充液钻井隔水管的非线性动力特性分析.pdf

2 0 1 0年 第 3 9卷 第 5期 第 1 4页 石 油 矿 场 机 械 OI L FI EL D EQUI P MENT 文 章 编 号 1 0 0 1 ． 3 4 8 2 2 01 0 0 5 一 O 0 1 4 0 3 充液钻井 隔水管的非线性动力特性分析 王海峡 一 ， 赵广慧 ， 余长柏 ， 章靖 ， 李维 国 1 ． 江汉石油钻头股份有限公司 ， 武汉 4 3 3 1 2 4 ； 2 ． 西南石油大学 ， 成都 6 1 0 5 0 0 3 ． 西南 油气 田装备制造公 司， 成都 6 1 0 0 5 1 摘要 近年来， 海洋油气勘探开发 已从浅海走向深海 ， 甚至超深海。随着水深的增加 ， 隔水管受力状 态更加 复杂 ， 对 隔水 管的强度和稳 定性 的要 求也 更 高。研 究影 响 隔水管 固有 频率 变化的各种 因素 ， 并数值计 算 了张力 比、 管长 、 浮 力块对 隔水 管固有频 率的影 响 ， 通过 分 析提 出避 免发 生锁频 共振 途 径 ， 所得 的结果 可对深水 钻井 隔水管的正 确设计 和使 用提 供参 考。 关 键词 深水钻 井 ； 隔水管 ； 动 力分析 ； 固有频 率 中图分类 号 T E 9 5 1 文献标 识码 A No n l i n e a r Dy n a mi c Ana l y s i s o f Dr i l l i ng Fl u i d i n Dr i l l i n g Ri s e r WAN G Ha i ． x i a ’ ，ZHAO Gu a n g h u i ，YU Ch a n g ． b o ，ZHANG J i n g ， LI W e i g u o 。 1 ． K i n g d r e a m Pu b l i c L i mi t e d C o m p a n y ，Wu h a n 4 3 0 2 2 3，C h i n a； 2 ． S o u t h we s t Pe t r o l e u m Uni v e r s i t y，Ch e n gd u 6 1 0 5 00， Chi n a； 3 ．E q u i p me n t Ma n u f a c t u r i n g C o mp a n y， Oi l G a s F i e l d S o u t h we s t B r a n c h ， C h e n g d u，6 1 0 0 5 1 ，C h i n a Ab s t r a c tI n r e c e n t y e a r s，t h e o f f s h o r e o i l e x p l o r a t i o n a n d e x p l o i t a t i o n a r e b e i ng a p p r o a c h e d f r o m s h a l l o w wa t e r t o d e e p wa t e r ，e v e n t o t he u l t r a d e e p wa t e r ． As t h e wa t e r d e p t h i n c r e a s e s ，t h e f o r c e a c t i n g o n t h e d r i l l i n g r i s e r b e c o me s mo r e a n d mo r e c o mp l i c a t e d a n d hi g h e r s t r e n g t h a n d s t a b i l i t y a r e r e q u e s t e d．