自升式钻井平台隔水导管共振转速表及其编制方法

摘要

本发明名称为自升式钻井平台隔水导管共振转速表及其编制方法，公开了一种反映自升式钻井平台钻机与隔水导管固有频率产生共振的共振转速表，并提出了应用频率振动方程编制该表的方法。其中共振转速表的编制方法包括以下步骤：1.确定隔水导管参数；2.确定泥线以上隔水导管长度；3.计算轴向力因子；4.确定固有频率的阶数；5.求解隔水导管横向振动固有频率；6.编制隔水导管固有频率表及钻机共振转速表。本发明编制的共振转速表反映了钻机与不同长度隔水管会产生共振的转速，可为自升式钻井平台钻井作业提供技术指导。

说明书

技术领域

本发明涉及一种自升式钻井平台隔水导管固有频率的计算方法，并在此基础上编制了自升式钻井平台隔水导管的共振转速表，可为钻井工程师提供理论参考。

背景技术

应用自升式钻井平台进行海洋钻井时，隔水导管的横向振动频率在很大范围内与顶驱钻机的频带重合，在钻井作业时钻柱可能会与隔水导管发生共振而引起顶紧螺杆或相应钻具的失效，因此，须要注意选择合理的转速，避开共振区。自升式钻井平台隔水导管的入泥端视为嵌固端，隔水导管在井口盘处以顶丝与平台连接时，其所受约束视为铰支端；由于水面井口安装有防喷器组,因此隔水导管同时承受轴向压力荷载；所以，自升式钻井平台隔水导管的力学模型可视为一端固定一端铰支且承受轴向压力作用的均质等截面欧拉梁。目前，针对自升式钻井平台隔水导管固有横向振动特性研究，较常用的方法为瑞利法。然而，采用瑞利法求解固有频率时得到的计算结果只是近似结果，且对于高阶频率计算误差较大。

发明内容

本发明考虑泥线以上隔水导管长度和轴向压载对固有频率的影响，提出了自升式钻井平台隔水导管的横向振动频率方程，提出的计算方法和编制的共振转速表可为自升式钻井平台钻井作业提供技术指导。

本发明针对自升式钻井平台隔水导管的固有振动特性，基于欧拉梁理论推导了以轴向载荷和隔水导管泥线以上长度为自变量的横向振动频率方程。

共振转速表的编制方法如下：

(1)选定隔水导管型号，计算隔水导管的截面惯性矩I，确定隔水管的单位长度质量m；

(2)根据自升式钻井平台的实际工况和技术要求，确定泥线以上隔水导管长度L；

(3)根据选用的水上防喷器组，计算轴向力因子p；

(4)选定顶驱型号，确定固有频率的阶数；

(5)根据横向振动频率方程，求解隔水导管横向振动固有频率；

(6)编制隔水导管固有频率表及钻机共振转速表。

根据上述编制方法编制的钻机的共振转速表如下所示：

具体实施方式

步骤1.隔水导管选用外径为762mm、内径为711.2mm、线重为461kg/m的套管，弹性模量E＝2.06e¹¹Pa；

步骤2.根据自升式钻井平台的常规工作水深，确定泥线以上隔水导管长度L的取值范围：10～130m。

步骤3.隔水导管的轴向压载以轴向力因子p表达，根据选用的水面防喷器组，轴向力因子p取值范围：1×10^-4～11×10^-4m^-2。

步骤4.海洋石油钻机顶部驱动设备的转速范围：n＝0～273r/min；根据转速与圆频率的关系式：求解顶驱转速的频率范围为：ω＝0～28.5885rad/s。

步骤5.根据频率振动方程采用牛顿法求解频率振动方程的解β值，将β值代入公式结合频率系数公式和轴向力影响因子公式求解隔水导管的各阶固有频率。

步骤6.根据步骤5所求得的固有频率数据以及转速与频率的关系式，编制隔水导管各阶频率表及共振转速表。

符号注释：

m—隔水导管的单位长度质量，kg/m；

EI—抗弯刚度，N·m²；

F—轴向压力载荷，N；

ω—固有圆频率，rad/s；

p—轴向力影响因子，m^-2；

L—隔水导管泥线以上长度，m；

n—转速，r/min。