深水鉆井隔水管三維渦激振動理論模型

付 強毛良杰周守為王國榮

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué) 2.中國海洋石油總公司3.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院

付強等. 深水鉆井隔水管三維渦激振動理論模型.天然氣工業(yè)，2016，36（1）：106-114．

?

深水鉆井隔水管三維渦激振動理論模型

付 強1,2毛良杰1周守為1,2王國榮3

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué) 2.中國海洋石油總公司3.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院

付強等. 深水鉆井隔水管三維渦激振動理論模型.天然氣工業(yè)，2016，36（1）：106-114．

摘 要隔水管作為深水鉆井的關(guān)鍵設(shè)備，國內(nèi)外均對其渦激振動開展了大量的理論與實驗研究，但都主要針對隔水管在橫向的渦激振動，并沒有考慮隔水管同時受到橫向以及流向的耦合作用。為此，利用旋渦動力學(xué)理論，建立了同時考慮流向靜態(tài)變形以及流向與橫向耦合作用下的深水鉆井隔水管三維渦激振動理論模型，采用有限單元法結(jié)合Newmark-β法對模型進(jìn)行求解，并在深水試驗池開展了相似實驗對模型進(jìn)行驗證，編制了計算分析程序，模擬了不同海流流速下隔水管渦激振動模態(tài)以及三維空間形態(tài)，探索了三維空間下隔水管渦激振動響應(yīng)機理。模擬結(jié)果表明：①隨著表面流速的增大隔水管橫向以及流向的振動模態(tài)分別增大，且流向振動模態(tài)階次大于橫向振動模態(tài)階次，橫向振動幅值遠(yuǎn)大于流向振動幅值；②隔水管流向的靜態(tài)變形遠(yuǎn)大于流向渦激振動變形，流向的變形形態(tài)主要受靜態(tài)變形的影響；③隔水管在橫向以及流向渦激振動耦合作用下，空間形態(tài)變得扭曲，在進(jìn)行隔水管組合配置設(shè)計時應(yīng)該同時考慮來自橫向和流向的影響。

關(guān)鍵詞渦激振動 橫向振動 流向振動 振動模態(tài) 深水鉆井 隔水管 三維

隔水管系統(tǒng)指連接海底防噴器與海面鉆井平臺的關(guān)鍵設(shè)備，是從海上鉆井平臺到海底的一個連接通道。在鉆井作業(yè)時，隔水管的主要功能是隔絕海水，形成鉆井液的循環(huán)通道，建立鉆具進(jìn)入地層的通道，串接附加管線。深水鉆井時，隔水管長上千米，在海洋結(jié)構(gòu)中屬細(xì)長柔性管柱，若有海流流過隔水管，會在其兩側(cè)交替形成旋渦。渦激振動持續(xù)發(fā)生會大大降低隔水管的疲勞壽命，導(dǎo)致失效事故發(fā)生，如534DP鉆井船以及P-36鉆井平臺均發(fā)生過因渦激振動引起的隔水管失效事故，造成了巨大的經(jīng)濟損失。因此，深水鉆井隔水管渦激振動問題近年來也越來越受到各國研究人員的高度關(guān)注。