Ef f e c t s o f t o p t e n s i o n r a t i o T T R，t h e l e n g t h o f t h e r i s e r a n d b u o y a n c y mo d u l e s o n n a t u r a l fr e q u e n c y w e r e s t u d i e d n u me r i c a l l y ． Ap p r o a c h e s t o a v o i d i n g r e s o n a n c e o f t h e d e e p wa t e r d r i l l i n g r i s e r a r e p u t f o r wa r d． And t he r e s u l t s c a n b e r e f e r r e d i n d e s i g n i n g a n d u s i n g o f d e e p wa t e r d r i l l i n g r i s e r ． Ke y wo r d sd e e p wa t e r d r i l l i n g；r i s e r ；d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s；n a t u r a l fre q u e n c y 隔水管 是海洋 浮 式钻 井 系统 中的重 要设 备 ， 同 时也 是薄弱 易损构件 之一 。其 内部 有高压 的流体通 过 ， 外 部 则 承 受 波 浪 、 海 流 的作 用 ， 加 上 所 连 浮 体 钻井船或平台 的漂移存在 ， 使得隔水管处于极其 复杂 的海 洋环 境 中” 。随 着海 上 油气 勘 探不 断 向 深 水区发展 ， 所需 的隔水 管 长 度也 增 加 。这样 隔 水 管成 为一种 细长 的柔性 结 构 ， 其 振动 频 率 的基 本周 期 为几十秒 ， 而波 浪 的周期 通 常 为 6～3 0 S ， 这 样很 有可 能有一个 或者几 个隔水 管单根 振动 的固有周期 落入 波浪周 期范 围之 内 ， 从 而导 致 隔水 管 发生 复 杂 的振 动 。另外 ， 海 流流过 隔水管 时将产 生漩 涡 ， 由于 漩涡 的脱落 会引起 隔水管 的纵 向 、 横 向振 动 ， 甚至会 使漩 涡脱落频 率锁 定 在 1结 构振 荡 频率 上 ， 从 而产 生涡激共振 ， 造成工程结构失效。因此， 深水钻井隔 水 管 涡激响应 及其疲 劳寿命 预测是 目前海洋石 油工 程 研究 的热点 问题 之一 。 隔水管 固有频 率是 预测 涡激 响应 的重 要参 数 ， 在 工程应 用方面 有着 重 大 意义 ， 但 迄今 为止关 于 隔 收稿 日期 2 0 0 9 1 1 - 1 8 基金项 目 省部共建“ 石油天然气装备 ” 教育部重点实验室资助项 目 2 0 0 6 S T S 0 4 作者简介 王海峡 1 9 8 2 一 ， 男 ， 重庆人 ， 硕士 ， 2 0 0 9年毕业于西南 石油大学 ， 主要从事海 洋石油机 械及 牙轮钻头方 面的研 究 ， E ma i l w h x 1 4 8 4 1 8 7 2 1 1 6 3 ． C O I T I 。 第 3 9卷第 5期 王海峡 ， 等 充液钻井 隔水管 的非线性动力特性分 析 1 5 水管 固有 频率 的研 究 文 献 较 少 。据 此 ， 本 文 在 有 限 元理论 的基础上 ， 应 用 A N S Y S软件 数值 计算 和分 析 了不 同 的顶 部 张力 、 管 长 以 及 浮 力块 单 独 作 用 下 对 深水钻 井 隔水管 固有 频率 的影 响 。在 分析 和研 究 中 考虑 了隔水 管 的小 挠 度 、 轴 力及 钻井 液 的影 响 ， 从 而 使 计算结 果 更符合 实 际情况 。 1 建 立振动微分方程 假设 隔水 管竖 直 地 连接 在 钻 井 船上 ， 下 端 铰 接 在万 向节 上 ， 上 端有 张 紧器施 加 的顶 部 张力 ， 视为 受 张力 的简 支梁 。并 引入如 下假 设 a 隔水 管 内充 满钻 井 液 ， 不 考虑 钻 柱 对 隔 水 管抗 弯刚 度 的影 响 。 b 隔 水 管 每 个 单 元 内 的几 何 特 性 和材 料 特 性保持 不 变 。 c 认 为隔水 管 的变形 为小挠 度 。 