基于光纖光柵測(cè)試技術(shù)的隔水管力學(xué)行為實(shí)驗(yàn)研究

劉清友，毛良杰，周守為,，王國(guó)榮，黃 鑫，付 強(qiáng)，劉正禮

[1.流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西華大學(xué)),四川 成都 600300；2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué)),四川 成都 610500；3.中國(guó)海洋石油總公司，北京 100000；4.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067]

基于光纖光柵測(cè)試技術(shù)的隔水管力學(xué)行為實(shí)驗(yàn)研究

劉清友1，毛良杰2，周守為2,3，王國(guó)榮2，黃 鑫3，付 強(qiáng)3，劉正禮4

[1.流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西華大學(xué)),四川 成都 600300；2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué)),四川 成都 610500；3.中國(guó)海洋石油總公司，北京 100000；4.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067]

基于光纖光柵測(cè)試技術(shù)開展了隔水管力學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)研究，運(yùn)用相似理論確定了隔水管實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕緟?shù)。確定了光纖光柵傳感器的布置方法。給出了基于光纖光柵測(cè)試技術(shù)的數(shù)據(jù)處理方法，開展了均勻流作用下的隔水管渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究。通過研究得到以下結(jié)論：光纖光柵測(cè)試技術(shù)可應(yīng)用于隔水管力學(xué)行為實(shí)驗(yàn)研究中；實(shí)驗(yàn)條件下，流向的振動(dòng)頻率是橫向的2倍，且橫向的振幅明顯比流向的振幅大。所應(yīng)用的方法對(duì)于實(shí)驗(yàn)室研究隔水管力學(xué)行為實(shí)驗(yàn)具有重要意義。

隔水管；光纖光柵傳感器；渦激振動(dòng)；動(dòng)力特性

0 引 言

隔水管系統(tǒng)是指連接海底防噴器與海面鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備，是從海上鉆井平臺(tái)下到海底的一個(gè)連接通道。在鉆井作業(yè)時(shí)，隔水管的主要功能是隔絕海水，形成鉆井液的循環(huán)通道(正常鉆井條件下，鉆井液在隔水管環(huán)空內(nèi)；當(dāng)處于井控時(shí)，鉆井液通過節(jié)流和壓井管線循環(huán))，建立鉆具進(jìn)入地層的通道，串接附加管線。隔水管系統(tǒng)上接導(dǎo)流器，下連海底防噴器組，其結(jié)構(gòu)貌似簡(jiǎn)單，但是由于處于海水之中，其所受的載荷與工況是極其復(fù)雜的，主要包括以下幾個(gè)方面[1-4]。

(1) 隔水管受到風(fēng)、浪、流等海洋環(huán)境載荷的影響，而且這些載荷多變并難以預(yù)測(cè)，給隔水管安全造成了極大的不穩(wěn)定性。

(2) 鉆井平臺(tái)(鉆井船)偏移引起隔水管拉伸與變形，嚴(yán)重的可能發(fā)生斷裂。

(3) 隔水管自重大，下部隔水管需承受上部隔水管的重量。

(4) 鉆井工況影響：深水鉆井時(shí)若隔水管變形與旋轉(zhuǎn)的鉆柱易長(zhǎng)時(shí)間接觸，導(dǎo)致隔水管壁厚減小，強(qiáng)度降低。

(5) 深水鉆井隔水管在海洋結(jié)構(gòu)中屬細(xì)長(zhǎng)柔性管柱，海流易誘發(fā)隔水管產(chǎn)生渦激振動(dòng)(VIV)而導(dǎo)致其疲勞破壞。

(6) 隔水管浮力塊以及本體的接頭屬于薄弱部分，易損壞。

綜上所述，隔水管受到復(fù)雜工況與載荷的作用。近年來，國(guó)內(nèi)外相關(guān)隔水管事故時(shí)常發(fā)生，這其中包括LW3-1-1和LH34-2-1井的隔水管事故。因此，本文基于光纖光柵測(cè)試技術(shù)開展隔水管力學(xué)行為實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)研究光纖光柵測(cè)試技術(shù)在隔水管力學(xué)行為實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用及其數(shù)據(jù)處理方法，同時(shí)獲得了均勻流作用下隔水管渦激振動(dòng)的特性。

1 隔水管模型設(shè)計(jì)

1.1 隔水管模型設(shè)計(jì)