目前，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對渦激振動機理開展了大量的理論與實驗研究。國外著名的研究學(xué)者有Williamson、Larsen、Vandiver、Allen等[1-3]人，國內(nèi)主要研究集中于中國海洋大學(xué)、中國石油大學(xué)（華東）、大連理工大學(xué)、上海交通大學(xué)、西南石油大學(xué)等[4-8]相關(guān)高校。Williamson[1]、Sarpkaya[9]等綜述中對渦激振動相關(guān)理論與實驗研究進(jìn)展及其作用機理進(jìn)行了詳盡的闡述。針對渦激振動預(yù)報的著名分析軟件主要有MIT研發(fā)的SHEAR7、VIVA以及NUTU 與Marinetek共同研發(fā)的VIVANA，此外相關(guān)研究機構(gòu)還研發(fā)了USP、Deepflow、VIVIC等渦激振動分析軟件，這些軟件并沒有考慮順流渦激振動響應(yīng)，即隔水管三維空間受力情況。在渦激振動理論模型研究方面，大多以尾流振子模型為基礎(chǔ)來計算橫向渦激升力，而同時針對流向以及橫向聯(lián)合作用的三維渦激振動模型研究較少。針對三維渦激振動模型研究主要有：Chucheepsakul等[10-11]發(fā)展了雙自由度渦激振動模型，可以同時模擬流向和橫向兩個方向的耦合運動；Kaewunruen等[12]討論了三維空間下隔水管重力中心線、橫截面位置及形變?nèi)齻€重要結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)；石曉兵[13-14]考慮了三維載荷對海洋深水鉆井隔水管力學(xué)特性的影響規(guī)律；秦偉[15]建立了雙自由度渦激振動理論模型，分析了不同工況下圓柱體的橫向和順流向振幅響應(yīng)。從目前的研究現(xiàn)狀來看，針對隔水管三維渦激振動理論模型研究還很缺乏。

筆者在已有研究基礎(chǔ)上，采用旋渦動力學(xué)理論建立隔水管三維渦激振動理論模型，利用有限單元法結(jié)合Newmark-法對模型進(jìn)行求解，模擬不同海流流速下隔水管渦激振動模態(tài)以及三維空間形態(tài)，探索三維空間下隔水管渦激振動響應(yīng)機理。

1 隔水管三維渦激振動理論模型的建立

1.1 隔水管三維渦激力計算模型的建立

旋渦作用下隔水管會在流向和橫向產(chǎn)生劇烈振動，即渦激振動[4，16-17]，如圖1所示。

圖1 隔水管渦激振動示意圖

假設(shè)隔水管后形成經(jīng)典的卡門渦街，旋渦沿速度方向向下游擴散運動，即旋渦兩列相互平行、異轉(zhuǎn)向其強度的大小相等其交錯排列的長渦列。整個流域可分為近壁控制域和尾渦域。近壁控制域的控制渦是隨時間變化而變化的，而尾流控制域是無窮大空間的，設(shè)在t時刻尾流控制域共n個離散點渦，近壁控制域有m個控制渦，則整個流域內(nèi)存在N=m+n個點渦[18]，如圖2所示。

圖2 點渦在空間布置的參數(shù)化模型圖

因此，根據(jù)圓定理寫出靜止的圓柱條件下，整個流場的復(fù)勢w為[15,18]:

由布拉修斯定理可得[9-10]：

考慮式(3)和式(4)的右側(cè)方括號項，表示點渦導(dǎo)致流場內(nèi)壓力場分布不均勻產(chǎn)生的對結(jié)構(gòu)的作用力。渦激振動發(fā)生時，隔水管橫向振動以斯特勞哈爾頻率振動，同時存在一個振幅，因此，該項存在一個振動幅值為0.5ρΓU，頻率為fst（斯特勞哈爾頻率）的交變橫向作用力?？紤]式(3)和式(4)中的右側(cè)第一項，表示近壁控制渦的非定常特性對結(jié)構(gòu)作用力的影響，可用一個等效控制渦代替近壁控制域內(nèi)的所有渦對隔水管的影響。在的時間微元內(nèi)，式(3)和式(4)右端的非定常項在滿足時，可以表達(dá)為：

將式（5）和（6）分布代入（3）和（4）中可得[15,18]：

1.2 隔水管三維渦激振動理論模型的建立

筆者在文獻(xiàn)[19]中通過利用最小勢能原理，結(jié)合泛函求極值方式建立了隔水管動力學(xué)控制方程，結(jié)合本文建立的隔水管三維渦激力計算模型，建立了隔水管三維渦激振動理論模型。其中y方向為海流傳播方向，即流向；x方向為垂直海流方向，即橫向；z方向沿隔水管長度方向，即軸向，其控制方程組如下：

