脫開模式下深水鉆井隔水管串縱向振動(dòng)研究

柳　軍　黃　陳　劉清友　何玉發(fā)　何　星

(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院　四川成都　610500；

2.西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院　四川成都　610500；3.中國海洋石油總公司　北京　100010)

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脫開模式下深水鉆井隔水管串縱向振動(dòng)研究

柳軍1黃陳2劉清友1何玉發(fā)3何星2

(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院四川成都610500；

2.西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院四川成都610500；3.中國海洋石油總公司北京100010)

摘要：針對(duì)脫開模式下深水鉆井隔水管串的安全問題，采用微元法建立了考慮海洋環(huán)境影響的實(shí)際隔水管串縱向振動(dòng)力學(xué)模型，給出了相應(yīng)的初始條件、邊界條件，編制了相應(yīng)的計(jì)算程序，并用ABAQUS軟件進(jìn)行了驗(yàn)證，以南海某實(shí)際鉆井隔水管串的設(shè)計(jì)為例，研究了脫開模式下隔水管串的縱向振動(dòng)力學(xué)行為。結(jié)果表明：隔水管串在與井口脫開之后，其振動(dòng)頻率落入海洋環(huán)境荷載頻率之內(nèi)，且隔水管串上端截面支反力的動(dòng)態(tài)放大倍數(shù)為2.04，隔水管單根的應(yīng)力最大放大倍數(shù)為1.52；脫開模式下，隔水管串的中上段受力呈明顯的動(dòng)態(tài)放大趨勢(shì)，管串最下端受力水平則顯著降低。研究結(jié)果可為深水鉆井管串的設(shè)計(jì)提供理論支持。

關(guān)鍵詞：深水鉆井隔水管串脫開模式縱向振動(dòng)

在面臨臺(tái)風(fēng)等緊急情況時(shí)，深水鉆井隔水管串需與水下井口及時(shí)脫開，隔水管串底部殘余張力突然釋放，形成的沖擊波使隔水管串產(chǎn)生較大的縱向振動(dòng)，促使管串軸向拉伸或壓縮，并在鉆井平臺(tái)處形成一定的沖擊荷載。為了確保隔水管串振動(dòng)頻率不落入外荷載(如波浪荷載)頻率范圍之內(nèi)以及鉆井平臺(tái)設(shè)備不被沖擊荷載震壞，需要了解隔水管串在脫開模式下的動(dòng)力學(xué)行為[1-3]。

目前對(duì)脫開模式下隔水管串縱向振動(dòng)的研究還不夠全面[4-8]。如陳黎明等[5]通過建立懸掛模式下撤離隔水管柱有限元模型，對(duì)其作業(yè)窗口進(jìn)行了研究，并優(yōu)化了隔水管柱懸掛長度，但僅研究了隔水管柱在撤離過程中的力學(xué)行為，而未針對(duì)脫開模式進(jìn)行隔水管串的動(dòng)力學(xué)行為研究。也有部分研究嘗試通過建立縱向振動(dòng)力學(xué)模型[9-12]來分析隔水管柱的動(dòng)力學(xué)行為，如張煒等[9]將隔水管柱視為均質(zhì)等截面彈性細(xì)直桿，建立了脫開模式下隔水管柱縱向振動(dòng)波動(dòng)方程，獲得了隔水管柱固有頻率的解析表達(dá)式以及管柱縱向振動(dòng)的動(dòng)力放大系數(shù)，但該模型未考慮海水阻尼、浮力等影響，模型中基于均質(zhì)等截面彈性細(xì)直桿的假設(shè)也與實(shí)際管串有較大差別，且也未能給出隔水管的任意一截面處的動(dòng)力響應(yīng)。

本文根據(jù)隔水管串實(shí)際配置情況，建立脫開模式下隔水管串縱向振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，給出模型的初始條件及邊界條件，研究實(shí)際隔水管串緊急脫開模式下的縱向振動(dòng)力學(xué)行為。

1隔水管串縱向振動(dòng)力學(xué)模型

1.1隔水管串基本結(jié)構(gòu)

