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海洋钻井管柱系统动态分析与优化设计研究

廖茂林，周英操，苏义脑，蒋宏伟，连志龙

中国石油集团钻井工程技术研究院，北京，102206

摘要：将海洋钻井管柱系统简化为管中管结构，其外管是由隔水管与井筒通过在井口处的连接构成，其

内管是从平台到井底的钻柱。该结构在海浪、海流等海洋环境载荷的作用下发生弯曲变形。针对这一动

力学系统，本文提出了一个的海洋钻井管柱系统的动力学模型，并通过沿管柱引入的N个弹性-摩擦单元

来模拟内外管柱之间的相互作用。通过Abaqus软件对建立的力学模型进行有限元建模并模拟其动态响应。

由于考虑了钻柱与隔水管、井筒之间的碰撞、摩擦等相互作用，本文提出的管中管模型计算得到的管柱

系统整体弯曲变形程度较小，即内外管柱之间的相互作用对钻井管柱系统的整体偏移有抑制作用。此外，

通过一系列设计参数的敏感性分析发现，增加隔水管管壁厚度，减小隔水管顶部偏移，减小钻压（增加

悬重），增加顶张力以及优选上、下挠性接头的转动刚度都可以有效提高海洋钻井管柱系统的安全可靠

性。在此基础上，进一步应用Isight优化分析软件的NCGA多目标优化算法对管柱系统的各项敏感性参

数进行多目标优化设计，并采用MonteCarlo法对得到的最优设计的可靠度进行分析，当可靠度不能满足

要求时，通过SixSigma法可以对可靠度进行优化，并最终确定出在工程可行性和安全可靠度上都能满足

要求的最优设计参数组合集，以指导实际的海洋钻井管柱系统的配置。在以上分析的基础上，最后基于

Abaqus和Isight的二次开发，形成一款适用于海洋钻井管柱系统动态分析和优化设计的专业软件。

关键词：海洋钻井，管中管，动态响应，优化设计，Abaqus，Isight

海洋钻井与陆地钻井最大的区别是钻具和钻井液要通过几百甚至数千米长的隔水管系统进入海底实

现钻进[1-2]。隔水管系统上端连接着钻井平台，下端通过海底防喷器与井筒相连，隔水管与井筒的内部有

自上而下的钻柱与它们不断发生碰撞、摩擦等相互作用，对这一管中管系统进行准确的动态分析和优化

设计是确保海洋钻井安全的关键，具有重要的工程实用意义。通过文献调研发现，相关研究大多侧重于

对隔水管本身的力学分析[3]，一般通过时域分析[4]或者频域分析[5-7]来展开。在建立物理模型时，将隔水管

系统视为一个上端自由，下端铰接的梁[8]，然后用Morison方程来描述其外部所受的海浪、海流等作用[3]。

部分模型考虑了隔水管内部钻井液流动的影响[9]，有些模型也谈及了其内部钻柱振动的影响[10]。这些模型

建立后，大多采用了有限差分[4]和有限元[11-12]的方法进行求解，并主要分析了诸如顶张力、海水深度、平

台漂移、浮力块配置、海况条件等因素对管柱系统横向弯曲变形的影响[13-16]。总体看来，现有研究对泥

线以下的井筒部分以及内外管柱之间的相互作用的影响考虑得都较少，对设计参数的组合优化以及优化

设计的可靠性分析都较为欠缺，因此本文将着力解决这些问题。

1.海洋钻井管柱系统动力学模型

将海洋钻井管柱系统动力学模型简化为管中管模型，主要包括管中管弯曲变形模型（如图1（a）所

示）和内外管柱碰撞摩擦模型（如图1（b）所示）两个部分。前者主要用于描述隔水管和钻柱的弯曲变

形以及隔水管外部受到的海洋环境载荷。后者主要用于描述内外管柱之间的相互作用。将两部分统筹起

来形成的整体模型包含两个独立坐标系，分别用于描述外管系统（xyz）和内管系统（x’y’z’）。

对于管中管变形模型中的海洋环境载荷的描述，首先采用Ekman漂流理论计算海流流速[2]，如公式

（1）-（2）所示。

????(???+??)/??+??(z/?)1/7(L≤??)

??(z/?)1/7(L??)

??={

（1）

zz

yy

xx

(a)管中管弯曲变形模型(b)内外管柱碰撞摩擦模型

图1.海洋钻井管柱系统动力学模型

其中，摩擦深度：

??=

7.6??

√????

（2）

接着，采用Airy波理论计算海浪的速度和加速度[2]，如公式（3）-（4）所示。

??=???/???2?(???)/??cos(??)（3）

??=2?2??/??2?2?(???)/??sin(??)（4）

根据得到的海流和海浪的参数，采用Morison方程计算隔水管受到的由海洋环境载荷引起的拖曳力

和惯性力[3]；同时考虑隔水管弯曲变形引起的弯曲截面剪切力、张紧力、重力和惯性力；从而得到隔水管

微元段的动力学微分方程，如公式（5）所示。

1

2

????(??+???

??

??

)|??+???

??1

?2?

|+

?2??[???