式中EI為彎曲剛度，N·m2；y為流向位移，m；x為橫向位移，m； V為鉆井液流速，m/s；為單位長度內(nèi)部流體的質(zhì)量，，kg；Ai為隔水管的橫截面面積，m2；為鉆井液密度，kg/m3；為單位長度隔水管質(zhì)量，kg；T為截面上的張力，N； c為結(jié)構(gòu)阻尼；為流向拖曳力，N；為橫向升力，N；U為來流流速，m/s；為k渦元在t時刻的強度，Pa；

2 模型求解及其程序驗證

2.1 模型求解方法

隔水管動力學(xué)模型為彎曲梁單元，可采用埃爾米特三次插值函數(shù)對其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散，離散后可變化為有限元計算公式為：

1）計算固有頻率，判斷渦激振動狀態(tài)。

5）形成有效剛度矩陣：

2.2 模型驗證

本文利用Fotran6.7編寫了深水鉆井隔水管三維渦激振動分析程序。為驗證模型，筆者在上海交通大學(xué)深水試驗池開展了相關(guān)實驗研究[8,19-24]，利用所開展的隔水管力學(xué)行為實驗結(jié)果進(jìn)行驗證，實驗?zāi)Ｐ突緟?shù)如表1所示。

表1 實驗?zāi)Ｐ蛥?shù)表

圖3和圖4分別是實驗?zāi)Ｐ椭虚g位置在兩種流速下橫向和流向位移時間歷程的實驗與理論計算結(jié)果，其中流向位移消除了初始拖曳力造成的靜態(tài)位移。從圖3和圖4可以看出，理論計算值與實驗結(jié)果具有良好吻合度。但是，實驗結(jié)果的波動幅值比理論計算值更大，這可能是因為實驗過程中存在著流場的擾動以及理論計算的相關(guān)系數(shù)取值誤差。通過實驗結(jié)果的驗證，證明了本文所建立理論模型的正確性。

圖3 流速0.1 m/s時實驗與理論計算結(jié)果對比圖

圖4 流速0.2m/s時實驗與理論計算結(jié)果對比圖

3 實例分析

3.1 隔水管系統(tǒng)參數(shù)

南海某深水井的基本配置如表2所示，利用該口井的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計算。由于隔水管上的附加管線很小，且由于浮力塊的存在[25]，因此計算可忽略5根附件管線的影響。根據(jù)隔水管壁厚變化以及浮力塊配置情況，將整個隔水管系統(tǒng)分為6段，每段均勻劃分空間步長，空間節(jié)點為200個，空間步長為9.46 m，為了保證收斂性及其計算時間，時間節(jié)點為80個，時間步長為1.5 s。相關(guān)參數(shù)按照表3進(jìn)行計算，海洋環(huán)境載荷計算方法按照筆者在文獻(xiàn)[24]中建立的方法進(jìn)行計算，最終得到表面流速為0.4 m/s、0.5 m/s時該實例井的振動模態(tài)與空間形態(tài)。

表2 南海某井隔水管系統(tǒng)配置表

表3 相關(guān)計算參數(shù)表

隔水管靜水中固有頻率計算方法[26-27]：

式中n為模態(tài)階次（無因次）；L為隔水管長度，m；Ttop為隔水管頂部受到的張力，N；ωi為自然振動的固有角頻率，rad/s;Ae隔水管外截面面積，m2;ρe海水密度，kg/m3；Ptop隔水管頂部壓強，Pa。

3.2 深水鉆井隔水管渦激振動模態(tài)模擬

圖5和圖6為海流流速為0.4 m/s、0.5 m/s時，計算時間120 s內(nèi)，隔水管在橫向以及流向的變形特征，其中流向的位移未考慮初始拖曳力造成的靜態(tài)變形。從圖5、圖6可以看出渦激振動發(fā)生時，隔水管均在平衡位置按照某階模態(tài)往復(fù)振動。當(dāng)流速為0.4 m/s時，隔水管橫向振動模態(tài)為二階，流向振動模態(tài)為五階。當(dāng)流速為0.5 m/s時，隔水管橫向振動模態(tài)為三階，流向振動模態(tài)為六階?？梢钥闯?，隨著流速的增大隔水管在橫向以及流向的振動模態(tài)分別增大。相同流速下，隔水管橫向振動位移比流向振動位移大得多。這是因為：由Strouhal關(guān)系可知，當(dāng)流速為0.4 m/s、0.5 m/s時，對應(yīng)的渦泄頻率為0.067 Hz、0.084 Hz，由于漩渦泄放時，流向渦泄頻率為橫向的2倍。因此，三種流速下流向?qū)?yīng)的渦泄頻率分別為0.134 Hz、0.168 Hz。通過理論計算得到隔水管前六階固有頻率如表4所示。

