单桩变刚度结构隔水导管稳定性研究及设计方法探讨.docx

单桩变刚度结构隔水导管稳定性研究及设计方法探讨姜伟( 中海石油研究中心)摘 要 采用弹性稳定性分析方法 ,研究和分析了隔水导管稳 单桩变刚度结构隔水导管 稳定性研究及设计方法探讨 姜 伟 ( 中海石油研究中心) 摘 要 采用弹性稳定性分析方法 ,研究和分析了隔水导管稳定性的特点及临界载荷 ,并根据海上 钻井作业中隔水导管设计和使用的实际情况 ,提出了一种既能增强稳定性 ,又能降低成本的变刚度 结构隔水导管设计方法 ,并且在考虑自重均布载荷和端部井口集中载荷条件下 ,对单桩隔水导管的 弹性稳定性进行了研究及工程实例计算分析 。本文的探讨对于降低海上钻井作业成本和提高隔水 导管安全性能将会产生积极的影响 。 关键词 单桩 变刚度结构 隔水导管 稳定性 设计方法 1 问题的提出 在钻井作业中使用的隔水管通常为同一钢级 、 同一壁厚的导管 ,仅在泥浅的抗固点采用壁厚增大 一级的办法 ,以保证导管弯曲应力循环处的寿命可 靠 。但是 ,现在大多数钻井作业者均采用钻入法下 隔水导管 ,在钻井作业过程中有时会遇到需要根据 现场作业实际情况在短时间内临时保留海面以上井 口等情况 ,这些情况都会涉及到隔水导管稳定性问 题 ,需要我们从安全角度出发去分析和研究隔水导 管的稳定特性 。笔者根据多年的现场作业经验 ,针 对海上钻井作业中隔水导管设计和使用的实际情况 , 提出了一种既能增加稳定性 ,又能降低钻井作业成本 的变刚度结构隔水导管设计方法 ,并在考虑自重均布 载荷和端部井口集中载荷条件下 ,对单桩隔水导管的 弹性稳定性进行了研究及工程实例计算分析 。 图 1 变刚度结构隔水导管力学模型示意图 l1 两部分组成 ,其惯性矩分别为 I2 和 I1 ,隔水导管 自身的重量分别为均布载荷 q2 和 q1 ,运用能量法选 择其变形函数 。由文献 [ 1 ,2 ]可知 y = δ 1 - co sπx ( 1) 2 l 2 变刚度结构隔水导管力学模型的建 立与分析 以探井作业阶段隔水导管的设计为例 ,考察隔 作为隔水导管变形挠曲的一级近似 ,对 (1 ) 式进 行微分求导 ,得到 = δπ πx d y si n 2 l d x 2 l ( 2) 水导管在使用过程中的单桩生存能力情况 。变刚度 结构隔水导管力学模型如图 1 所示 。为简便起见 , 模型 中 未 考 虑 风 、浪 、流 作 用 等 环 境 参 数 的 影 响 , 假 定隔水导管入泥部分为嵌固端 ,隔水导管由 l2 和 d2 y π 2 πx d x2 = δ 2 l co s 2 l 在图 1 中 ,任何截面 mΟn 的弯矩为 作者简介 :姜伟 ,男 ,高级工程师 ,1982 年毕业于西南石油学院钻井工程专业 ,现任中海石油研究中心钻完井总工程师 。地址 : 北京市朝阳 区东三环北路甲 2 号京信大厦 ( 邮编 :100027) 。电话 :010 - 。 第 18 卷第 3 期姜伟 :单桩变刚度结构隔水导管稳定性研究及设计方法探讨187l2δ2l22q1d yM = ∫x q η(y dξ)( )-32 ∫= q2 ( l -Δ T2x)d x×= -32 l2d x0其中πl2πl22222πl ( l -l2 ) si n+π l2 ( l2 -2 l)η = δ 1 - co sπξ+ 4 l si n( 4)2 l2 l2 l将 (4) 式代入 (3) 式并结合 (1) 式得到( 1 2) q1δ2 l21 qd yM = δq ( l - x) co sπx -si nπx2 l1∫lΔ T1( l - x)d x×==1 -( 5)3 2 l22d xπ2 l2 l2πl2弯曲应变能表达式为Δμ = Δμ2其中2πl ( l - l2 ) si n +2 l+Δμ1( 6)4 l2 si n πl22π222+ ( l -l2 )( 1 3)-4 l2 ll2M 2Δμ2 =∫0d x =当系统处于临界状态时 ,弯曲应变能与屈曲时荷重所做的功相等 ,即2 第 18 卷 第 3 期 姜 伟 :单桩变刚度结构隔水导管稳定性研究及设计方法探讨 187 l 2δ 2 l2 2 q 1 d y M = ∫x q η ( y dξ ) ( ) - 3 2 ∫ = q2 ( l - Δ T2 x) d x × = - 32 l2 d x 0 其中 πl2 πl2 2 2 2 2πl ( l - l2 ) si n +π l2 ( l2 - 2 l) η = δ 1 - co sπξ + 4 l si n ( 4) 2 l 2 l 2