海洋深水钻井隔水管动力分析.pdf

第23卷增刊
天然气,工业
海洋深水钴井隔水管动力分析
石晓兵郭昭学聂荣国1周俊昌2平罗平亚'(中国τ程院士)
(1.西南石油学院2.中海油上海分公司
石晓兵等.海洋深水钻井隔水管动力分析,天然气工业,2003;23(培刊):81~83
摘要胞着洋油气钻井向深水颂械发展,钻井隔水管的受力越来越复杂,随着水深的增加,钻井隔水管的
动力学分析星得越来越重要。文章考蔗了隔水管所受的三维戟荷,返用有限元法:采判三维动力学模型对深水钻
井隔水管約动力特性进行了计算分析。研究表明,顶部张力对隔水管的良振频率影响嗎显,着顶彰张力的增大
隔水管的自振率曾大;深水隔水管常规使用下的高阶頻率与常见海浪颊接近,在设计和工中应特别注意。
调节隔な管顶部张力可在一定范團内政变隅水管系统的自振频率,以避开与海浪产生共振的频率。
主题词深水钻井隔水管有限元法动力分析
据报道:在全球水深超过500m的地层里已经。接的关系。为了掌握结构的动力特性,必须计算结
发现了69×10°m23的新增石油天然气储量,可能还构的自振频率和振型。因此,钻井隔水管的自振频
有137X10°m的潜在储量。在预计含油气的深水率和振型分析是隔水管动力分析的一个主要内容。
区域中,已经勘探过的面积只占ー半左右。据估计,
体系振动的自由度是动力分析的重要概念。所
全世界未发现的海上油气储最有90%潜伏在水深超谓振动的自由度是指确定体系全部质量位置所需独
过1000m以下的地层。
立参数的数目。一般地,结构的质量是连续分布的,
在深水钴井中,随着水深的增加,隔水管柱的受因此惯性力也是连续分布的,确定一个实际结构全
カ状态更加恶劣和复杂,有不少浮动钻井船或平台部质量位置所需的独立参数将有无穷多个。因此实
由于隔水管系统不能适应和承受巨大的综合性外力际结构物振动是一个无限自由度体系振动问题,对
而使钻井工作中断,甚至无法恹复继续钻进,造成钻它求解十分困难。在T程中常将实际的无限自由度
井失败。在北海仅一年时间,直接因隔水管系统体系振动分析问题近似地转化为有限自由度体系的
而造成的损失就多达110台/天和350万美元;而我振动分析问题的做法。本文采用一种具有普遍性的
国海域的石油劫探钻井工作,由于隔水管系统的事将无限自由度体系转化为有限自由度体系分析的方
故而造成停工也多次发生,因此,对海洋深水钴井的法·即有限单元法。
屑水管系统进行分析,以期作为深水环境条件下隔
(1)基本假设。深水钻井时,钻井隔水管的受力
水管柱强度设计的依据,解决隔水管的稳定、安全问情况变得十分复杂。因此,在用有限元法分析钻并
题,显得尤为重要,也即是深水钻井中日前需要解决隔水管之前,有必要作一些假设:①在每个单元内,
的重要课题之ー?。
几何特性和材料特性保持不变;②隔水管下端与球
隔水管动力学分析的有限单元法
绞相连,为绞支约東③隔水管上端与浮式钻井装置
相连,具有初始的横向位移;④隔水管在自重与外载
在同一动力载荷条件下,不同结构的动力反应作用下属于小应変大变形问题;⑤隔水管内充满钻
是不相同的,反应的大小与结构的自振频率有着直井液,不考虑钴柱对隔水管抗弯刚度的影响。
x本文系(NO)(C“九五”重点科技项目“海洋深水钴井项目准备”的部分内容。
作者简介:石晓兵,1967年生,副教授;1999年毕业于西南石油学院,获石油与天然气工程博士学位。从事石油丁程教学
与定向井、水平井、海洋石油工程及油气井工程测量与过程控等科研工作,发表论文20多篇。地址:(610500)四川省成都市
新都区。由话:(028)83033801