表4 隔水管前6階固有頻率表

當(dāng)流速為0.4 m/s時，其橫向的渦泄頻率接近二階固有頻率，其流向的渦泄頻率接近五階固有頻率。因此，橫向振動模態(tài)為二階，流向振動模態(tài)為五階。當(dāng)流速為0.5 m/s時，其橫向的渦泄頻率接近三階固有頻率之間，其流向的渦泄頻率接近六階固有頻率。因此，橫向振動模態(tài)為三階，流向振動模態(tài)為六階。由此可以看出，流向振動模態(tài)階次可能大于橫向振動模態(tài)階次，這是因為相同流速下，流向渦泄頻率是橫向渦泄頻率的2倍，因此，流向渦泄頻率可能更容易接近隔水管高階固有頻率，流向振動模態(tài)階次可能大于橫向振動模態(tài)階次。

從圖5、圖6還可以看出，橫向振動的幅值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流向振動幅值。這是因為渦激振動發(fā)生時，漩渦泄放時的橫向升力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流向拖曳力。因此，在以往的渦激振動預(yù)報中，常常忽略流向拖曳力對隔水管的作用。然而，深水鉆井所面臨的海洋環(huán)境將更加惡劣，如果設(shè)計時考慮流向拖曳力的作用，會更有利于保證隔水管的安全。

圖5 流速0.4 m/s時隔水管橫向以及流向振動模態(tài)圖

圖6 流速0.5 m/s時隔水管橫向以及流向振動模態(tài)圖

3.3 深水鉆井隔水管三維空間形態(tài)模擬

隔水管發(fā)生渦激振動時，在海流作用下，會在流向初始拖曳力作用下產(chǎn)生的靜態(tài)變形，在靜態(tài)變形的基礎(chǔ)上，會同時在橫向以及流向產(chǎn)生渦激振動。為了模擬隔水管三維空間形態(tài)，首先計算獲得了流速為0.4 m/s、0.5 m/s時隔水管的靜態(tài)位移，如圖7所示。表面流速0.4 m/s、0.5 m/s時，隔水管最大靜態(tài)位移分別為6.3 m、9.8 m，可以看出隔水管的靜態(tài)隨表面海流流速的增大而明顯增大。為了觀察隔水管的三維空間形態(tài)，選取時間69 s，并且同時考慮流向靜態(tài)位移、流向渦激振動以及橫向振動，獲得了隔水管在時間69 s時的三維空間形態(tài)，如圖8所示。從圖8可知，隔水管在流向的靜態(tài)變形遠(yuǎn)大于流向渦激振動變形，因此，流向的變形形態(tài)主要受靜態(tài)變形影響；而在橫向僅有渦激振動的影響，且振幅較大，因此，橫向變形以及流向變形聯(lián)合作用下，隔水管在空間中變得扭曲。

圖7 隔水管流向靜態(tài)位移圖

圖8 隔水管在69 s時空間形態(tài)特征圖

4 結(jié)論

1）利用旋渦動力學(xué)理論建立了同時考慮流向靜態(tài)變形以及流向與橫向耦合作用的深水鉆井隔水管三維渦激振動理論模型，并在深水試驗池開展了相似實驗驗證了模型的正確性。

2）模擬結(jié)果表明隨著表面流速的增大隔水管橫向以及流向的振動模態(tài)分別增大，且流向振動模態(tài)階次大于橫向振動模態(tài)階次，橫向振動幅值遠(yuǎn)大于流向振動幅值。

3）隔水管流向的靜態(tài)變形遠(yuǎn)大于流向渦激振動引起變形，流向的變形形態(tài)主要受靜態(tài)變形影響。

4）隔水管在橫向以及流向渦激振動耦合作用下，空間形態(tài)變得扭曲，在進(jìn)行隔水管設(shè)計時應(yīng)該同時考慮來自橫向和流向的影響。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Williamson CHK, Govardhan R. A brief review of recent results in vortex-induced vibrations[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2008, 96(6/7): 713-735.

