文摘

在这篇文章中,一个海上钻井立管的动态模型开发基于哈密顿原理。开发动态模型转化为有限元模型通过引入一个近似解,选择弯曲梁元素的埃尔米特三次插值函数作为形状函数。之后,纽马克的标准集成应用于近海钻井立管的动态响应进行了数值模拟与不同的系统参数,包括立管的长度、张力比,和活跃的因素。基于数值模拟的结果,在海风的影响下,海流、海浪的周期性激励,海上钻井立管经历一个快速横向偏转阶段一开始,往复式偏转阶段在下面的长时间,然后,一个周期振荡,当它到达动态稳定条件,分别。在深水立管系统工作更高的顶部张力比和较低的活跃因素显示控制振动,减少横向偏转。

1。介绍

近海石油和天然气资源的开发面临着复杂的海洋气候和环境;因此,设备的可靠性的要求和高标准的安全操作。近海钻探以来不同于陆上钻井钻井平台和钻井泥浆通过钻井立管系统到达井口的长度是由海洋深度。立管系统可以看作是一个扩展的钻孔底部一侧以来加入防喷器是安装在井口;而其上部与钻井平台或钻井船通过伸缩关节和灵活的关节。在近海石油钻探,立管波动随着海洋环境载荷,这将使它转移和振动。过度偏转和严重的振动将挑战立管的稳定性,此外,为海上钻井操作带来潜在风险。

海上钻井立管的动态的调查是追溯到1970年代。根据Euler-Bernoulli梁的四阶微分方程和莫里森方程,伯克(1)建立了立管系统的动态模型应用于800英尺深度根据牛顿力学。伯克的工作基础上,学者们应用有限元方法分析立管为二维动力学(2,3)或三维条件(4,5]。此后,而不是使用Euler-Bernoulli梁,Yazdchi和Crisfeld6]Reissner-Simo梁应用于开发立管系统的数学模型来提高剪切变形的分析立管。而不是使用梁模型、耐尔和巴多尔[7)将立管系统分成若干块,通过一系列弹簧阻尼单元相连,也可以看作是另一种类型的有限元方法。近年来,杨et al。8和王et al。9)考虑耦合因素的交互作用在立管系统的动态分析,可以获得这样的全球动态立管。毛等。10,11)设计了一个实验系统测量的动态响应下立管涡激振动剪切流。吴et al。12)开发了一种动态模型,根据哈密顿原理和海上钻井立管进行立管的非线性振动分析,及其结果说明周期运动和混沌的场景都可以观察到在立管的振动。此外,而不是应用经验灵活的管道的水动力系数,任et al。13)进行实验,以确定阻力系数和附加质量系数通常用于莫里森方程来确定海洋负荷应用于立管的分布。刘等人。14]采用遗忘因子最小二乘法识别的时变流体力学调制下的弹性圆柱涡激振动。

动态分析的基础上,立管,立管的振动和挠度的控制进一步被认为是由许多作者。Chang et al。15]分析了环境因素和操作因素优化一个海上钻井立管。通用电气等。16)添加了扭转致动器上部的立管系统来限制其横向偏转。针对最小化下挠性接头的旋转角度,王等。17集中在优化的立管的顶部张力。开发的基于动态模型的有限元分析,廖et al。18)应用Isight进行海上钻探管的多目标优化设计较系统的结构。郭et al。19)考虑可变长度钻井立管的振动抑制系统。刘等人。20.)提出了一种优化设计方法的抑制设备配置,可以减缓疲劳损伤引起的立管涡激振动。此外,吴等人提出了一种自适应输出反馈控制方法(21和一个observer-based非线性控制方法22)处理问题当结构遭受了未建模动态或参数不确定性。这样的两个方法有望也可行的分析立管动力自海洋环境载荷不可用在大多数情况下,在实际的应用程序。

根据上述工作,海上钻井立管的动态特性不断调查在过去的半个世纪里;然而,在发表论文,几个重要的步骤在动态建模的过程和解决方案通过有限元分析程序总是省略。因此,在本文中,一个完整的程序对模型开发和相应的解决方案对海上钻井立管流路径的目的是详细介绍,这也是基础为作者的进一步研究工作计划分析几何非线性和接触非线性的动态响应riser-well-drilling字符串耦合系统应用于深水钻井时。

本文的其余部分组织如下。部分2介绍了海上钻井立管的数学模型。然后,开发了动态模型转化为一个有限元模型,,然后,纽马克集成解决的部分3。随后,立管系统的动态特性进行了讨论,和三个主要系统参数对动态响应的影响立管比较的部分4。最后,结束语部分提供5。

2。数学建模的一个海上钻井立管

在本节中,汉密尔顿原理将被应用到开发海上钻井立管的动态模型。立管的物理模型元素在横向偏转如图1根据动能,势能,和外部工作的立管元素可以用数学方法描述,因此,整个海上钻井立管可以开发的模型。

