海洋管道内连续管解堵作业的屈曲行为

摘要

连续管作业系统可有效提高海洋油气勘探开发相关作业的效率，应用前景广阔，采用连续管解除海洋管道堵塞已成为该应用领域的新方向。但是海洋管道结构复杂，和陆上油田的连续管应用研究有很大不同。若能基于理论分析和实验室实验，建立相关力学模型和连续管实际下放深度计算模型，就可为海洋管道内连续管解堵作业提供理论基础，并为制定相关解堵作业工艺提供计算依据，具有重要的理论和实际意义。 本论文采用理论研究与实验验证相结合的方法来研究连续管在海洋管道内解堵作业时的屈曲问题。首先，建立了考虑连续管在海洋管道中发生螺旋屈曲后引起扭转的微分方程，分析比较了该扭转作用的影响。在此基础上，建立了螺旋屈曲反向计算和接触力计算修正模型，并提出了实用的连续管在弯曲管段轴向力计算方法。其次，建立了连续管在海洋管道中的受力与屈曲实验研究方法，提出了合适的实验系统几何参数，开发了一套实验台架。实验台架包含了竖直段、弯曲段和水平段。分别采用橡胶杆和3种直径钢丝模拟连续管进行了实验。其中弯曲段采用了2种曲率半径。末端约束条件分别考虑了自由，固定，有负载3种条件。分析了屈曲、螺旋屈曲及锁死、螺旋反向、首端屈服和末端负载实验载荷跳跃等实验现象。再次，结合实验结果，重点分析了螺旋反向和接触力修正系数模型。考虑弹性效应、膨胀效应、温度效应和螺旋屈曲效应的影响，提出了连续管在海洋管道中的实际下放深度计算模型。建立了实际作业中连续管在海洋管道内发生螺旋屈曲锁死的判据，并提出了连续管注入端的显示载荷报警点设置方案。最后，针对南海3个油田的海洋平台管道结构，探讨了连续管在海洋管道内解堵的可行性。 研究表明，螺旋屈曲后引起的扭转作用影响很小，可以忽略。在此基础上建立螺旋屈曲反向计算模型和连续管在弯曲管段轴向力计算方法准确、实用。实验数据表明，实验结果与理论计算结果吻合较好，径向间隙和末端负载实验中载荷跳跃会影响发生螺旋屈曲和锁死的过程，但是注入速度对实验力学行为影响很小。实验和理论计算分析表明，连续管直径、连续管-海管的径向间隙、连续管-海管的摩擦系数、弯曲管段曲率半径等对连续管在海洋管道内的屈曲行为影响较大。实验中可采用“末端轴向力大于3倍螺旋屈曲临界载荷，首端轴向力为末端轴向力10-20倍”来判断螺旋锁死。对于现场作业，可以以注入力达到30-50倍屈曲临界载荷作为判断螺旋锁死条件，为工程实践提供指导。针对南海某3个平台管道内连续管解堵的可行性计算表明，采用作业范围内任何管径的连续管均可有效开展解堵作业，但若想采用更小管径连续管，必须采用减阻液辅助作业。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 海洋管道解堵现状

1．2．1 水合物堵塞解堵

1．2．2 结蜡结垢堵塞解堵

1．2．3 油气井出砂堵塞解堵

1．3 连续管解堵作业现状

1．3．1 连续管海上作业现状

1．3．2 连续管解堵作业现状

1．4 连续管屈曲理论研究进展

1．4．1 国外连续管屈曲理论研究进展

1．4．2 国内连续管屈曲理论研究进展

1．5 连续管屈曲实验研究进展

1．5．1 国外连续管屈曲实验研究进展

1．5．2 国内连续管屈曲实验研究进展

1．6 研究思路与主要研究内容

1．6．1 研究思路

1．6．2 主要研究内容

2 连续管屈曲理论研究及应用

2．1 连续管屈曲一般理论

2．1．1 基本假设

2．1．2 连续管在压扭组合下螺旋屈曲微分方程

2．1．3 需要的计算量推导

2．2 螺旋反向计算模型

2．3 弯曲管段轴向力计算模型

2．4 接触力计算修正模型

2．5 本章小结

3 连续管屈曲实验设计

3．1 实验原理及方法

3．1．1 实验目的和意义

3．1．2 实验原理

3．1．3 实验方法

3．2 实验系统设计

3．2．1 总体实验方案选择

3．2．2 模拟海管和连续管设计

3．2．3 摩擦系数测量

3．2．4 模拟海管结构设计

3．2．5 模拟连续管-海管组合设计

3．2．6 加载方案设计

3．2．7 末端负载实验设计

3．2．8 实验参数及数据结构设计

3．2．9 数据采集分析系统设计

3．3 实验台架

3．3．1 实验台架功能模块

3．3．2 实验台架组成

3．3．3 实验台架设计

3．4 本章小结

4 连续管屈曲实验研究

4．1 橡胶棒模拟实验分析

4．2 末端固定钢丝模拟实验分析

4．2．1 实验数据分析

4．2．2 实验现象分析

4．2．3 实验对比分析

4．3 末端负载钢丝模拟实验分析

4．3．1 实验数据分析

4．3．2 实验现象分析

4．3．3 实验对比分析

4．4 本章小结

5 基于实验的连续管屈曲分析

5．1 螺旋屈曲锁死判据及影响因素

5．1．1 螺旋屈曲锁死判据

5．1．2 螺旋屈曲及锁死影响因素分析

5．2 接触力修正系数分析

5．3 螺旋反向分析

5．4 本章小结

6 海洋管道内连续管解堵作业可行性分析

6．1 各种载荷对连续管实际下放深度的影响

6．1．1 弹性效应

6．1．2 膨胀效应

6．1．3 温度效应

6．1．4 螺旋屈曲效应

6．1．5 实际下放深度

6．2 连续管解堵可行性分析

6．2．1 连续管解堵适应性分析

6．2．2 海洋管道结构分析

6．2．3 南海海洋管道结构实例

6．2．4 连续管及注入参数分析

6．2．5 连续管解堵可行性分析

6．3 本章小结

7 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 创新点摘要

7．3 进一步研究展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介