[2] Vikestad K, Vandiver JK, Larsen CM. Added mass and oscillation frequency for a circular cylinder subjected to vortex-induced vibrations and external disturbance[J]. Journal of Fluids and Structures, 2000, 14 (7): 1071-1088.

[3] Allen DW, Henning DL. Surface roughness effects on vortexinduced vibration of cylindrical structures at critical and supercritical Reynolds numbers[C]//Offshore Technology Conference, 30 April - 3 May 2001, Houston, Texas, USA. DOI: http: //dx. doi. org/10. 4043/13302-MS.

[4] Guo Haiyan, Lou Min, Dong Xiaolin. Experimental study on vortex-induced vibration of risers transporting fluid[C]// The Sixteenth International Offshore and Polar Engineering Conference, 28 May - 2 June 2006, San Francisco, California, USA.

[5] 暢元江. 深水鉆井隔水管設(shè)計方法及其應(yīng)用研究[D]. 青島:中國石油大學(xué), 2008. Chang Yuanjiang. The deepwater riser design method and its application[D]. Qingdao: China University of Petroleum(East China), 2008.

[6] 唐國強, 呂林, 滕斌, 謝彬, 張建僑, 宋吉寧, 等. 基于光纖光柵傳感器的細(xì)長柔性立管渦激振動響應(yīng)實驗[J]. 中國海上油氣, 2010, 22(5): 338-343. Tang Guoqiang, Lü Lin , Teng Bin, Xie Bin, Zhang Jianqiao, Song Jining, et al. Application of the fiber bragg grating sensors in laboratory tests of the vortex-induced vibration of a long flexible riser[J]. China Offshore Oil and Gas, 2010, 22(5): 338-343.

[7] 黃智勇, 崔維成, 黃小平. 均勻平面剪切流作用下圓柱體的渦激振動[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報, 2007, 28(12): 1301-1306. Huang Zhiyong, Cui Weicheng, Huang Xiaoping. Vortexinduced vibration of a cylinder in uniform planar shear flow[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2007, 28(12): 1301-1306.

[8] 毛良杰, 劉清友, 周守為, 姜偉, 劉正禮, 彭濤. 剪切流作用下隔水管渦激振動響應(yīng)機理[J]. 石油勘探與開發(fā), 2015, 41(1): 101-106. Mao Liangjie, Liu Qingyou, Zhou Shouwei, Jiang Wei, Liu Zhengli, Peng Tao. Vortex-induced vibration mechanism of drilling riser under shear flow[J]. Petroleum Exploration and Development, 2015, 41(1): 101-106.

[9] Sarpkaya T. A critical review of the intrinsic nature of vortexinduced vibrations[J]. Journal of Fluids and Structures, 2004, 19 (4): 389-447.

[10] Chucheepsakul S, Srinil N. Free vibrations of three-dimensional extensible marine cables with specified top tension via a variational method[J]. Ocean Engineering, 2002, 29(9): 1067-1096.

[11] Chucheepsakul S, Monprapussorn T, Huang T. Large strain formulations of extensible flexible marine pipes transporting fluid[J]. Journal of Fluids and Structures, 2003, 17(2): 185-224.

[12] Kaewunruen S, Chiravatchradj J, Chucheepsakul S. Nonlinear free vibration of marine risers/pipes transporting fluid[J]. Ocean Engineering, 2005, 32(3): 417-440.

[13] 石曉兵, 陳平. 三維載荷對海洋深水鉆井隔水管強度的影響分析[J]. 天然氣工業(yè), 2004, 24(12): 86-88. Shi Xiaobing, Chen Ping. Influence of 3-D loads on strength of marine riser for off-shore deep drilling[J]. Natural Gas Industry, 2004, 24(12): 86-88.