2.1。动能

不考虑钻柱的影响,海上钻井立管系统的动能包括立管的振动和钻井泥浆内的运动,这可以表示为 在哪里 立管部分的横向偏转,立管部分和单位长度的质量在立管钻井泥浆的质量可以计算为 在哪里和外径和立管的内部直径,分别;和立管和钻井泥浆的密度。

2.2。势能

根据应变能定理,弯曲变形的能量可以表示为 可以计算的弯矩在哪里

因此,应变能将立管的横向弯曲变形部分 在哪里立管的弹性模量和截面的惯性矩的中心轴立管吗

另一方面,作为一个内力的立管,轴向张力变化的轴向位置的立管,它是由两个顶部张力和钻井泥浆的活跃的立管的重量,可以计算的 在哪里立管的总长度,是活跃的因素,之间的比率是最紧张和立管与钻井泥浆的重量。

由于立管的弯曲变形,轴向拉力将工作在横向方向,并通过考虑简化一个小偏转角 ,如图1,立管的工作段可以表示为

因此,立管部分的总势能

2.3。外部工作

海上钻井立管系统,外部工作来自海洋环境载荷 ,可计算的吗

根据莫里森方程(1),海洋环境载荷作用在立管包括阻力和惯性力 ,可计算的吗 在哪里 , ,和阻力系数、惯性系数,分别和海水密度。此外,为了解决开发模型数值之后,一个线性因素介绍了取代 在方程(14),如下所示12]:

此外,通风的波浪理论(23)可以应用于获得海浪的速度和加速度 在哪里和是大海的振幅和周期波,分别;因此,海浪的长度也可以计算的

与此同时,埃克曼漂移理论(23)可以应用于计算海流的流速 在哪里是摩擦的深度,地理纬度,是海洋表面风速,风海流的速度,风速的因素,是潮流的流速,海面潮流的流速,是强大的潮汐变化范围,而是正常的潮差。

2.4。一个海上钻井立管的动态模型

基于上述分析,汉密尔顿原理应用于开发海上钻井立管的动态模型,以及整个海上钻井立管系统的总能量可以描述为海浪的时期 在哪里斜曲线的函数方程吗 ,的变化可以扩展吗

此外,顶部侧立管系统的漂移与钻井平台或船因为它们通过一个灵活的连接关节的转动刚度 ,在底部一侧的立管固定在井口使用另一个灵活的关节,和它的转动刚度 。因此,边界条件的边是顶部

同样,底部一侧的边界条件

的初始条件与边界条件相比,立管系统是相当简单的。在数值模拟的开始,沿立管的位移和速度都设置为0。

3所示。海上钻井立管的有限元模型

可以观察到方程(24),它是一个挑战来解决立管的动态模型分析。在这种情况下,有限元法一直被认为是由于其广泛的适应性。

3.1。动态模型的离散化

作为有限元分析的第一步,开发了动态模型的立管应转化为有限元模型。为了开发了立管模型离散化,的挠度的近似解立管部分设置 在弯曲梁元素的埃尔米特三次插值函数作为形状函数: 在哪里的长度是立管元素。

为立管部分,可以设置为节点位移向量

当引入方程所示的近似解(27)所示的海上钻井立管的动态模型方程(24),函数方程的变化可以表示为

进一步考虑到任意 ,方程(30.)可以简化为

随后,一系列的矩阵为立管元素设置如下: 集成的部分在上述矩阵可以进一步通过引入埃尔米特三次插值计算函数和其第一和第二衍生品

最后,综合立管有限元模型系统可以写在一个紧凑的形式 在哪里

3.2。有限元模型的数值解

纽马克集成算法应用于解决发达有限元模型,因此,立管系统的动态响应时间域可以通过数值模拟获得。具体地说,两个基本参数设置为纽马克集成算法 和 。因此,其他八个集成描述为常数 在哪里是时间步的大小。

特别是,根据位移矢量和速度矢量在最初的时间,可以计算初始加速度矢量,首先,

使用纽马克在接下来的数值积分算法,有效刚度计算

的位移矢量 时间可以根据计算得到的相应结果时间: 在哪里

随后,加速度矢量和速度矢量时间可以按顺序计算

此外,在数值模拟中,阻尼矩阵和外力的矢量依赖于线性因子 ,这是进一步由立管的速度;因此,为了解决这个动态模型,迭代过程是不可避免的,解决方案的流程图完成过程如图2。

4所示。海上钻井立管的动态分析

基于有限元模型和相应的解决方案过程开发的部分3海上钻井立管的动态分析可以进行全面在这一节中。特别是,通过考虑硬件的计算能力的限制,与此同时,根据网格独立的测试验证,立管的长度元素设置为5米,在时间步长设置为0.0005。在这种情况下,例如,立管的数值模拟与2000需要运行在46个小时直到这个立管系统达到动态稳定条件。

