脫開模式下深水鉆井隔水管串縱向振動研究

柳　軍　黃　陳　劉清友　何玉發　何　星

(1.西南石油大學機電工程學院　四川成都　610500；

2.西南石油大學土木工程與建筑學院　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研究

柳軍1黃陳2劉清友1何玉發3何星2

(1.西南石油大學機電工程學院四川成都610500；

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

摘要：針對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境影響的實際隔水管串縱向振動力學模型，給出了相應的初始條件、邊界條件，編制了相應的計算程序，并用ABAQUS軟件進行了驗證，以南海某實際鉆井隔水管串的設計為例，研究了脫開模式下隔水管串的縱向振動力學行為。結果表明：隔水管串在與井口脫開之后，其振動頻率落入海洋環境荷載頻率之內，且隔水管串上端截面支反力的動態放大倍數為2.04，隔水管單根的應力最大放大倍數為1.52；脫開模式下，隔水管串的中上段受力呈明顯的動態放大趨勢，管串最下端受力水平則顯著降低。研究結果可為深水鉆井管串的設計提供理論支持。

關鍵詞：深水鉆井隔水管串脫開模式縱向振動

在面臨臺風等緊急情況時，深水鉆井隔水管串需與水下井口及時脫開，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生較大的縱向振動，促使管串軸向拉伸或壓縮，并在鉆井平臺處形成一定的沖擊荷載。為了確保隔水管串振動頻率不落入外荷載(如波浪荷載)頻率范圍之內以及鉆井平臺設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力學行為[1-3]。

目前對脫開模式下隔水管串縱向振動的研究還不夠全面[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，對其作業窗口進行了研究，并優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行為，而未針對脫開模式進行隔水管串的動力學行為研究。也有部分研究嘗試通過建立縱向振動力學模型[9-12]來分析隔水管柱的動力學行為，如張煒等[9]將隔水管柱視為均質等截面彈性細直桿，建立了脫開模式下隔水管柱縱向振動波動方程，獲得了隔水管柱固有頻率的解析表達式以及管柱縱向振動的動力放大系數，但該模型未考慮海水阻尼、浮力等影響，模型中基于均質等截面彈性細直桿的假設也與實際管串有較大差別，且也未能給出隔水管的任意一截面處的動力響應。

本文根據隔水管串實際配置情況，建立脫開模式下隔水管串縱向振動的動力學模型，給出模型的初始條件及邊界條件，研究實際隔水管串緊急脫開模式下的縱向振動力學行為。

1隔水管串縱向振動力學模型

1.1隔水管串基本結構

深水鉆井隔水管串如圖1所示，隔水管串包括：伸縮節、隔水管短節、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、隔水管短節、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，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。

1.2基本假設

在海洋深水工況下，隔水管串的結構以及受力極其復雜，且其長度遠遠大于其直徑，因此，引入如下假設：

(1)隔水管串材料特性保持不變；

(2)隔水管串截面為圓環形；

(3)隔水管串在自重與外荷載作用下屬于小應變大變形問題；

(4)隔水管串上端約束為固定約束；

(5)不考慮鉆井液對隔水管串縱向振動影響；

(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振動微分方程

根據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]進行受力分析建立縱向振動方程。

圖2　深水鉆井隔水管串微元體

脫開模式下第k段桿的振動偏微分方程為：

對上式等號兩邊同時除以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，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[18]。

TSRmin可由下式計算[18]：

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

式中各物理量的定義詳見文獻[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隔水管串縱向振動方程

綜合以上，可以得到脫開模式下隔水管串振動系統方程組:

(4)

對式(4)進行差分離散，編制計算程序，研究脫開模式下隔水管串的縱向振動力學行為。

2算例

2.1計算參數

南海某鉆井隔水管串系統實際配置及基本參數分別見表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力的時程響應。在計算程序中，時間設為200 s，時間步長取Δt=0.005 s，隔水管串的管單元長度劃分如表3所示。

表1　隔水管串系統配置

表2　隔水管串、鉆井液、海水基本參數

表3　隔水管串的差分單元劃分

2.2動力學響應分析

2.2.1隔水管串上端截面的支座反力時程分析

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

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，支反力的動態放大倍數約為2.04，這說明脫開模式下隔水管串會對鉆井船產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程曲線

2.2.2隔水管串應力時程分析

脫開前各段隔水管串最下端點應力如圖4，圖5為伸縮節外筒最下端點應力時程曲線, 圖6為脫開后每段隔水管串最下端點的應力時程曲線。

由圖可見，對脫開前與脫開后隔水管串的應力進行比較，隔水管串中部及以上管段的應力動態放大，其中，伸縮節外筒最下端點應力增大倍數為最大，即約1.52倍；隔水管串下部管段的應力顯著降低。因此，在隔水管串設計時要考慮脫開模式下管串的強度問題，尤其是隔水管上部管段的強度。

圖4　各段隔水管串最下端點應力

圖5　伸縮節外筒最下端點應力時程曲線

圖6　各段隔水管串最下端點應力時程曲線

3結論

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的動力學行為，得到以下結論：(1)本文給出的考慮海洋環境影響的隔水管串縱向振動力學模型及相應的初始、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響應分析，發現脫開模式下隔水管串的一、二階振動頻率落入海洋環境荷載頻率之內。(3)分析了隔水管串與井口脫開前后的應力變化，發現脫開后在管串中部及以上管段的應力動態放大，其最大動態放大倍數最大可達1.52，而在管串下部則動態縮小。

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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：TE921

文獻標志碼：A

文章編號：1671-8755(2015)04-0050-06

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

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

收稿日期：2015-07-01