海洋无隔水管钻井钻柱动力学分析

作     者：王杰 

作者单位：长江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：冯定;夏成宇

授予年度：2017年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：海洋 无隔水管钻井 钻柱 动力学 

摘      要：油气资源仍然是当今世界各国经济发展的命脉,消耗量依旧在不断增加,随着陆地油气资源逐渐减少,油气资源的开采也逐渐由陆地向海洋甚至深水水域转移。常规的海洋深水钻井都使用了隔水管来连接井口装置和钻井平台,其主要作用是为了隔离海水,引导钻井管柱和套管等进入井口装置,构成钻井液的循环通道等作用。但是,隔水管的使用会导致平台载荷增加,钻井成本提高,隔水管承受的复杂载荷也容易造成结构失效,引发钻井事故。无隔水管钻井技术作为一种新型钻井工艺,直接摆脱了对隔水管的使用,有效地降低了平台要求,提高了海洋深水钻井施工的安全性,钻井作业的成本也可以得到降低。无隔水管钻井作业在国外已经发展得较为成熟,并在多口井进行了实践,效果显著。然而,国内在该方面技术还处于起步阶段,受国外对无隔水管钻井关键设备和控制方法等实行技术封锁的制约,我国的无隔水管钻井技术发展也尤为缓慢。无隔水管钻井以其深水钻井高效的优越性,已经逐渐成为各国竞相研究的热点。本文也依托于国家自然科学基金“深水无隔水管钻井涡动对钻柱动态响应研究(51405032)这一课题开展了无隔水管钻井钻柱动力学研究。本文首先介绍了无隔水管钻井技术的应用前景和研究意义,同时对目前的管柱力学研究状况作了简要剖析,针对无隔水管钻井海水段钻柱的动力学问题提出了采用达朗贝尔原理、瑞利梁轴转子动力学理论、欧拉动力学方程建立钻柱在转速为零时的横向振动力学模型和钻柱在转动状态下的瞬态涡动力学模型,并采用有限元法(FEM)对建立的模型进行求解。其次,对无隔水管钻井技术关键设备的主要结构和基本原理作了简要介绍,并针对无隔水管钻井海水段钻柱的工况,分析了钻柱单元所受的载荷形式以及轴向载荷、浪流载荷的计算方法。然后,基于达朗贝尔原理,通过分析海水段钻柱微元的力学平衡和力矩平衡建立了钻柱在转速为零情况下的横向振动力学模型。同时,基于欧拉动力学方程建立了钻柱的涡动力学模型,推导了钻柱涡动微分方程,并给出了相应的边界条件和周期性条件。再者,依据本文建立的力学模型,采用计算精度较高的中心差分方法将高阶微分方程离散。通过求解钻柱横向振动微分方程得到了钻柱在横向振动状态下动态响应规律,分析了大钩载荷、平台偏移量、海流和波浪对钻柱横向振动的力学影响规律。同时,依据所建立的钻柱涡动微方程,推导了钻柱临界转速表达式。通过求解特定工况下的钻柱涡动响应,得到了钻柱在涡动状态下的力学变化规律。最后,依据本文所得到的钻柱动力学模型和微分方程求解方法,利用C#与Matlab混合编程技术开发了无隔水管钻井钻柱动力学分析软件,软件界面友好,结构合理,层次分明,可提高无隔水管钻井钻柱动力学计算效率。本课题通过开展海洋无隔水管钻井工况下海水段钻柱的动力学研究,客观地解释了海水段钻井管柱运动规律,研究结果将有效指导无隔水管钻井施工作业,同时也能对无隔水管钻井钻柱动力学的深入研究提供理论参考。