脱开模式下深水钻井隔水管串纵向振动研究

柳　军　黄　陈　刘清友　何玉发　何　星

(1.西南石油大学机电工程学院　四川成都　610500；

2.西南石油大学土木工程与建筑学院　四川成都　610500；3.中国海洋石油总公司　北京　100010)



脱开模式下深水钻井隔水管串纵向振动研究

柳军1黄陈2刘清友1何玉发3何星2

(1.西南石油大学机电工程学院四川成都610500；

2.西南石油大学土木工程与建筑学院四川成都610500；3.中国海洋石油总公司北京100010)

摘要：针对脱开模式下深水钻井隔水管串的安全问题，采用微元法建立了考虑海洋环境影响的实际隔水管串纵向振动力学模型，给出了相应的初始条件、边界条件，编制了相应的计算程序，并用ABAQUS软件进行了验证，以南海某实际钻井隔水管串的设计为例，研究了脱开模式下隔水管串的纵向振动力学行为。结果表明：隔水管串在与井口脱开之后，其振动频率落入海洋环境荷载频率之内，且隔水管串上端截面支反力的动态放大倍数为2.04，隔水管单根的应力最大放大倍数为1.52；脱开模式下，隔水管串的中上段受力呈明显的动态放大趋势，管串最下端受力水平则显著降低。研究结果可为深水钻井管串的设计提供理论支持。

关键词：深水钻井隔水管串脱开模式纵向振动

在面临台风等紧急情况时，深水钻井隔水管串需与水下井口及时脱开，隔水管串底部残余张力突然释放，形成的冲击波使隔水管串产生较大的纵向振动，促使管串轴向拉伸或压缩，并在钻井平台处形成一定的冲击荷载。为了确保隔水管串振动频率不落入外荷载(如波浪荷载)频率范围之内以及钻井平台设备不被冲击荷载震坏，需要了解隔水管串在脱开模式下的动力学行为[1-3]。

目前对脱开模式下隔水管串纵向振动的研究还不够全面[4-8]。如陈黎明等[5]通过建立悬挂模式下撤离隔水管柱有限元模型，对其作业窗口进行了研究，并优化了隔水管柱悬挂长度，但仅研究了隔水管柱在撤离过程中的力学行为，而未针对脱开模式进行隔水管串的动力学行为研究。也有部分研究尝试通过建立纵向振动力学模型[9-12]来分析隔水管柱的动力学行为，如张炜等[9]将隔水管柱视为均质等截面弹性细直杆，建立了脱开模式下隔水管柱纵向振动波动方程，获得了隔水管柱固有频率的解析表达式以及管柱纵向振动的动力放大系数，但该模型未考虑海水阻尼、浮力等影响，模型中基于均质等截面弹性细直杆的假设也与实际管串有较大差别，且也未能给出隔水管的任意一截面处的动力响应。

本文根据隔水管串实际配置情况，建立脱开模式下隔水管串纵向振动的动力学模型，给出模型的初始条件及边界条件，研究实际隔水管串紧急脱开模式下的纵向振动力学行为。

1隔水管串纵向振动力学模型

1.1隔水管串基本结构

深水钻井隔水管串如图1所示，隔水管串包括：伸缩节、隔水管短节、隔水管单根、浮力块、压井管线、底部隔水管总成和防喷器组等。其中，伸缩节、隔水管短节、隔水管单根等通过夹式接头连接，而隔水管串顶部与钻井船刚性连接即采用硬悬挂模式。隔水管串在与井口紧急脱开即底部残余张力突然释放时，在顶张力、底部残余张力和隔水管串浮重共同作用下形成一定初始位移开始振动。

1.2基本假设

在海洋深水工况下，隔水管串的结构以及受力极其复杂，且其长度远远大于其直径，因此，引入如下假设：

(1)隔水管串材料特性保持不变；

(2)隔水管串截面为圆环形；

(3)隔水管串在自重与外荷载作用下属于小应变大变形问题；

(4)隔水管串上端约束为固定约束；

(5)不考虑钻井液对隔水管串纵向振动影响；

(6)隔水管的横截面为平面，不考虑横向变形。

图1　深水钻井隔水管串示意图

1.3振动微分方程

根据脱开模式下深水钻井隔水管串的受力情况，取如图2所示的微元体[13]进行受力分析建立纵向振动方程。

图2　深水钻井隔水管串微元体

脱开模式下第k段杆的振动偏微分方程为：

对上式等号两边同时除以ρkAkdxk可得：

(1)

1.4边界条件及初始条件

(1)上边界条件

将隔水管串上端边界视为固定端，即

u1(0,t)=0。

(2)下边界条件

脱开后隔水管串的下边界为自由端，即

(3)初始条件

隔水管初始张紧力与顶张力有关，最小顶张力为[18]：

Tmin=TSRminN'/[Rf(N'-n')]

(2)

式中各物理量的定义详见文献[18]。

TSRmin可由下式计算[18]：

TSRmin=Wsfwt-Bnfbt+Ai[dmHm-dwHw]