深水鉆井隔水管串如圖1所示，隔水管串包括：伸縮節(jié)、隔水管短節(jié)、隔水管單根、浮力塊、壓井管線、底部隔水管總成和防噴器組等。其中，伸縮節(jié)、隔水管短節(jié)、隔水管單根等通過夾式接頭連接，而隔水管串頂部與鉆井船剛性連接即采用硬懸掛模式。隔水管串在與井口緊急脫開即底部殘余張力突然釋放時(shí)，在頂張力、底部殘余張力和隔水管串浮重共同作用下形成一定初始位移開始振動(dòng)。

1.2基本假設(shè)

在海洋深水工況下，隔水管串的結(jié)構(gòu)以及受力極其復(fù)雜，且其長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其直徑，因此，引入如下假設(shè)：

(1)隔水管串材料特性保持不變；

(2)隔水管串截面為圓環(huán)形；

(3)隔水管串在自重與外荷載作用下屬于小應(yīng)變大變形問題；

(4)隔水管串上端約束為固定約束；

(5)不考慮鉆井液對(duì)隔水管串縱向振動(dòng)影響；

(6)隔水管的橫截面為平面，不考慮橫向變形。

圖1　深水鉆井隔水管串示意圖

1.3振動(dòng)微分方程

根據(jù)脫開模式下深水鉆井隔水管串的受力情況，取如圖2所示的微元體[13]進(jìn)行受力分析建立縱向振動(dòng)方程。

圖2　深水鉆井隔水管串微元體

脫開模式下第k段桿的振動(dòng)偏微分方程為：

對(duì)上式等號(hào)兩邊同時(shí)除以ρkAkdxk可得：

(1)

1.4邊界條件及初始條件

(1)上邊界條件

將隔水管串上端邊界視為固定端，即

u1(0,t)=0。

(2)下邊界條件

脫開后隔水管串的下邊界為自由端，即

(3)初始條件

隔水管初始張緊力與頂張力有關(guān)，最小頂張力為[18]：

Tmin=TSRminN'/[Rf(N'-n')]

(2)

式中各物理量的定義詳見文獻(xiàn)[18]。

TSRmin可由下式計(jì)算[18]：

TSRmin=Wsfwt-Bnfbt+Ai[dmHm-dwHw]

式中各物理量的定義詳見文獻(xiàn)[18]。

最大頂張力為：

Tmax=Tenl

(3)

式中，Tenl為張力器極限拉伸荷載。

1.5隔水管串縱向振動(dòng)方程

綜合以上，可以得到脫開模式下隔水管串振動(dòng)系統(tǒng)方程組:

(4)

對(duì)式(4)進(jìn)行差分離散，編制計(jì)算程序，研究脫開模式下隔水管串的縱向振動(dòng)力學(xué)行為。

2算例

2.1計(jì)算參數(shù)

南海某鉆井隔水管串系統(tǒng)實(shí)際配置及基本參數(shù)分別見表1、表2。

采用本文所給模型，研究脫開前隔水管串頂張力、脫開后隔水管串上端支反力、下端位移和各段隔水管串相連接處應(yīng)力的時(shí)程響應(yīng)。在計(jì)算程序中，時(shí)間設(shè)為200 s，時(shí)間步長取Δt=0.005 s，隔水管串的管單元長度劃分如表3所示。

表1　隔水管串系統(tǒng)配置

表2　隔水管串、鉆井液、海水基本參數(shù)

表3　隔水管串的差分單元?jiǎng)澐?/p>

2.2動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析

2.2.1隔水管串上端截面的支座反力時(shí)程分析

圖3為隔水管串上端截面的支座反力時(shí)程曲線，由圖3可見，本文所得結(jié)果與ABAQUS計(jì)算所得結(jié)果基本一致。脫開模式下隔水管串一階振動(dòng)頻率約為0.04，二階振動(dòng)頻率約為0.320；而海洋環(huán)境荷載頻率通常為0.033～0.333，隔水管串的振動(dòng)頻率落入了海洋環(huán)境荷載頻率之內(nèi)，有可能導(dǎo)致隔水管串發(fā)生大幅縱向振動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)隔水管串時(shí)有必要考慮脫開模式下管串與海洋環(huán)境的共振。