建 立钻井 隔水 管 系统坐 标 系 ， 如 图 1 所 示 ， 平 面 加 。 的坐标 原点 定于底 部 球铰处 ， z 轴与 重力 方 向相 反 ， 轴 同来 流 方 向一 致 。 隔水 管 下端 通 过 球 铰 和 海 底井 口相连 ， 简化 为 固定铰 支约 束 ， 则隔水 管控 制 方程 的下 端边 界条 件为 ， t l f1 0 ， 02 X l 一 、0 1 隔水管 控制 方程 的上端 边界 条件 为 Z ， t 『 0 E， 02 X I 一0 2 a 一 利用 B e r n o u l l i E u l e r 弯 曲理 论 可 得 隔 水管 横 向 振动 四阶偏 微分 方程 为 E， O Z 4 一 1 9 -- O X W 等 0 3 式 中 ， E ， 为 隔水 管 的抗 弯 刚度 ； 『 J 为 隔 水 管 任 意 截 面 的轴 向力 ， P F 1F 。 ， 其 中 F 为 隔水 管 下端 轴 向载荷 ， 为 单位 长度 隔水 管及 管 内泥 浆在 海水 中的浮 重 ； W O - X 为 单 位 长 度 隔 水 管 及 管 内 泥 ot 浆惯 性力 的水 平分 量 。 2数值计算分析 2 ． 1 计算 参数 管 长 1 0 0 0 m； 管外径 0 ． 5 3 3 m； 壁厚 0 ． 0 2 5 4 i n ； 管密度 7 8 5 0 k g ／ m ； 弹性 模 量 2 ． 11 0 “N ／ m ； 泊 松 比 0 ． 3 ； 水 深 1 0 0 0 m； 钻 井 液 密 度 l 2 0 0 k g ／ m 。 采 用 A N S Y S单 元库 里 的 P I P E 5 9单 元建 立 隔水 管 系 统 的数 值模 型 ， 取段 长为 1 0 I l l 进行 数值计 算 。 2 ． 2 顶部 张力对 隔水 管 固有频率 的影 响 当张力 比 张力 比等 于 顶部 张 力 与 隔水 管 及 管 内泥 浆 在海 水 中的 重 力之 比 ， 用 豫 表 示 分 别 为 1 ． 4 、 1 ． 6 、 1 ． 8 、 2 ． 0 ， 管 长 1 0 0 0 I l l 时 ， 张力 比对 隔水 管 圊有 频率 的影 响 如 图 2所 示 。可 以看 出 ， 隔水 管 的固有频 率 随着 张 力 比的 增 加 而 增 大 ， 反 之 亦 然 。 当张力 比一定 时 ， 随荇频 率 阶次 的增加 ， 隔水 管的 固 l j 4 5 6 阶次 1 钻 计 隔 水 管 系 统 平 面 分 析 上端 与钻 井船 相连 ， 假设 钻井 船不 水平 运动 ， 则 图 2 张力比刈 水竹冈柯蝴率的影响 0 0 0 m 4 6 8 O ． 如 “ H 培 儿 加∞ ∞ ．量呖 兰 三 O O O O O O O O O O O O O O O O O O H ／ 斛 忙回 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 0年 5月 有频率也 随着增 加 。结 果分 析 表 明 ， 顶 部 张力 对 深 水 钻井 隔水 管 的 固有频 率 影 响十 分 明显 。 因此 ， 可 在 一定范 围内调节 顶部 张力 的大小 来改变 其 固有 频 率 ， 防止其共 振 。 2 ． 3 管长对 隔水管 固有频 率的影 响 在实 际海 洋 钻井 中 ， 隔水 管 的长 度一 般是 不 同 的 ， 所 以管 长 成 为 动 力分 析 重 要 考 虑 的 因素 之 一 。 当 卯 I ． 4时 ， 管 长对 隔水 管 的 固有 频 率 的影 响 如 图 3所 示 。计 算结果 表明 ， 随着管 长的增加 ， 隔水 管 的固有频率 整体急 剧下降 ， 而在 同一管长下 ， 隔水 管 的固有频率 随着频率 阶次 的增加而增 大 。因此说 明管 长对 隔水管 的 固有频 率有 重要 的影 响 。 图 3 隔 水管 管 长 对 隔 水 管 固 有频 率 的影 响 T T R1 ． 4 2 ． 