海洋钻井管柱系统动态分析与优化设计研究

摘要

将海洋钻井管柱系统简化为管中管结构,其外管由隔水管与井筒通过在井口处的连接构成,其内管是从平台到井底的钻柱.该结构在海浪、海流等海洋环境载荷的作用下发生弯曲变形.针对这一动力学系统,本文提出了一个海洋钻井管柱系统的动力学模型,并通过沿管柱引入的N个弹性-摩擦单元来模拟内外管柱之间的相互作用.通过Abaqus软件对建立的力学模型进行有限元建模并模拟其动态响应.由于考虑了钻柱与隔水管、井筒之间的碰撞、摩擦等相互作用,本文提出的管中管模型计算得到的管柱系统整体弯曲变形程度较小,即内外管柱之间的相互作用对钻井管柱系统的整体偏移有抑制作用.此外,通过一系列设计参数的敏感性分析发现,增加隔水管管壁厚度,减小隔水管顶部偏移,减小钻压(增加悬重),增加顶张力以及优选上、下挠性接头的转动刚度都可以有效提高海洋钻井管柱系统的安全可靠性.在此基础上,进一步应用Isight优化分析软件的NCGA多目标优化算法对管柱系统的各项敏感性参数进行多目标优化设计,并采用Monte Carlo法对得到的最优设计的可靠度进行分析,当可靠度不能满足要求时,通过Six Sigma法可以对可靠度进行优化,并最终确定出在工程可行性和安全可靠度上都能满足要求的最优设计参数组合集,以指导实际的海洋钻井管柱系统的配置.