深水钻井隔水管的振动分析与数值模拟

摘要

世界上已发现的海上油气储量有90％潜伏在水深超过1000米以上的深水区，因此，深水油气资源的开采是是未来油气工业的主战场。由于钻井环境条件随水深的增加变得相对复杂，隔水管柱的受力状态也更加恶劣和复杂，因此深水钻井隔水管系统的受力及振动分析是一个至关重要的研究课题。对于海洋深水钻井而言，隔水管振动破坏是设计和施工中必须考虑问题，特别是隔水管内流动不稳定性和隔水管外海洋环境载荷共同作用引起的振动问题研究较少，因此，研究该问题具有重要的实际意义和学术价值。 本文运用流体力学理论、波动理论及相关的分析方法，对海洋深水钻井隔水管所承受的环境载荷进行了分析和研究，得到了海流力和波浪力的计算公式，为计算隔水管环境载荷提供了依据，分析了管内气液两相流的波动压力，在前人实验工作的基础上，分析回归波动压力的振幅和波动压力的作用频率的计算公式。 考虑隔水管在环境载荷作用下的小应变大变形和轴向力影响的特点，以及隔水管内流动不稳定性对其振动的影响，建立了隔水管在内外载荷作用下的力学模型，推导了隔水管的振动微分方程，并对方程做了简化。在此基础上分析研究了深水钻井隔水管的振动特性，为隔水管的振动和减振分析提供了理论基础。 针对一个实例，运用有限元软件ANSYS对隔水管振动进行了数值模拟，通过模拟得到了隔水管振动时的最大横向变形、最大横向弯矩、最大应力及其所在位置。通过对隔水管在只受外载荷作用和受内外载荷共同作用时计算结果的比较，分析了内部流体载荷对隔水管振动的影响。 理论分析结合数值计算的结果，分析了隔水管系统本身的特性、顶部张力、管内流体作用、海洋环境载荷对隔水管振动的影响，并对实例参数做了优化。通过比较优化前后隔水管振动特性，对隔水管实例参数做了优化。本文所得到的结论对我国今后进行深水钻井隔水管的设计和使用提供参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1问题的提出及研究的意义

1.2国内外研究现状

1.2.1深水油气资源的勘探开发现状

1.2.2隔水管系统研究现状

1.2.3多相流以及内流引起管道振动的研究现状

1.2.4深水油气资源开发的问题与前景

1.3研究内容，研究目标和技术路线

1.3.1研究内容

1.3.2研究目标

1.3.3技术路线

1.4小结

第二章深水钻井隔水管的环境载荷

2.1深水隔水管的基础性介绍

2.2隔水管的外载

2.2.1海流力

2.2.2海浪力

2.2.3涡流对隔水管的作用力

2.3小结

第三章管内气液两相流压力分析

3.1气液两相流波动压力的理论分析

3.1.1理论模型

3.2压力波波动振幅与控制频率的分析

3.2.1波动振幅

3.2.2控制频率的分析

3.3隔水管内气液两相流波动压力的变化规律

3.3小结

第四章深水钻井隔水管运动微分方程推导

4.1流固耦合的基本理论

4.2理论模型

4.3运动微分方程的推导

4.3.1管内流体单元的受力分析

4.3.2管道单元的受力分析

4.3.3管道弯曲变形对轴向力的影响

4.3.4管内流体作用下的隔水管振动微分方程

4.3.5振动微分方程简化

4.4隔水管固有频率的计算

4.5小结

第五章深水钻井隔水管振动数值模拟

5.1 ANSYS简介及其在隔水管振动分析中的应用

5.1.1有限元分析软件ANSYS的简单介绍

5.1.2 ANSYS的处理器和求解器

5.1.3 ANSYS的求解类型

5.1.4 ANSYS在分析隔水管振动中的应用

5.2模态分析

5.2.1模态分析的概念

5.2.2模态分析理论

5.3隔水管实例建模、模拟

5.3.1实例几何参数

5.3.2材料属性

5.3.3载荷分析

5.3.4模拟流程

5.4求解及结果分析

5.4.1隔水管在内外载荷共同作用的振动模拟

5.4.2隔水管在环境载荷作用下的振动模拟

5.4.3分析内部流体载荷对隔水管振动的影响

5.4.4模拟结果分析

5.5小结

第六章振动分析

6.1影响隔水管振动的因素

6.2影响因素分析

6.2.1隔水管结构对振动的影响

6.2.2环境载荷对振动的影响

6.2.3隔水管顶部张力对振动的影响

6.2.4控制隔水管环空内流体的流动特性

6.3优化分析

6.3.1优化方案

6.3.2方案验证

6.4小结

结论及建议

结论

建议

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