海洋工程細(xì)長(zhǎng)柔性管實(shí)驗(yàn)中的物理模型主要關(guān)心管子的外徑、長(zhǎng)度、彎曲剛度等因素。實(shí)驗(yàn)海洋環(huán)境模擬借助上海交通大學(xué)深水實(shí)驗(yàn)池，該水池最大深度為10 m，根據(jù)設(shè)備安裝情況，該實(shí)驗(yàn)所能設(shè)計(jì)的隔水管最長(zhǎng)為8 m，若選擇剛度較大的管材作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，有可能不能達(dá)到細(xì)長(zhǎng)柔性隔水管深水中的變形特征。因此，根據(jù)模擬海流的大小，對(duì)模型固有頻率進(jìn)行計(jì)算，選擇剛度較小的PVC材料作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。深水鉆井隔水管中常用的隔水管外徑之一為0.533 4 m，因此，根據(jù)外徑與隔水管模型長(zhǎng)度，確定縮尺比為20來確定該實(shí)驗(yàn)中使用的隔水管模型特性參數(shù)。利用相似準(zhǔn)則得到本實(shí)驗(yàn)隔水管模型的具體參數(shù)，如表1所示。

1.2 隔水管基本參數(shù)測(cè)量與計(jì)算

為更準(zhǔn)確地進(jìn)行理論計(jì)算以及數(shù)據(jù)處理，需要對(duì)隔水管實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕緟?shù)進(jìn)行測(cè)量與計(jì)算。其中，最重要的兩個(gè)參數(shù)為隔水管的密度和彎曲剛度。從隔水管實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕辖厝?0段，每段10 cm，然后測(cè)量其質(zhì)量，質(zhì)量測(cè)量過程如圖1(a)所示，最后算出其密度為1.57 g/cm3，PVC廠家提供的密度為1.5 g/cm3，以實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)。實(shí)測(cè)彎曲剛度通過取一段隔水管實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在其中間位置、1/3位置、2/3位置處掛砝碼，通過激光測(cè)距儀測(cè)量其變形大小，最后計(jì)算出隔水管的實(shí)際彎曲剛度為34 N·m2，與理論計(jì)算值36 N·m2吻合，剛度測(cè)量過程如圖1(b)所示。

表1 隔水管模型主要參數(shù)Table 1 Main physical properties of the drilling riser model

圖1 隔水管模型密度與剛度的測(cè)量Fig.1 Measurement for density and stiffness of drilling riser model

2 光纖光柵傳感器布置

本次實(shí)驗(yàn)主要利用光纖光柵傳感器測(cè)量隔水管實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ土W(xué)特性，如圖2(a)所示。它的優(yōu)點(diǎn)是尺寸小，安裝方便，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)中的隔水管模型總共布置64個(gè)光纖光柵傳感器，分別布置于CF1、CF2、IL1、IL2四個(gè)方向，每個(gè)方向16個(gè)點(diǎn)，如圖2(b)所示。隔水管上下兩端各安裝一個(gè)三分力儀。置于隔水管下端的三分力儀，用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程中隔水管實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牧Φ淖兓?；置于隔水管上端的三分力儀，用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程中鉆柱模型的力的變化。在隔水管IL、CF正前方，各布置有水下攝像機(jī)，用于記錄實(shí)驗(yàn)過程中流向(IL)與橫向(CF)振動(dòng)的錄像。圖2(c)、(d)為傳感器與攝像機(jī)布置示意圖和實(shí)物布置圖。

圖2 傳感器與攝像機(jī)布置示意圖Fig.2 Arrangement of the sensors and cameras

3 光纖光柵傳感器測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)處理方法

3.1 波長(zhǎng)與應(yīng)變轉(zhuǎn)換

首先需要將波長(zhǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為微應(yīng)變，表達(dá)式如下[5]：

(1)

式中:εμ為微應(yīng)變；λ為光信號(hào)波長(zhǎng)值，nm。

3.2 預(yù)張力影響的消除

渦激振動(dòng)發(fā)生時(shí)，預(yù)張力也會(huì)周期性振動(dòng)進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此必須消除預(yù)張力帶來的影響。CF方向的振動(dòng)呈對(duì)稱性，預(yù)張力產(chǎn)生的應(yīng)變也是相等的，因此，CF方向渦激振動(dòng)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)變?yōu)閇6-7]

(2)

式中:εVIV-CF為CF方向產(chǎn)生的彎曲應(yīng)變；εCF1為CF1方向產(chǎn)生的彎曲應(yīng)變；εCF2為CF2方向產(chǎn)生的彎曲應(yīng)變。

在IL方向，由于海流的作用，隔水管會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由拖曳力引起的初始彎曲應(yīng)變，IL1和IL2應(yīng)變可表示為

εIL1=ε0+εVIV-IL+εT，

(3)

εIL2=-ε0-εVIV-IL+εT，

(4)

式中：εVIV-IL為IL方向產(chǎn)生的彎曲應(yīng)變；εIL1為IL1方向產(chǎn)生的彎曲應(yīng)變；εIL2為IL2方向產(chǎn)生的彎曲應(yīng)變；ε0為初始拖曳力產(chǎn)生的應(yīng)變；εT為預(yù)張力引起的軸向應(yīng)變。

