0 米作业水深锚泊定位钻井船初步设计项目，是我国首条深水钻井船设计研 究项目，项目包括船体结构、性能、立管、锚泊、钻井及电气设备等分系统 设计。本论文即来源于项目中的钻井立管设计分析工作。 1 2 海洋立管系统 不管海洋油田开发采用何种浮式方案，都需要使用立管系统，它是海洋 基础结构的关键组成部分。立管系统的实质是连接水面浮式装置和海底设备 的导管。 从功能用途上区分，海洋立管系统可分为生产立管系统和钻井立管系统。 生产立管系统具有多种不同的结构，如钢悬链线立管( s c r ) 、顶端张紧立管 ( t t r ) 、柔性立管( f l e x i b l er i s e r ) 、混合立管( h y b r i dr i s e r ) 等。近些年， 随着作业水深不断增加，新型的立管结构也应运而生，如顺应式垂直通路立 管( c v a r ) ，多孔混合立管等。钻井立管结构相对单一，它是连接海底井口 设备和水面上钻井船或钻井平台的管状物，可认为是井口的延伸。钻井立管 主要功能是隔离海水、引导钻具、循环钻井液、补偿钻井船的升沉运动等。 海洋钻井是海洋石油天然气开采的第一步，而海洋钻井立管是海洋钻井 的重要装备之一，也是海洋钻井与陆地钻井最大的不同点。钻井立管的设计 直接影响到钻井船设计和海洋油田开采计划，必须慎重对待。 开展深海钻井立管技术研究，掌握深海钻井立管系统设计技术，对提升 我国深海油气勘探开发能力具有重要意义。 1 3 国内外研究现状 由于欧美国家海洋资源开发起步较早且实力雄厚，目前世界海洋工程装 备，特别是钻井采油设备的研发和制造被欧美少数几家公司所垄断。海洋钻 井立管系统技术复杂，世界上能设计制造钻井立管系统的公司少之又少，主 要有美国c a m e r o n 公司和g e v e t c og r a y 公司、法国石油研究院( i f p ) 和 f r a m a t o m e 公司、俄罗斯z a o 公司、挪威a k e rk v a e m e r 公司等。各家公司 3 哈尔滨工程大学硕十学位论文 的产品设计方法和内容更是其核心机密，不会轻易外泄。能公开查到的立管 设计资料极少，缺少参考资料成为本论文完成过程中的最大困难。所以，钻 井立管系统设计还需要不断探索，敢于尝试。 相对而言，我国海洋工程技术装备研究起步较晚，开展技术攻关的科研 单位也较少。主要是中海油及哈尔滨工程大学、中国海洋大学、中国石油大 学等一些高校，而且科研项目所涉及的领域比较窄。主要集中在海洋平台的 结构稳定性、安全性、经济性等方面的研究，以及水下设施安装、救捞等方 面的研究。我国至今尚无设计制造钻井立管及其它钻采设备的能力。本论文 钻井立管系统设计工作在国内尚属首次，通过本论文研究，可为适用于我国 南海的钻井立管设计制造提供基础，提升我国海洋工程装备设计制造能力。 在钻井立管系统设计方面，根据现有资料，b p 石油公司【9 】的文件是份设 计基础文件( d b d ) ，该文件的目的是收集所有钻井立管设计有关的输入数 据和标准，以及钻井立管设计标准和分析过程。文件中给出了相关设备数据、 分析校核标准、船舶运动数据、环境条件，并说明了操作性分析、薄弱点分 析、飘移分析、涡激振动分析、船致疲劳分析、悬挂分析、施放回收分析、 腐蚀分析等的分析过程，但并未给出具体分析方法。m s c 公司【lo 】的项目报告 针对顶张紧式立管，并非钻井立管，值得参考的是其中部分校核标准。 在钻井立管系统分析方面，国内外公开发表的资料相对多些。国外学者 在1 9 5 0 年就开始了对海洋立管的研究。b u r k eb g 【1 1 1 、e r t a s a 和k o z i k tj 【12 1 、 g a r n e rt n 和k o t c hm a 1 3 】研究了立管分析模型，但分析时将非线性力拖曳力 进行了线性化，并且没有考虑平台运动。a z a rj 【1 4 j 、b e m i t s a sm 1 5 】等人发展 了比较完整的立管动力响应模型。s i l v i ob c 、m a r t i n s 、s e r g i oh 等【l6 】将理论 计算和实验研究相结合，分析立管在涡流作用下的动态响应。g u e s n o n j 【l 刀 指出对于具有较高顶部张紧力的深海钻井立管，当底部球铰转角的变化小于 o 2 。时，可以用静力计算对立管底部球铰转角进行评价。