4浮 力块对 隔水管 固有频 率的影 响 取管 长 为 1 5 0 0 m， 张力 比为 1 ． 2 ， 浮 力块 直 径 1 ． 1 1 7 5 6 m 4 4英寸 ， 其净浮力计算参考文献[ 6 ] 。 浮力块 安 装起 始 位置 均 为海 平 面 以下 5 0 0 I l l ， 对 长 度分别为 1 0 0 、 2 0 0 、 3 0 0 、 4 0 0 m以及无 浮力块 的情 况 进行 研究 ， 结 果变化 如 图 4所示 。未安装 浮力块 时 ， 隔水 管 固有频 率是最 小 的 ； 当安装 浮力块 以后 ， 隔 水 管 的固有频 率 会 随 着 安 装 浮力 块 的长 度 增 加 而增 大 。因此 ， 可在 一定 范 围 内通 过安 装 浮力 块 的 方法 来调整 隔水管 的 固有频 率 ， 防止 共振 。 3 结论 本文对 充满钻 井液 的深水钻井 隔水 管进行 了非 线性 动力特性 分析 ， 研 究 了影 响 隔水 管 固有 频 率 的 因素 ， 并重点数 值计算 和分 析 了顶 部张力 、 管长和 浮 力块 对隔水管 固有频 率 的影 响 。研 究发 现 隔 水管 的高阶固有频率与常见海浪很接近 ， 而顶部张力、 管 长和浮 力块 长 度 均 对 隔 水 管 的 固 有频 率 有 重 要 影 响 。随着顶部 张力 或安 装 浮 力块 长 度 的增加 ， 隔水 管的 固有频率将 逐渐增 大 ； 管 长越长 时 ， 固有频 率将 越 小 。因此 ， 在 管长一定 的情况 下 ， 采用 控制顶 部张 力 、 浮力块 长度 等方 法可 在 一 定范 围 内改 变 隔水 管 系统 的固有频率 ， 以避 免产生共 振而损 坏 。 ＼ 斛 妞 固 阶次 图4 浮力块长度对隔水管 固有频率的影响 参考文献 [ 1 ] 兰洪波 ， 张玉霖 ， 菅志 军 ， 等 ． 深水 钻井 隔水管 的应用 及发展趋势 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 3 9 6 - 9 8 ． 徐兴平 ， 王龙庭． 受撞浅海 隔水管 复位分析 [ J ] ． 石油 矿场机械， 2 0 0 8 ， 3 7 4 5 0 5 2 ． 许亮斌 ， 畅元江 ， 蒋世 全 ， 等．深水钻井 时域非线性 动 态 响应 分 析 技 术研 究 [ J ] ． 中 国海 上 油 气 ， 2 0 0 8 ， 2 0 2 1 1 5 1 2 0 ． 畅元江 ， 陈 国明．海洋钻井 隔水管 固有频率 的简化计 算 [ J ] ． 中国海上油气 ， 2 0 0 5 ， 1 7 5 3 5 2 3 5 5 ． Da r e i ng D W ， Hua n g T． Na t u r a l f r e q ue n c i e s o f m a r i ne d r i l l i n g r i s e r s [ R] ．S P E 5 6 2 0 ， S o c i e t y o f P e t r o l e u m a n d En g i n e e r i n g ， Ne w Or l e a n s ， 1 9 7 6． CUMI NG Co r p o r a t i o n．Es t i ma t i n g Ri s e r Bu o y a nc y Mo du l e D i a me t e r s [ R] ．T e c h n i c a l N o t e 1 0 0 7 ． 王海峡 ， 赵广慧 ．波流极值 载荷作用下 隔水 管的非线 性分析 [ J ] ． 石 油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 1 1 6 1 0 ． 李桂 华．海 洋钻 井 隔水管 动力 分 析 [ J ] ． 石 油学 报 ， 1 9 9 4， 1 6 1 8 48 8 ． 林海花 ， 王言英．浪流共 同作用 下隔水管涡激 动力响 应分析[ J ] ． 哈尔滨工程大学学报 ， 2 0 0 8 ， 2 9 3 1 2 2一 】 2 6． J ] ] ] ]