[14] 石曉兵, 郭昭學(xué), 聶榮國, 陳平, 周俊昌, 羅平亞. 海洋深水鉆井隔水管變形及載荷分布規(guī)律研究[J]. 天然氣工業(yè), 2004, 24(3): 88-90. Shi Xiaobing, Guo Zhaoxue, Nie Rongguo, Chen Ping, Zhou Junchang, Luo Pingya. Study on deformation and load distribution law of marine riser for offshore deep drilling[J]. Natural Gas Industry, 2004, 24(3): 88-90.

[15] 秦偉. 雙自由度渦激振動的渦強尾流振子模型研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2013. Qin Wei. Study on vortex induced vibration in two degrees of freedom using vortex strength wake oscillator[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2013.

[16] 宋芳, 林黎明, 凌國燦. 圓柱渦激振動的結(jié)構(gòu)-尾流振子耦合模型研究[J]. 力學(xué)學(xué)報, 2010, 42(3): 357-365. Song Fang, Lin Liming, Ling Guocan. The study of vortexinduced vibrations by computation using coupling model of structure and wake oscillator[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2010, 42(3): 357-365.

[17] Pereira PSD, Morooka CK, Champi DF. Dynamics of a vertical riser with a subsurface buoy[C]//The 16thInternational Offshore and Polar Engineering Conference, 28 May - 2 June 2006, San Francisco, California, USA.

[18] 童秉綱, 尹協(xié)遠(yuǎn), 朱克勤. 渦運動理論[M]. 合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社, 2009. Tong Binggang, Yin Xieyuan, Zhu Keqin. Vortex motion theory[M]. Hefei: Press of University of Science and Technology of China, 2009.

[19] 劉清友, 周守為, 姜偉, 柳軍, 楊秀夫, 王國榮. 基于鉆井工況和海洋環(huán)境耦合作用下的隔水管動力學(xué)模型[J]. 天然氣工業(yè), 2013, 33(12): 6-12. Liu Qingyou, Zhou Shouwei, Jiang Wei, Liu Jun, Yang Xiufu, Wang Guorong. A dynamic model of marine risers/pipes under the drilling operation condition and sea environment[J]. Natural Gas Industry, 2013, 33(12): 6-12.

[20] Mao Liangjie, Liu Qingyou, Zhou Shouwei. Experimental study of the vortex-induced vibration of drilling risers under the shear flow with the same shear parameter at the different Reynolds numbers[J]. PLOS One, 2014, 9(8) e104806. DOI: 10. 1371/journal. pone. 0104806.

[21] Liu Qingyou, Mao Liangjie, Zhou Shouwei. Experimental study of the effect of drilling pipe on vortex-induced vibration of drilling risers[J]. Journal of Vibroengineering, 2014, 16(4): 1842-1853.

[22] 周守為, 劉清友, 姜偉, 毛良杰, 楊秀夫, 劉正禮, 等. 深水鉆井隔水管“三分之一效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)——基于海流作用下深水鉆井隔水管變形特性理論及實驗的研究[J]. 中國海上油氣, 2013, 25(6): 1-6. Zhou Shouwei, Liu Qingyou, Jiang Wei, Mao Liangjie, Yang Xiufu, Liu Zhengli, et al. The discovery of “one third effect”for deep water drilling riser: based on the theoretical and experimental study of deformation characteristics of deep water drilling riser by ocean currents[J]. China Offshore Oil and Gas, 2013, 25(6): 1-6.

[23] 劉清友, 毛良杰, 付強, 黃鑫, 楊秀夫, 何玉發(fā). 剪切流作用下隔水管張力響應(yīng)機理試驗研究[J]. 中國海上油氣, 2015, 27(5): 82-87. Liu Qingyou, Mao Liangjie, Fu Qiang, Huang Xin, Yang Xiufu, He Yufa. Experimental study on mechanism of the vortex-induced vibration of the drilling riser under shear flow[J]. China Offshore Oil and Gas, 2015, 27(5): 82-87.