h r i a t amh ，h u sl ， f a a r i sfm 1 8 】、n e l s o nf f e b e k e n ，e d i s o n e p l i m a ，m a r e i o m m o u r e l x e 1 9 】发 展了非线性瞬时运动分析的有限元法。畅元江，陈国明等1 2 0 j 使用有限元方法 4 哈尔滨工程大学硕七学位论文 对钻井立管进行分析，定量分析了钻井船位移等对钻井立管的影响。 值得指出的是周俊昌【2 1 1 2 0 0 1 年在其博士论文中建立了深海钻井时在海 流、波浪等海洋环境载荷的作用下，立管静态分析及动力学分析的三维有限 元力学模型，在分析和研究中，引入了非线性理论，因而计算结果更加符合 实际情况。而后，石晓兵等 2 2 铂】应用此三维有限元模型做了大量研究分析， 发表了诸多论文。 但这些研究仅考虑到钻井立管主体，并没有考虑到钻井立管系统的其它 设备。弓大为口7 1 对海洋钻井立管力学方程式进行讨论，部分考虑到了系统设 备的影响。许亮斌、蒋世全等【2 8 】虽研究了钻井立管系统其他设备，但采用的 是静态方法且没有考虑平台的运动。 钻井立管固有频率可能同海流产生的涡泄频率接近而出现涡激振动 ( v t v ) 现象。涡激振动不仅导致立管出现大幅度振动( 其横向振动幅值可以 达到立管直径的一倍以上) ，更重要的是它将显著降低立管的疲劳寿命。严重 时会使钻具受到破坏，引起钻井中断。国内外有关钻井立管涡激振动的研究 较多2 9 。35 1 ，由于涡激振动现象不是本论文研究重点，在此不再赘述。 总结国内外研究现状，可以发现目前钻井立管研究的几点不足： 1 、研究者大多单独研究钻井立管本身，没有考虑平台的运动和钻井立管 系统设备对立管整体性能的影响，即没有将钻井立管系统视为一个整体。 2 、由于我国海流观测重视不足及观测条件所限，导致长期缺乏南海海流 统计数据，以往钻井立管研究都选取美国墨西哥湾海流或假定线形海流剖面 进行计算，没有文献调研南海海流数据并用来分析应用于南海海域的钻井立 管。 3 、以往的研究很少考虑海底土壤条件对钻井立管系统的影响，仅有研究 者在理论分析时考虑过土壤，还没有文献在有限元分析中考虑海底土壤数据。 1 4 本文的研究内容 本论文以深海钻井船为背景，调研中国南海特有的环境数据，根据a p i 哈尔滨1 = 程大学硕+ 学位论文 r p1 6 q 等钻井立管设计规范及分析方法，对深海钻井立管系统进行概念设计 和研究分析。论文采用大型非线性有限元软件a b a q u s 及涡激振动专用分 析软件s h e a r 7 ，对深海钻井立管及其附属装置整体建模，包括套管、井口、 防喷器( b o p ) 、立管下部组件( l m i 冲) 、钻井立管、钻杆、伸缩节、张紧 器、球接头等。并对不同方案进行比较研究，确定最佳设计方案，主要工作 有： 1 、调查南海环境条件，考虑南海特有的内波影响，计算南海海流流速及 土壤p y 曲线等环境数据； 2 、初步设计钻井立管系统，计算钻井立管最小壁厚及选择立管材料； 3 、进行钻井立管系统强度分析与校核，确定各组件性能数据； 4 、研究浮力块对钻井立管性能的影响，计算浮力块尺寸和布置形式； 5 、比较在极端环境条件下钻井立管各设备的受力情况，确定立管整体薄 弱点； 6 、研究不同顶部张力、伸缩节冲程对钻井立管整体性能的影响，选择性 能优良的方案； 7 、分析钻井立管涡激振动，计算涡激振动疲劳损伤，预测疲劳寿命，确 定是否需要安装涡激振动抑制装置。 8 、通过市场调研分析为钻井立管系统选择设备； 9 、分析国内外钻井设备市场现状并对钻井立管系统国产化进行展望。 6 哈尔滨工程大学硕七学位论文 第2 章海洋钻井立管力学分析及环境载荷 海洋钻井立管作为流场中的细长柔性体，分析时要考虑平台与立管各方 向的运动，以及波浪、海流在各方向的动力变化规律，是极其复杂的。本章 首先推导立管力学分析方程，然后研究波浪、海流、土壤等环境载荷，最后 简要介绍立管设计规范。本章工作为钻井立管系统设计分析奠定基础。 2 1 海洋钻井立管受力 海洋钻井立管接触物质种类较多，工作环境恶劣，导致海洋钻井立管受 力极其复杂，深海条件更是如此，作用在钻井立管上的其各种载荷及产生原 因见表2 1 3 6 l 。 