穩(wěn)定的時(shí)間段內(nèi)，可認(rèn)為渦激振動(dòng)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)變時(shí)間歷程均值為零，則可假設(shè)

(5)

由式(3)～(5)可得

(6)

(7)

因此IL方向渦激振動(dòng)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)變?yōu)?/p>

(8)

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的模態(tài)分析法

假設(shè)隔水管做小變形運(yùn)動(dòng)，則在一定時(shí)間內(nèi)隔水管軸線在流向上的位移可用下式表示[5-7]：

(9)

隔水管軸線流向的曲率為

(10)

隔水管可簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，其振型可表示為

(11)

將位移的模態(tài)振型代入式(10)，則曲率可化為

(12)

曲率與應(yīng)變有如下關(guān)系：

(13)

式中：ε(t,z)為隔水管流向表面應(yīng)變；R為隔水管半徑，m。

結(jié)合式(12)和式(13)，可得

(14)

式中：θi(z)為模態(tài)振型；e1(t)為模態(tài)權(quán)重。它們分別可表示為

(15)

(16)

沿長(zhǎng)度方向坐標(biāo)為Zm，m=1，2，3,…,M，測(cè)量得到的信號(hào)表示為

Cm(t)=ε(t,Zm)+ηm(t),

(17)

式中:Cm(t)為測(cè)量信號(hào)；ε(t,Zm)為應(yīng)變信號(hào)；ηm(t)為噪聲信號(hào)。

假設(shè)固有振型為正弦函數(shù)，并假設(shè)使用N階模態(tài)進(jìn)行分析可以滿足要求，則有

(18)

首先，第i階模態(tài)振型在M個(gè)測(cè)試點(diǎn)處的展開式為

(19)

則N階模態(tài)在M個(gè)測(cè)試點(diǎn)展開得到M×N的矩陣為

(20)

測(cè)量信號(hào)、噪聲信號(hào)以及模態(tài)權(quán)重的矩陣分別如下：

c(t)=[c1(t),c2(t),…,cM(t)]T，

(21)

η(t)=[η1(t),η2(t),…,ηM(t)]T，

(22)

e(t)=[e1(t),e2(t),…,eN(t)]T.

(23)

式(21)可以寫為

(24)

對(duì)于式(24)來說，僅當(dāng)測(cè)量點(diǎn)數(shù)等于參與計(jì)算模態(tài)數(shù)時(shí)，即M=N時(shí)有精確解，在不考慮噪聲誤差的情況下，其解為

(25)

(26)

3.4 頻率分析法

渦激振動(dòng)發(fā)生時(shí)，隔水管會(huì)在橫向及流向同時(shí)發(fā)生周期性的振動(dòng)，可用傅里葉級(jí)數(shù)表示為

(27)

式中：An為振幅；n為角頻；t為某一時(shí)刻；θ為初相角。

由于振動(dòng)過程中，振動(dòng)頻率是不隨時(shí)間變化的周期函數(shù)，因此，信號(hào)原始波形可分解為正弦波或者余弦波，等間隔取樣后，連續(xù)信號(hào)即為N個(gè)離散的點(diǎn)，此時(shí)可將級(jí)數(shù)表示為[8]

(28)

式中：A0，Ak，Bk，AN/2為常數(shù)；N為某個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)連續(xù)信號(hào)的序號(hào)。

對(duì)式(28)求解，擬合的頻率序號(hào)n最高即為N/2，這個(gè)頻率稱為Nyquist頻率。綜上所述，通過對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，可獲得對(duì)應(yīng)的張力響應(yīng)幅值與響應(yīng)頻率。

3.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程

整個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析流程圖Fig.3 Experimental data analysis flow diagram