[24] 毛良杰. 深水鉆井隔水管動力特性及渦激振動響應(yīng)實驗與理論研究[D]. 成都: 西南石油大學(xué), 2015. Mao Liangjie. Experimental and theoretical study of the dynamic properties and vortex induced vibration response mechanism for deep water drilling riser[D]. Chengdu: Southwest Petroleum University, 2015.

[25] 馮定, 于章麗, 夏成宇, 錢利勤, 晏健, 魏世忠, 等. 氣體鉆井連續(xù)循環(huán)短節(jié)主通閥的設(shè)計與分析[J]. 石油機械, 2014, 42(8): 28-32. Feng Ding, Yu Zhangli, Xia Chengyu, Qian Liqin, Yan Jian, Wei Shizhong, et al. Design and analysis of main valve of continuous circulation joint for gas drilling[J]. China Petroleum Machinery, 2014, 42(8): 28-32.

[26] 姜偉. 深水鉆井隔水導(dǎo)管在起下作業(yè)過程中的固有頻率研究[J]. 中國海上油氣, 2010, 22(1): 37-41. Jiang Wei. Study on natural frequency of deepwater drilling riser during down and up operations[J]. China Offshore Oil and Gas, 2010, 22(1): 37-41.

[27] 韓春杰, 陳明明, 閆鐵. 深水環(huán)境下隔水管的橫向自由振動分析[J]. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報, 2012, 29(3): 341-344. Han Chunjie, Chen Mingming, Yan Tie. Study on lateral nature vibration of marine riser under deep water[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2012, 29(3): 341-344.

The three-dimensional theoretical model for the vortex-induced vibration of deepwater drilling risers

Fu Qiang1,2, Mao Liangjie1, Zhou Shouwei1,2, Wang Guorong3
(1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation//Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China; 2. China National Offshore Oil Corporation, Beijing 100010, China; 3. School of Mechatronics Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China)
NATUR．GAS IND．VOLUME 36，ISSUE 1，pp.106-114， 1/25/2016．(ISSN 1000-0976；In Chinese)

Abstract:For risers, the key equipment for deepwater drilling, many theoretical and experimental studies have been conducted on its vortex-induced vibration. However, these studies often focused on the lateral vibration, and did not consider the coupling effect of lateral and streamwise vibrations. Based on vortex dynamics theories, a 3D vortex-induced vibration theoretical model was built up for deepwater drilling risers under the coupling effect of streamwise and lateral vibrations together with streamwise static deformation. The model was solved by using the finite element method combined with the Newmark-β method. It was verified by similarity experiments in a deepwater experimental pool. After the calculation and analysis program was developed, the vibration modes and the three-dimensional space morphology under different current speeds were simulated to explore response mechanisms of the vortex-induced vibration of risers in three dimensions. It is shown that both lateral and streamwise vibration modes increase with the increasing of superficial flow velocity. The streamwise vibration mode is higher than the lateral vibration mode in order, but much lower in amplitude. The lateral static deformation is much larger than streamwise vortex-induced deformation, and the form of lateral deformation is mainly affected by static deformation. The riser becomes twisted in space under the coupling effect of lateral and streamwise vortex-induced vibration. So, it is necessary to take both effects into consideration when the riser system is designed.

Keywords:Vortex-induced vibration; Lateral vibration; Streamwise vibration; Vibration mode; Deepwater drilling; Riser; Three dimensional (3D)

收稿日期（2015-10-09 編 輯 凌 忠)

通信作者：毛良杰，1987年生，講師，博士；主要從事深水鉆完井工藝技術(shù)研究工作。電話：（028）83037229。E-mail:maoliangjie@ foxmail.com

作者簡介：付強，1984年生，工程師，博士研究生；主要從事海洋油氣開發(fā)研究工作。地址：（100000）北京市東城區(qū)朝陽門北大街25號海油大廈。電話：（010）84526650。ORCID:0000-0002-2334-3263。E-mail:fuqiang8@cnooc.com.cn

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目“基于鉆井系統(tǒng)動力學(xué)的深海鉆井升沉補償系統(tǒng)機理研究”（編號：51274171）、國家科技重大專項“深水油氣井測試關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號：2011ZX05026-001-07）。

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.01.014