表2 1 钻井立管载荷及产生原因 载荷类型载荷产生原因 质量重力 浮力静液力 稳定状态的海流速度； 拖力 水质点在震荡波浪中的速度 惯性力水质点在震荡波浪中的加速度 外压力静液力 内压力静液力；管子中的压力波动；天然气异常压力 间歇性力钻柱 横波力斯特劳赫( s t r o u h a l ) 力逆海流 张紧力张紧机构及附加浮力 压缩力张紧系统失效 2 2 力学分析方程 在推导中，假设立管的变形在线弹性范围内。由于立管为一细长的圆柱 管件，因此，完全可以将其视为弹性梁。另外，在立管的分析中，保留梁理 论中的平断面假设。规定来流方向与立管的变形均位于同一垂直平面x o g 内。 如图2 1 ，弧长为凼的管元，其曲率半径为r p ，中点处切线与o g 轴夹角 哈尔滨工程大学硕士学位论文 口，管元断面内力为剪力y 、弯矩m 与张力r 。所有外载荷的合力在x 、z 轴 上的分量分别为、，这些力包括外部流体和内部泥浆等内容物所产生 的分布压力之和。氏、管元的重力易及惯性力均作用于管元中点 s 点处。管元在z 轴的力的平衡方程为： ( y 一孚) s i n ( 臼一警) 一( y + 警) s i l l ( 目+ 警) _ ( 丁一譬) c 。s ( 汐一警) 。2 + ( 丁+ 譬) c 。s ( 9 + 譬) - 昂+ = 。 z o 图0 1 管元示意图 在水平方向上的力的平衡方程为： 一( 矿一孚) c 。s ( 臼一警) + ( y + 警) c 。s ( 秒+ 譬) 一( 丁一譬) s t n ( p 一警) 。2 圳 + ( 丁+ 譬 s i n ( 秒+ 警) + 一= 。 式中：= 肌，融； 聊。为单位长度管元的质量及其在x 方向上的附加质量； 哈尔溟：1 程大学硕士学位论文 i m_ill_ = l 宣葺i i i i i 昌宣宣暑宣i 葺 碧：窑为管元中点s 点在x 方向上的加速度。 o t 管元的力矩平衡方程( 对管元中点s 点取矩) 为： f ，1 一c o s 塑 刀+ 上跏+ 2 v s i n 塑：0 ( 2 嘞 l2 r 尸 2 经推导可得立管在x 方向运动方程为：( 推导过程在此不再叙述，可参见 参考文献3 7 ) 导豺* ( z ) 卦毗弦= 从硝) 倍4 ， 若将上式中的x 换成y ，则上式称为立管在y 方向上的运动方程。显然， x 或y 既是z 的函数，又是时间t 的函数。 ( 2 4 ) 式之右端为外界水平作用力强度；左端第一项为由立管抗弯刚度 所承受的水平载荷；第二项为由轴向张力t 即内、外部流体压力所产生的横 向载荷，这部分载荷有可能增加或抵消横r 向j l - 载兀；第三项为由立管水平方 向的惯性所承受的水平载荷。当厶中只计入定常流的作用时，( 2 4 ) 式第三 项惯性力项取零，则( 2 4 ) 式退化为立管水平方向的静力平衡方程，可用于 立管的静力分析。 对立管做动力分析，则基本方程( 2 4 ) 式右端为强迫力函数，据修正的 m o r i s o n 公式，厶( z ，f ) 可表示为： 厶= 如g ) 署谚g 比，) + i 1 心。g ) ；见o ) v g ，) 一妄 j v g ，r ) 一鲁i 。2 5 ) 式中：v g ，r ) 为水质点的速度，害为立管的运动速度，移为水质点的加速度。 立管的动力分析除需要给出与静力分析相类似的边界条件外，一般还需 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 要给出其初始条件。动力分析的求解方法可以采用有限差分法，也可以采用 有限元法。若用有限元法求解，则可将立管沿轴向离散为若干个梁元，以节 点上的位移作为基本未知量进行求解。基本方程( 2 4 ) 式经离散后的标准形 式为： 阻】缸 + c p + k 】扛) = 护 ( 2 6 ) 式中：阻】为系统的质量矩阵( 包括附加质量) ； c 】为阻尼矩阵( 包括结构 阻尼与流体动力阻尼) ；k 】为刚度矩阵；& 、铆、扛) 分别为节点的位移、 速度、加速度矢量：扩) 为外载荷矢量。当立管的节点位移扛) 求得后，即可 用插值函数法或差分法求出各节点处立管的弯矩、剪力。 2 3 海洋环境载荷 常见海洋环境载荷有风载荷、波浪载荷、海流载荷、冰载荷、地震载荷、 土壤条件等。影响立管分析的载荷主要是波浪载荷、海流载荷、土壤条件。 