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针井了
天然气工业
2004年4月
(2)高散体的运动微分方程。同静力学问题一关。一般来说,用有限单元法求得的结构基本频率
样,用有限元进行动力分析时,酋先必须将结构离散以及较低的几个颖率的精度远好于用此方法求得的
为多个单元,导出单元的运动方程,然后在这个基础较高频卒的精度。这是因为低频率振动时结构的位
上建立离散了的物体的整体有限元方程。建立有限移状况更容易用分段的简单函数曲线来逼近2。
元运动方程时要用到动态问题的变分原理,即哈密在进行自振频率求解时,如果单元局部坐标系的方
顿( Hamilton)原理。该原理叙述如下:在满足协调向与结构坐标系的方向不一致,则需要将局部坐标
条件、约東条件或运动条件以及在时间和条件的所下的单元质量矩阵转向结构坐标系,转换的方法与
有可能的位移随时间变化的形式中,是真实解的那静力学分析方法相同阳。与结构静力分析的矩阵法
种变化使拉格朗日函数取得极小值。由哈密顿原
样,求解自振频率的有限单元法也可以分为先处
理,经过系列推导,可得一个一般的离散系统来说,理法和后处肆法。如果在形成结构质量矩阵时就先
运动方程可表示为:
将鈷构的位移紂東条件考虑进去,这就是先处理法。
M]°+[Cl8"}+[K]2={P(
本文采用的就是这一方法。
式中:LK]为一般静力分析时的结构刚度矩阵,C
(5)轴向力对隔水管动力特性的影响。轴向载
为结构駐尼矩阵,[M]为结构质量矩阵,4}、6ト、荷对隔水管的动力特性具有显著的影响。由力学分
6}分别为结构的节点位移、位移速度和加速度向析可知,轴向拉力使隔水管的抗弯刚度增加?轴向压
量,{P()}为节点的載荷向量,它们都是时间な的図力使隔水管的抗弯刚度减小。如果隔水管承受轴向
压力的作用,则横向振动的频率减小;反之隔水管承
(3)质量矩阵和阻尼矩阵。质量矩阵。在用有受轴向拉力的作用,其横向振动的频率将增加。
限元求解结构动力学问题中,单元的质量矩阵采用
集中质量矩阵形式。集中质量矩阵是将单元分布质
计算结果分析
量换算集中到单元的结点上,它是一个对角矩阵由
本文计算了深水钻井隔水管在三维载荷作用下
于集中质量矩阵是一个对角线矩阵,用计算机计舞的动力特性,计算的基本参数见表1。随着水深的増
时可按-维数组来存储,很方便。集中质量矩阵的
形成以及后面的计算都比较省时,存储量少。因而
衰1隔水管计算基本参数
在实际的离散过程中,也将分布的质量作集中化处
名称
数值
理。阻力矩阵。阻尼极其复杂,要考虑各种因素作
隔水管总长(m〉
1000
详细的研究是很困难的。作用在结构上的阻尼,通
泥线以下长度(m)
常可按以下三种方法表示:①固体之间的摩擦引起
的阻尼,根据库仑法则是常数;②材科的内部阻尼,
壁厚
它与位移成正比;③粘性阻尼,它与速度成正比。其
钢材密度(kg/m3)
弹性模量(kN/m2)
2.1×105
中材料的滞后阻尼一般很小,而固体摩擦往往在阻
水深(m)
尼中起主要作用。但是,由于固体摩擦的分析处理
海水密度(kg/m3)
10.30
是很困难的,因此为了简便起见,通常将所有的阻尼
海面流速(m/s)
作用表示为粘性阻尼的形式(2的
顶部载荷(C)
1(r
1200
(4)求解结构动力特征值问题。在实际工程应
钻井液密度(kg,/m3)
计算段长(m
用中,分析结构的自振频率和振型是非常重要的内
波高(m)
容。对于实际的结构来说,率和振型是结构固有
波浪問期(s)
的属性,只有结构本身