海洋深水钻井隔水管力学特性分析
海上钻井平台隔水管振动特性研究及应用
海上钻井平台隔水管振动特性研究及应用隔水管是海上自升式钻井平台石油钻井的第一个环节，应用三角级数描述用隔水管的挠曲方程，同时根据雷利法（L.Rayleigh）在求得隔水管系统的相对变形以后，由系统的能量平衡求得其振动频率方程，应用这种方法对于我们研究隔水管的振动特性及其对于钻井作业状态的影响，在海洋石油钻井工程中有很重要的指导意义。
通过隔水管振动特性与钻柱横向振动的结合，可以在钻井作业的转速选择上提供参考依据，将钻柱与隔水管的谐振研究与作业安全结合起来，对于统筹管理海上钻井作业有着重要的现实意义。
标签：海上钻井平台;隔水管;挠曲方程;横向振动;固有频率1隔水管振动特性研究意义自升式钻井平台在海上进行钻井作业时，通常在海底泥线钻孔一定深度后下入30”隔水管，由此建立钻井液的闭式循环系统，隔水管施工作业质量关系到该井后续各工序的顺利与安全。
隔水管顶部通过钢索与钻井平台连接固定，泥线以下部分用水泥浆封固。
作业中由于隔水管的振动加上与海流的作用，造成表层钻进时，钻柱与隔水管之间的敲击与振动，以致隔水管的快速接头处发生严重的偏磨，其磨损严重的个别管子接头处，深度竟达到10～15mm之多，由此可见：研究隔水管的横向振动问题，选择合理的钻井参数避免钻具与隔水管之间的谐振，对于我们保护和使用好隔水管，保证钻井作业安全，具有重要的现实意义。
2 隔水管的挠曲变形分析2.1隔水管的挠曲方程数学模型推导我们知道：通常情况下，隔水管在海上使用时，采用先钻孔后下入隔水管再用水泥浆封固的方法，但通常均是隔水管入泥线以下约50m，因此我们可以将底部视为插入的嵌固端，而在隔水管的顶部我们则是在其上部用4只1-3/4”的大顶丝将其顶在钻井平台井口平台的中心，这样就相当于一个上下可以滑动的固支端。
为研究问题方便起见，我们首先沿隔水管的轴线方向建立坐标，为研究问题简便起见，我们暂不考虑隔水管受到的波浪力，仅考虑隔水管受到顶部的轴向力P，可知此时隔水管的挠曲方程，用三角级数方程表示十分简便和快捷，此时的挠度曲线方程为：[1]将上式写成和的形式可得到：由于系数an的增量dan引起的位移增量为：在隔水管柱的轴向方向，轴力P做功为：此时应变能的增量为：由于隔水管质量连续分布，在其上作用有均布载荷q，则均布载荷也要做功。
浅析海洋隔水管
浅析海洋隔水管摘要海洋隔水管(water riser pipe system )水下器具的部件之一。
它是整个海洋钻井装备中重要而又薄弱的环节，是海洋石油勘探开发的瓶颈”，具有高技术、高投入、高风险的特点，是影响海上钻井安全的重要因素。
本文从概述、事故类型及对策分析、发展趋势及我国深水海洋隔水管的发展等几个方面对海洋隔水管进行介绍，其中对深海隔水管的事故类型及对策分析做了重点论述。
关键词隔水管概述事故类型及对策发展引言隔水管是从海上钻井平台下到海底浅层的套管，是在钻井作业时隔绝海水、循环泥浆的安全通道，上接导流器，下连防喷器，是一组重要的水下钻井装备。
隔水管结构貌似简单，由于载荷与作业过程的复杂性，自身结构的大变形非线性，分析方法的不确定性，实际响应的抽象性等，使得隔水管成为海洋石油装备开发的难点与重点。
研究海洋隔水管特别是海洋深水隔水管对我国海洋石油开采有关键意义。
一.概述(一)海上隔水管系统组成及隔水管的制造材质1. 海上隔水管系统组成图1.海上隔水管系统组成卡盘/万向节分流器上部挠性接头伸缩节张力环中间挠性管上部接头13表1.海上隔水管系统组成名称2. 隔水管的制造材质a. 钢质b. 铝合金c. 钛合金d. 其它复合材料（二）海洋隔水管系统主要功能1. 隔开海水，提供井口与钻井船之间的液体传输的通道：a. 正常钻井条件下，在隔水管环空内。
b .当BOP组正用于井控时，通过节流和压井管线。
2. 支撑节流压井及辅助管线；3. 把工具导向井内；4. B0P组送入或回收管体。
（三）特点1. 海上隔水管特点：a. 工况多变；b. 操作频繁；11 防喷器接头12 井口接头c. 深水对钻井隔水管的作用效率与安全有重要的影响；d. 其安全性与钻井过程及钻井参数密切相关。
2. 深水隔水管的特点：a. 结构更为复杂；b. 隔水管设计时所考虑的主要因素不同；c. 受力状态更加恶劣和复杂，动态响应更为明显，动态分析时与浅水也有很大的不同；d. 操作时间长，导致非钻井时间变长，容易出现操作不当导致结构损伤。