式中各物理量的定义详见文献[18]。

最大顶张力为：

Tmax=Tenl

(3)

式中，Tenl为张力器极限拉伸荷载。

1.5隔水管串纵向振动方程

综合以上，可以得到脱开模式下隔水管串振动系统方程组:

(4)

对式(4)进行差分离散，编制计算程序，研究脱开模式下隔水管串的纵向振动力学行为。

2算例

2.1计算参数

南海某钻井隔水管串系统实际配置及基本参数分别见表1、表2。

采用本文所给模型，研究脱开前隔水管串顶张力、脱开后隔水管串上端支反力、下端位移和各段隔水管串相连接处应力的时程响应。在计算程序中，时间设为200 s，时间步长取Δt=0.005 s，隔水管串的管单元长度划分如表3所示。

表1　隔水管串系统配置

表2　隔水管串、钻井液、海水基本参数

表3　隔水管串的差分单元划分

2.2动力学响应分析

2.2.1隔水管串上端截面的支座反力时程分析

图3为隔水管串上端截面的支座反力时程曲线，由图3可见，本文所得结果与ABAQUS计算所得结果基本一致。脱开模式下隔水管串一阶振动频率约为0.04，二阶振动频率约为0.320；而海洋环境荷载频率通常为0.033～0.333，隔水管串的振动频率落入了海洋环境荷载频率之内，有可能导致隔水管串发生大幅纵向振动。因此，在设计隔水管串时有必要考虑脱开模式下管串与海洋环境的共振。

支座反力的最大幅值约为20 MN，与脱开前9.80 MN的顶张力相比，支反力的动态放大倍数约为2.04，这说明脱开模式下隔水管串会对钻井船产生较大的冲击作用力。

图3　隔水管串上端截面的支座反力时程曲线

2.2.2隔水管串应力时程分析

脱开前各段隔水管串最下端点应力如图4，图5为伸缩节外筒最下端点应力时程曲线, 图6为脱开后每段隔水管串最下端点的应力时程曲线。

由图可见，对脱开前与脱开后隔水管串的应力进行比较，隔水管串中部及以上管段的应力动态放大，其中，伸缩节外筒最下端点应力增大倍数为最大，即约1.52倍；隔水管串下部管段的应力显著降低。因此，在隔水管串设计时要考虑脱开模式下管串的强度问题，尤其是隔水管上部管段的强度。

图4　各段隔水管串最下端点应力

图5　伸缩节外筒最下端点应力时程曲线

图6　各段隔水管串最下端点应力时程曲线

3结论

本文采用微元法，建立了脱开模式下隔水管串的纵向振动模型，以南海某钻井隔水管串为例，研究了脱开模式下隔水管串纵向振动的动力学行为，得到以下结论：(1)本文给出的考虑海洋环境影响的隔水管串纵向振动力学模型及相应的初始、边界条件，为解决脱开模式下隔水管串的安全问题提供了一种方法。(2)通过隔水管串的振动响应分析，发现脱开模式下隔水管串的一、二阶振动频率落入海洋环境荷载频率之内。(3)分析了隔水管串与井口脱开前后的应力变化，发现脱开后在管串中部及以上管段的应力动态放大，其最大动态放大倍数最大可达1.52，而在管串下部则动态缩小。

参考文献

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Longitudinal Vibration Research on Deepwater Drilling Riser String

under the Condition of Disconnection Mode

LIU Jun1, HUANG Chen2, LIU Qing-you1, HE Yu-fa3, HE Xing2

(1.SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,

Sichuan,China;2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,SouthwestPetroleumUniversity,

Chengdu610500,Sichuan,China;3.ChinaNationalOffshoreOilCorporation,Beijing100010,China)

Abstract:In order to solve the safety problems of deep-water drilling riser string under the condition of disconnection mode, micro element method is used to establish the longitudinal vibration dynamic model of the actual riser string considering the marine environment. The corresponding initial conditions, boundary conditions are proposed. Using the difference scheme, the calculation program is developed, and the results of calculation program are verified by ABAQUS. Taking the actual drilling riser string design in the south China sea for example, the dynamic behavior of riser string are studied under the condition of disconnection mode. The research indicates that riser string vibration frequency falls into the range of ocean environment load’s, the dynamic magnification factor of counteracting force of riser string upper section is 2.04, and the dynamic magnification factor of riser joint stress is 1.52 after riser string disconnect from the mouth of well. The stress of riser string shows a trend of obvious dynamic amplification under the condition of disconnection mode. The results of study can provide effective tools and theoretical support for design of deep-water drilling pipe string.

Key words:Deep-water drilling; Riser string; Disconnection mode; Longitudinal vibration;

中图分类号：TE921

文献标志码：A

文章编号：1671-8755(2015)04-0050-06

作者简介:柳军(1980—)，男，博士，副教授，研究方向为计算力学、管柱力学。E-mail:liujun-888888@163.com

基金项目:国家重大专项子课题资助(2011ZX05026-001-07)；国家自然科学 资助(51105319)。

收稿日期：2015-07-01