4.1。特征分析的动态响应

一系列的海上钻井立管和不同参数的动态响应比较根据立管的振动和偏转。以下数值模拟的基本参数表中列出1。

用表中列出的基本参数1首先,海洋环境载荷可以确定。如图3,对于一个研究案例的海洋深度是2000米,海浪的影响集中在该地区接近海面,周期性的变化,看到情节(a)和(b),而海流的速度分布是独立于时间,看到情节(c)。

的激励下海洋环境载荷如图3获得海上钻井立管的动态响应,如图所示4。在数值模拟的300秒,海上钻井立管经历了一个快速横向偏转前两波周期,即0∼16 s,然后遇到了一个往复偏转阶段持续了很长一段时间,17日∼260年代;最后,立管达到动态稳定状态,即。,periodic oscillation, in 261 s∼300 s, see the curves coloured by red in Figure4(一)- - - - - -4 (c)。在这样三个阶段,每200米深度立管的振动轨迹显示在图中4 (d)- - - - - -4 (f)分别,这进一步显示离岸钻井立管的动态响应的特点。

立管的动态稳定状态将保持如果不改变,海洋环境载荷和相应的动态响应的立管进一步如图5。除了横向偏转次要情节的立管的分布(a),弯曲应力的分布(b)和偏转角的立管(c)也显示,计算如下:

我们可以看到在图5,最大水平位移出现在中间立管的一部分,最大弯曲应力和最大的偏转角立管中观察到的位置靠近立管的顶部和底部结束。

4.2。分析关键参数的影响

为主,立管长度的影响,即海洋深度,被认为是,和三个不同的研究情况,包括立管的长度500米,1000米,1500米,进行了比较。此外,在所有的研究情况下,立管已经达到他们的动态稳定条件只有数值结果在过去的40年代以来(261∼300年代)在300年代总仿真时间进行分析。结果显示在图6立管系统工作在浅水中具有较强的振动,由于其振动振幅和弯曲应力大于其他立管在更深的水,看到蓝色的曲线在两个次要情节(a)和(b)。然而,侧向挠度和偏转角的长立管相对大于短,看到红色的曲线在两个次要情节(a)和(c)。

随后,顶部张力分析的影响,同时,三个不同的研究情况,包括顶部张力的比值为1.1,1.3,和1.5,比较。结果如图7很明显,一旦应用更高的顶部张力,立管的振动和横向偏转可以有效地控制,看到红色的曲线在次要情节(a)。此外,高张力时应用于立管系统,弯曲应力和挠度角沿立管也可以减少,看到红色的曲线在两个次要情节(b)和(c)。

最后,浮力的影响因素进行了探讨。活跃的因素主要是由浮力块的设计策略包裹外面的立管。另外,三个不同的研究情况,包括活跃的因子为0.5,0.7,和0.9,进行了比较。结果如图8,当越来越多的浮力块添加到包裹立管减少钻井平台的承载能力的要求或容器,立管的横向挠度明显增加,看到次要情节的黑色曲线(一个);同时,最大弯曲应力和最大偏转角的立管也增加,看到黑色的曲线在次要情节(b)和(c)。因此,为了控制立管的偏转,高涨的因素是建议设置小如果钻井平台或容器的承载能力是强大到足以提供足够的张力。

5。结束语

(1)本文开发的海上钻井立管系统的数学模型通过使用汉密尔顿原理详细介绍,和相应的有限元模型,然后,派生,海上钻井立管的动态响应与不同系统参数数值模拟通过使用标准的纽马克集成。(2)根据数值模拟的结果,各种海洋环境载荷的影响下,一个海上钻井立管将经历一个快速横向偏转阶段开始,遇到往复式偏转在以下模拟长时间阶段,然后进入一个周期振荡阶段当它到达动态稳定状态。(3)三个关键系统参数为一个海上钻井立管进行了讨论。具体来说,在考虑海洋深度的影响时,立管系统工作在浅水区有强烈的振动,在更深的水;然而,再立管的横向挠度比较大。此外,当考虑到顶部张力和活跃的因素控制的动态响应的立管,更高的顶部张力的结合率和较低的活跃因素是插图更好履行低振动和立管的小挠度。(4)在介绍中提到的,目前的工作本文首先对作者的整个研究计划的双重非线性分析钻井管较系统结构,包括几何非线性的配置钻井管系统,和接触非线性引起的钻柱和立管/之间的交互。最终的目标是精确地预测riser-well-drilling字符串耦合系统的动态响应时应用于深水钻井。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(51904018)和基础研究基金为中央大学(没有。频- tp - 18 - 054 - a1)。