海洋深水钻井隔水管动力分析.docx

第23卷增刊天

第23卷增刊

天然气工业

钻井工程

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海洋深水钻井隔水管动力分析*

石晓兵1郭昭学聂荣国1周俊昌2陈平1罗平亚1(中国工程院院士)

(1.西南石油学院2.中海油上海分公司)

石晓兵等.海洋深水钻井隔水管动力分析.天然气工业，2003;23(增刊):81~83

摘要随着海洋油气钻井向深水领域发展，钻井隔水管的受力越来越复杂，随着水深的增加，钻井隔水管的动力学分析显得越来越重要。文章考虑了隔水管所受的三维载荷，运用有限元法，采用三维动力学模型对深永钻井隔水管的动力特性进行了计算分析。研究表明，顶部张力对隔水管的自振频率影响明显，随着顶部张力的增大，隔水管的自振频率增大；深水隔水管常规使用下的高阶频率与常见海浪频率接近，在设计和施工中应特别注意。调节隔水管顶部张力可在一定范围内改变隔水管系统的自振频率，以避开与海浪产生共振的频率。

主题词深水钻井隔水管有限元法动力分析

据报道：在全球水深超过500m的地层里已经发现了69×10?m3的新增石油天然气储量，可能还有137×10?m3的潜在储量。在预计含油气的深水区域中，已经勘探过的面积只占一半左右。据估计，全世界未发现的海上油气储量有90%潜伏在水深超过1000m以下的地层。

在深水钻井中，随着水深的增加，隔水管柱的受力状态更加恶劣和复杂，有不少浮动钻井船或平台由于隔水管系统不能适应和承受巨大的综合性外力而使钻并工作中断，甚至无法恢复继续钻进，造成钻井失败。在北海仅→年时间，直接因隔水管系统而造成的损失就多达110台/天和350万美元；而我国海域的石油勘探钻井工作，由于隔水管系统的事故而造成停工也多次发生，因此，对海洋深水钻井的隔水管系统进行分析，以期作为深水环境条件下隔水管柱强度设计的依据，解决隔水管的稳定、安全问题，显得尤为重要，也即是深水钻井中目前需要解决的重要课题之一。

隔水管动力学分析的有限单元法

在同一动力载荷条件下，不同结构的动力反应是不相同的，反应的大小与结构的自振频率有着直

接的关系。为了掌握结构的动力特性，必须计算结构的自振频率和振型。因此，钻井隔水管的自振频率和振型分析是隔水管动力分析的一个主要内容。

体系振动的自由度是动力分析的重要概念。所谓振动的自由度是指确定体系全部质量位置所需独立参数的数目。一般地，结构的质量是连续分布的，因此惯性力也是连续分布的，确定一个实际结构全部质量位置所需的独立参数将有无穷多个。因此实际结构物振动是一个无限自由度体系振动问题，对它求解十分困难。在工程中常将实际的无限自由度体系振动分析问题近似地转化为有限自由度体系的振动分析问题的做法。本文采用一种具有普遍性的将无限自由度体系转化为有限自由度体系分析的方法，即有限单元法。

(1)基本假设。深水钻井时，钻井隔水管的受力情况变得十分复杂。因此，在用有限元法分析钻井隔水管之前，有必要作一些假设：①在每个单元内，几何特性和材料特性保持不变；②隔水管下端与球绞相连，为绞支约束；③隔水管上端与浮式钻井装置相连，具有初始的横向位移；④隔水管在自重与外载作用下属于小应变大变形问题；⑤隔水管内充满钻井液，不考虑钻柱对隔水管抗弯刚度的影响。

必本文系CNO0C“九五”重点科技项目“海洋深水钻井项目准备”的部分内容。

作者简介：石晓兵，1967年生，副教授；1999年毕业于西南石油学院，获石油与天然气工程博士学位。从事石油工程教学与定向井、水平并、海洋石油工程及油气井工程测量与过程控制等科研工作，发表论文20多篇。地址：(610500)四川省成都市新都区。电话；(028

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2004年4月

钻井工程

(2)离散体的运动微分方程。同静力学问题一样，用有限元进行动力分析时，首先必须将结构离散为多个单元，导出单元的运动方程，然后在这个基础上建立离散了的物体的整体有限元方程。建立有限元运动方程时要用到动态问题的变分原理，即哈密顿(Hamilton)原理。该原理叙述如下：在满足协调条件、约束条件或运动条件以及在时间和条件的所有可能的位移随时间变化的形式中，是真实解的那种变化使拉格朗日函数取得极小值。由哈密顿原理，经过系列推导，可得一个一般的离散系统来说，运动方程可表示为：

[M]{8}+[C]{8}+[K]{8}={P(t)}

式中：[K]为一般静力分析时的结构刚度矩阵，[C]为结构阻尼矩阵，[M]为结构质量矩阵，{8}、{8}、{8#}分别为结构的节点位移、位移速度和加速度向量，{P(t)}为节点的