2 3 1m o r i s o n 公式 对于环境条件在细长的挠性部件诱导的流体作用力，至今主要使用的仍 是1 9 5 0 年由m o r i s o n 等人提出的著名的m o r i s o n 公式，这个方法的基本假定 是认为当管线尺度与波长相比较小时，管线的存在并不影响波动场，所以作 用在立管上的波浪力，除与立管尺寸有关外，取决于未被立管扰动的波动场 内在立管轴线处的水质点的运动速度和加速度。 m o r i s o n 公式是一个带有经验性的半理论公式，它的应用要求桩柱的直 径d 与波长三之比较小，在一般情况下，当d l 0 2 时才较适用。m o r i s o n 公式包含两项：惯性力和粘性阻力。 惯性力与流体质点运动的加速度有关，对小直径桩柱，如果假定柱体的 存在不致引起整个流场的变化，可以认为，一个由柱体所占体积的水体被认 1 0 哈尔滨下程大学硕士学位论文 为减速至静止不动，因此，这个惯性力的大小应等于这个体积的质量乘以其 加速度。但流场中这个体积的水体各处的加速度并不相n ，作为近似，就以 沿柱体轴线上各点的加速度来代表各相应深度桩柱截面内各点的加速度。此 外，除了被桩柱所占体积的那部分水体外，在桩柱附近还有一部分附加水体 也将被加速或减速，因此作用在柱体上的实际惯性力需要再乘一个系数， 作用在深度z 处，微小长度桩柱上的惯性力，可表示为： d f , = p 孚吒如 ( 2 - 7 ) 其中：为惯性系数。 粘性阻力与流体质点速度有关，一般，设该阻力与流体质点速度的平方 和质点速度垂直方向的投影面积成正比，作用在深度z 处，微小长度桩柱上 作用的粘性阻力可表示为： = 圭鹏观l 匕i 出 ( 2 - 8 ) 作用于深度为z 处，微小长度上的总波浪力为： d f = p 等脚吉如观k l 毖 协9 ) 沿桩柱总长的波浪载荷为 f2j ：d f ( 2 1 0 ) 式中：p 流体密度； d 一柱体直径； c d 柱体的曳力系数或称阻力系数； c 0 柱体的惯性力系数或称质量系数； 叱出段中点处流体瞬时速度的水平分量； 哈尔滨r t 程大学硕十学位论文 也出段中点处流体瞬时加速度的水平分量。 2 3 2 波浪载荷 海浪分为风浪、潮汐波、地震波以及船行波等，其中最主要的是风浪， 本论文仅考虑风浪的作用。 风浪是由风力产生的浪。风浪生成和发展的全部过程很复杂，经典波理 论只考虑已经形成的波，不考虑风的作用。下面简单说明两种常用的波理论。 1 、线性微幅波( a i r y 波) 假定波动的振幅相对波长来说是很小的，或者说波动振幅很小，这是微 幅波理论的基本出发点。1 8 4 5 年由a i r y 首先提出微幅波理论，所以也称为 a i r y 波理论。其波动方程为： 刁( x ，f ) 2a c o s ( k x c o t ) ( 2 1 1 ) 其中：k 为波数，即 后：丝 ( 2 1 2 ) 三 其中：i ，一波长 此波浪理论中，水质点水平运动速度为： 甜( x ，r ) = 么掣c 。s ( 缸一国r ) ( 2 一，3 ) 则水平加速度为： 西( x ，) = 彳缈2 掣s i n ( 舡一岔玎) ( 2 一，4 ) 其中：d 水深； z 距水面距离。 2 、非线性斯托克斯( s t o k e s ) 波 波形如摆线的一种有限振幅波动，与正弦波相比，波峰较陡，波谷较平 坦。其波面方程与线形波相比，多了一项与波高1 1 次访成比例项，成二次方 程的称为s t o k e s 二阶波。 1 2 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 s t o k e s 二阶波的波动方程为： 7 = 釉厩训+ 等( 习篇m 2 m 2 ( 肤训防 式中：h = ：g - j 波浪对海工结构物的作用有以下四种效应： 由于流体( 海水) 的粘滞性而引起的粘滞效应。 由于流体的惯性以及结构物的存在，使结构物周围的波动场的速度 分布发生变化而引起的附加质量效应。 由于结构物本身对入射波浪的散射作用而产生的散射效应。 由于结构物本身的相对高度即结构物高度和水深之比值较大，结构 物与自由表面接近扰动了原波动场的自由表面而产生的自由表面效 应。 a b a q u s a q u a 模块通过计算水质点的速度、加速度来计算作用在结构 上的波浪力和海流力。计算水质点的速度时包含波浪与海流的迭加效应，而 计算水质点的加速度时只考虑重力波的影响。a b a q u s a q u a 采用a i r y 波 理论和s t o k e s 5 阶波理论来计算作用在结构上的波浪力，采用m o