深水钻井隔水管系统力学分析与工程设计

深水钻井隔水管系统力学分析与工程设计 1
目 录 2
引言 6
第1章 深水钻井隔水管柱力学分析基础 7
1.1 深水钻井隔水管系统 8
1.1.1 隔水管系统组成 8
1.1.2 隔水管作业工况 9
1.2 隔水管系统环境载荷分析 12
1.2.1 风 12
1.2.2 波浪 13
1.2.3 海流 16
1.2.4 内波 16
1.2.5 平台的运动 18
1.3 深水钻井隔水管系统力学模型 19
1.3.1 连接作业状态下深水钻井隔水管力学模型 19
1.3.2 悬挂作业状态下深水钻井隔水管力学模型 20
1.3.3 深水钻井隔水管系统疲劳分析模型 21
1.4 隔水管系统的静态力学分析 24
第2章 深水海底井口-隔水管-平台耦合动力学 29
2.1 浮体/系缆/隔水管耦合系统分析基础 29
2.1.1 耦合系统分析方法及原理 30
2.1.2 一阶浮体运动与二阶波浪力 31
2.1.3 隔水管振动微分方程 32
2.1.4 细长结构上的水动力载荷 33
2.2 超深水系泊钻井系统耦合系统分析 34
2.2.1 系统分析模型 34
2.2.2 环境载荷模型 35
2.2.3 浮体运动特性分析 35
2.2.4 隔水管响应特性分析 36
2.3 深水动力定位平台-隔水管耦合系统动力学分析与预警 38
2.3.1 动力定位平台-隔水管耦合系统动力学模型及分析 39
2.3.2 深水动力定位平台-隔水管耦合系统漂移预警界限分析 43
2.3.3 深水动力定位平台-隔水管耦合系统驱离预警界限分析 48
2.4 深水锚泊平台-隔水管耦合系统动力学分析与控制 49
2.4.1 深水锚泊平台-隔水管耦合系统动力学模型及分析流程 50
2.4.2 常规海洋环境下锚泊平台-隔水管耦合系统动力学分析 52
第3章 深水隔水管柱轴向动力学分析 57
3.1 隔水管下放/回收作业轴向动力分析 57
3.1.1 分析模型与分析方法 57
3.1.2 不同浮力配置下的隔水管张力波动特性 61
3.1.3 浮力配置优化分析 62
3.2 悬挂模式下隔水管轴向动力特性分析 63
3.2.1 硬悬挂模式与软悬挂模式 64
3.2.2 分析模型与分析方法 64
3.2.3 硬悬挂轴向动力分析 65
3.2.4 软悬挂轴向动力分析 67
3.3 平台升沉运动下深水钻井隔水管柱参数激励稳定性 67
3.3.1 平台运动下深水钻井隔水管系统参激稳定性模型 67
3.3.2 平台运动下深水钻井隔水管系统参激稳定性分析 68
3.3.3 深水钻井隔水管系统参数激励有限元分析 70
3.3.4 平台运动下深水钻井隔水管系统参数激励动力学分析 73
3.4 隔水管紧急脱离与反冲动力学分析 76
3.4.1 张紧器系统结构与工作原理 76
3.4.2 张紧器系统数学模型 77
3.4.3 基于AMESim的张紧器系统建模与仿真 79
3.4.4 深水钻井隔水管反冲响应分析 81
第4章 深水隔水管柱涡激响应分析及控制 99
4.1 隔水管VIV数值模拟 99
4.1.1 流体动力学控制方程 99
4.1.2 圆柱体的振动控制方程 100
4.1.3 流固耦合运动模拟 101
4.1.4 无量纲系数 101
4.1.5 计算模型 102
4.1.6 数值模拟结果与讨论 103
4.2 隔水管涡激疲劳分析 108
4.2.1 连接作业模式下隔水管系统涡激疲劳分析 108
4.2.2 不同作业模式下隔水管系统涡激疲劳分析 116
4.3 隔水管涡激疲劳抑制技术 120
4.3.1 VIV抑制装置类型概述 120
4.3.2 减震器装置CFD分析 122
4.3.3 螺旋列版装置CFD分析 126
4.3.4 涡激屏蔽装置CFD分析 127
第5章 极端工况下隔水管柱安全分析 130
5.1 台风环境下隔水管安全分析 130
5.1.1 台风对南海深水钻井作业的挑战 130
5.1.2 隔水管自存分析模型 132
5.1.3 隔水管自存作业窗口分析 133
5.2 隔水管避台撤离策略研究 138
5.2.1 避台策略讨论 138
5.2.2 避台撤离分析模型与分析方法 140
5.2.3 硬悬挂模式撤离分析 140
5.2.4 软悬挂模式撤离分析 142
5.3 内波环境下隔水管作业安全分析 144
5.3.1 内波环境载荷下耦合系统力学模型 144
5.3.2 内波作用下隔水管系统作业安全评估 145
5.3.3 内波下的隔水管系统动力学特性 149
第6章 深水隔水管系统(作业)工程设计及应用 152
6.1 深水钻井隔水管系统配置方法 152
6.2 深水钻井隔水管顶张力确定方法 155
6.2.1 API理论算法 155
6.2.2 基于底部残余张力的顶张力确定方法 156
6.2.3 基于下放钩载的顶张力确定方法 156
6.3 隔水管作业窗口分析方法 157
6.3.1 隔水管钻井作业窗口分析方法 157
6.3.2 隔水管下放/回收作业窗口分析方法 158
6.3.3 悬挂作业窗口分析方法 159
6.3.4 完井作业窗口分析方法 160
6.4 深水隔水管工程应用实例分析 161
6.4.1 隔水管系统配置 161
6.4.2 张紧力计算 163
6.4.3 隔水管作业窗口及涡激疲劳分析 164
6.5 深水钻井隔水管系统设计与作业管理系统 167
6.5.1 软件组成及功能介绍 167
6.5.2 隔水管系统有限元分析 169
6.5.3 深水钻井隔水管系统设计 174
6.5.4 深水钻井隔水管系统作业指导 176
参考文献 180