支座反力的最大幅值約為20 MN，與脫開前9.80 MN的頂張力相比，支反力的動(dòng)態(tài)放大倍數(shù)約為2.04，這說明脫開模式下隔水管串會(huì)對(duì)鉆井船產(chǎn)生較大的沖擊作用力。

圖3　隔水管串上端截面的支座反力時(shí)程曲線

2.2.2隔水管串應(yīng)力時(shí)程分析

脫開前各段隔水管串最下端點(diǎn)應(yīng)力如圖4，圖5為伸縮節(jié)外筒最下端點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線, 圖6為脫開后每段隔水管串最下端點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)程曲線。

由圖可見，對(duì)脫開前與脫開后隔水管串的應(yīng)力進(jìn)行比較，隔水管串中部及以上管段的應(yīng)力動(dòng)態(tài)放大，其中，伸縮節(jié)外筒最下端點(diǎn)應(yīng)力增大倍數(shù)為最大，即約1.52倍；隔水管串下部管段的應(yīng)力顯著降低。因此，在隔水管串設(shè)計(jì)時(shí)要考慮脫開模式下管串的強(qiáng)度問題，尤其是隔水管上部管段的強(qiáng)度。

圖4　各段隔水管串最下端點(diǎn)應(yīng)力

圖5　伸縮節(jié)外筒最下端點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線

圖6　各段隔水管串最下端點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線

3結(jié)論

本文采用微元法，建立了脫開模式下隔水管串的縱向振動(dòng)模型，以南海某鉆井隔水管串為例，研究了脫開模式下隔水管串縱向振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)行為，得到以下結(jié)論：(1)本文給出的考慮海洋環(huán)境影響的隔水管串縱向振動(dòng)力學(xué)模型及相應(yīng)的初始、邊界條件，為解決脫開模式下隔水管串的安全問題提供了一種方法。(2)通過隔水管串的振動(dòng)響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)脫開模式下隔水管串的一、二階振動(dòng)頻率落入海洋環(huán)境荷載頻率之內(nèi)。(3)分析了隔水管串與井口脫開前后的應(yīng)力變化，發(fā)現(xiàn)脫開后在管串中部及以上管段的應(yīng)力動(dòng)態(tài)放大，其最大動(dòng)態(tài)放大倍數(shù)最大可達(dá)1.52，而在管串下部則動(dòng)態(tài)縮小。

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Longitudinal Vibration Research on Deepwater Drilling Riser String

under the Condition of Disconnection Mode

LIU Jun1, HUANG Chen2, LIU Qing-you1, HE Yu-fa3, HE Xing2

(1.SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,

Sichuan,China;2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,SouthwestPetroleumUniversity,

Chengdu610500,Sichuan,China;3.ChinaNationalOffshoreOilCorporation,Beijing100010,China)

Abstract:In order to solve the safety problems of deep-water drilling riser string under the condition of disconnection mode, micro element method is used to establish the longitudinal vibration dynamic model of the actual riser string considering the marine environment. The corresponding initial conditions, boundary conditions are proposed. Using the difference scheme, the calculation program is developed, and the results of calculation program are verified by ABAQUS. Taking the actual drilling riser string design in the south China sea for example, the dynamic behavior of riser string are studied under the condition of disconnection mode. The research indicates that riser string vibration frequency falls into the range of ocean environment load’s, the dynamic magnification factor of counteracting force of riser string upper section is 2.04, and the dynamic magnification factor of riser joint stress is 1.52 after riser string disconnect from the mouth of well. The stress of riser string shows a trend of obvious dynamic amplification under the condition of disconnection mode. The results of study can provide effective tools and theoretical support for design of deep-water drilling pipe string.

Key words:Deep-water drilling; Riser string; Disconnection mode; Longitudinal vibration;

中圖分類號(hào)：TE921

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-8755(2015)04-0050-06

作者簡介:柳軍(1980—)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算力學(xué)、管柱力學(xué)。E-mail:liujun-888888@163.com

基金項(xiàng)目:國家重大專項(xiàng)子課題資助(2011ZX05026-001-07)；國家自然科學(xué) 資助(51105319)。

收稿日期：2015-07-01