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

渦激振動(dòng)發(fā)生時(shí)隔水管振動(dòng)模態(tài)、響應(yīng)頻率等參數(shù)反映了隔水管的渦激振動(dòng)特性，這些基本特性對(duì)于隔水管的設(shè)計(jì)以及鉆井過程中隔水管的安全控制具有重要意義。本文主要分析不同流速下隔水管渦激振動(dòng)的應(yīng)變時(shí)間歷程和響應(yīng)頻譜，分析均勻流作用下隔水管渦激振動(dòng)特性。渦激振動(dòng)發(fā)生時(shí)隔水管會(huì)在橫向和流向同時(shí)振動(dòng)，在后文的分析中均以CF代表橫向，IL代表流向。圖4和圖5分別是流速為0.1 m/s和0.2 m/s時(shí)，隔水管中部測(cè)點(diǎn)8對(duì)應(yīng)的應(yīng)變時(shí)間歷程及其響應(yīng)頻譜圖。當(dāng)流速為0.1 m/s時(shí)，CF方向響應(yīng)頻率為0.5 Hz，IL方向響應(yīng)頻率為1.09 Hz；當(dāng)流速為0.2 m/s時(shí)，CF方向響應(yīng)頻率為1.32 Hz，IL方向響應(yīng)頻率為2.63 Hz；經(jīng)計(jì)算隔水管的前二階固有頻率分別為0.45 Hz和1.18 Hz。由此可以看出，渦激振動(dòng)發(fā)生時(shí)，CF方向的振動(dòng)頻率鎖定在固有頻率上，而實(shí)際振動(dòng)過程中，CF方向的響應(yīng)頻率會(huì)比對(duì)應(yīng)的固有頻率大一點(diǎn)。這是由于初始拖曳力會(huì)使隔水管進(jìn)一步呈拉伸狀態(tài)，進(jìn)而增大其張力，而固有頻率隨張力的增大而增大。因此，實(shí)驗(yàn)過程中固有頻率比靜止?fàn)顟B(tài)下的大，進(jìn)而響應(yīng)頻率會(huì)比靜止時(shí)的隔水管頻率大。而IL方向的響應(yīng)頻率剛好是CF方向響應(yīng)頻率的2倍[9-12]。這是因?yàn)闇u激振動(dòng)發(fā)生時(shí)，由于漩渦的脫落方式的影響，在漩渦脫落的一個(gè)周期內(nèi)漩渦對(duì)CF方向作用一次，而對(duì)IL方向作用兩次。因此，IL方向的振動(dòng)頻率是CF方向的2倍。從圖4和圖5還可以看出CF方向的振幅明顯比IL方向的振幅大得多，這是由于渦激振動(dòng)發(fā)生而漩渦脫落時(shí)，漩渦形成的CF方向的升力要比其形成的IL方向的阻力大得多。

圖4 海流流速0.1 m/s時(shí)隔水管應(yīng)變時(shí)歷及其頻譜圖Fig.4 Strain time history and the corresponding FFT spectrum at location 8 with the flow velocity of 0.1 m/s

圖5 海流流速0.2 m/s時(shí)隔水管應(yīng)變時(shí)歷及其頻譜圖Fig.5 Strain time history and the corresponding FFT spectrum at location 8 with the flow velocity of 0.2 m/s

5 結(jié) 語

本文開展了基于光纖光柵測(cè)試技術(shù)的隔水管力學(xué)行為實(shí)驗(yàn)研究，確定了光纖光柵傳感器的布置方法及其應(yīng)用，給出了基于光纖光柵測(cè)試技術(shù)的數(shù)據(jù)處理方法，并利用光纖光柵測(cè)試技術(shù)開展了均勻流作用下隔水管渦激振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)。通過本文研究得到如下結(jié)論：光纖光柵測(cè)試技術(shù)可應(yīng)用于隔水管力學(xué)行為實(shí)驗(yàn)研究中；實(shí)驗(yàn)條件下，流向的振動(dòng)頻率是橫向的2倍，且橫向的振幅明顯比流向的振幅大。

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ExperimentalStudyoftheDrillingRiserMechanicalBehaviorBasedonFiberBraggGratingMeasuringandTestingTechnique

LIU Qing-you1, MAO Liang-jie2, ZHOU Shou-wei2,3, WANG Guo-rong2, HUANG Xin3,FU Qiang3, LIU Zheng-li4

[1.KeyLaboratoryofFluidandPowerMachinery,MinistryofEducation(XihuaUniversity),Chengdu,Sichuan600300,China; 2.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation(SouthwestPetroleumUniversity),Chengdu,Sichuan610500,China; 3.ChinaNationalOffshoreOilCorporation,Beijing100000,China; 4.ShenzhenCompanyofCNOOC,Shenzhen,Guandong518067,China]

We carry out experimental study on riser mechanical behavior based on fiber Bragg grating testing technology. The layout of fiber Bragg grating sensors is identified, and the basic parameters of riser experimental models are given by applying the similarity theory. The data processing method based on fiber Bragg grating testing technology is demonstrated. Riser vortex induced vibration experiments are carried out under the uniform flow and the results show that fiber Bragg grating technology can be applied to experimental study on riser mechanical behavior. The in-line vibration frequency is two times of the cross-flow one under the experimental conditions and the in-line amplitude is significantly larger than the cross-flow one. This method has great significance for experimental study on riser mechanical behavior in laboratory.

riser; fiber grating sensors; vortex induced vibration; dynamic characteristics

2015-08-11

國(guó)家自然科學(xué)基金(51274171)；國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05026-001-07)

劉清友(1965—)，男，博士，教授，主要從事石油機(jī)械、油氣井管柱力學(xué)與工具、計(jì)算機(jī)仿真等方面的研究。

TE973

A

2095-7297(2015)06-0378-06