深水海洋管道系统的力学性能分析与改进设计
深水海洋管道系统的力学性能分析与改进设计深水海洋管道系统是海洋工程中的重要组成部分，广泛应用于海底油气输送、海底电缆敷设等领域。
随着深水开发技术的不断进步和深水油气勘探开采工作的深入，深水海洋管道系统的重要性日益凸显。
然而，由于深水环境的特殊性和地质条件的多变性，深水海洋管道系统在运行过程中常常遭受复杂多变的外部力和环境影响，容易受到损坏和破坏，对其力学性能的分析与改进设计迫在眉睫。
本文旨在通过对深水海洋管道系统的力学性能进行深入分析，探讨其存在的问题和改进的可能性，为深水海洋管道系统的设计和运行提供理论依据和技术支持。
文章将从深水海洋管道系统的力学性能特点入手，分析其承载能力、疲劳寿命、稳定性等关键参数，挖掘其在实际运行中可能出现的问题，并提出相应的改进设计方案，以提高深水海洋管道系统的安全可靠性和经济性。
首先，深水海洋管道系统在运行过程中常常受到来自海洋环境的复杂多变的外部力的影响，如海浪、洋流、风和海床冲击等，这些外部力会对管道系统的稳定性和安全性造成影响。
对于深水海洋管道系统而言，保证其承载能力和稳定性是至关重要的。
因此，我们需要通过对深水环境和管道系统结构的分析，确定管道系统的承载能力和稳定性，并采取相应的措施加以改进。
其次，深水海洋管道系统在长期运行过程中还可能受到疲劳和腐蚀等因素的影响，导致管道系统的疲劳寿命减少，甚至出现裂纹和破坏。
因此，我们需要对深水海洋管道系统的疲劳性能进行分析，确定其寿命预测模型，提出相应的改进设计方案，延长管道系统的使用寿命，减少维护成本。
另外，深水海洋管道系统的设计和施工过程中也存在一些问题和挑战，如管道接头的设计和连接方式、防腐蚀涂层的选择和施工、海床基础的稳固性等。
为了提高深水海洋管道系统的安全性和可靠性，我们需要对这些问题进行深入分析，提出相应的改进设计方案，保障管道系统的顺利运行。
梳理一下本文的重点，我们可以发现，是海洋工程领域的一个重要课题，对于提高深水海洋管道系统的安全性、可靠性和经济性具有重要意义。
深水钻井隔水管动力特性及涡激振动响应实验与理论
深水钻井隔水管动力特性及涡激振动响应实验与理论汇报人：日期:•深水钻井隔水管概述•深水钻井隔水管的动力特性•涡激振动响应实验•理论模型及预测•深水钻井隔水管动力特性的优化设计建议目•参考文献录01深水钻井隔水管概述深水钻井隔水管的定义和重要性深水钻井隔水管是一种用于深水钻井的关键设备，其主要功能是隔离海水和淡水，为钻井提供稳定的工作环境，同时保护钻井设备和人员的安全。
在深水钻井过程中，隔水管能够承受高水压、抵抗外部扰动、保持结构稳定，是保障钻井作业顺利进行的关键因素。
由于深海环境的复杂性和不确定性，隔水管的性能和质量对于整个钻井作业的成败具有至关重要的影响。
深水钻井隔水管的背景和历史深水钻井技术是随着石油工业的发展而逐步发展起来的，隔水管作为其中的重要设备之一，也经历了从传统材料到高性能材料、从简单结构到复杂结构的演变过程。
在20世纪90年代以前，深水钻井隔水管主要由钢丝绳和水泥构成，具有结构简单、成本低廉的优点，但同时也存在重量大、易损坏、难以维修等缺点。
随着材料技术和结构设计的发展，新型的深水钻井隔水管不断涌现，如玻璃纤维增强塑料隔水管、碳纤维增强塑料隔水管等，这些新型隔水管具有轻便、抗腐蚀、易于安装等优点，逐渐取代了传统的钢丝绳水泥隔水管。
深水钻井隔水管的当前应用和发展趋势•目前，深水钻井隔水管已经成为了全球海洋石油工业中不可或缺的一部分，广泛应用于海洋油气资源的开发中。
•随着技术的不断进步和应用需求的不断提高，深水钻井隔水管也在不断地进行着更新换代。
未来，隔水管将更加注重轻量化、高强度、耐腐蚀、易于安装等方面的性能提升，以满足更加复杂的海洋环境和高效率的钻井作业需求。
同时，随着数字化和智能化技术的不断发展，深水钻井隔水管的智能化监测和控制系统也将成为未来发展的重要方向。
通过对隔水管运行状态的实时监测和调控，能够提高钻井作业的安全性和效率，降低事故发生的风险。
此外，随着环保意识的日益增强，绿色制造和可持续发展也成为了隔水管行业的重要发展趋势。
深水海底管道铺设受力性能分析的开题报告
深水海底管道铺设受力性能分析的开题报告一、研究背景及意义随着近年来海底油气资源的逐步开发，海底管道的需求不断增加。
深水海底管道在铺设过程中，易受到海水、海流、风浪等自然条件的影响，同时还受到自身重量和管道内介质压力的作用，因此其受力性能十分重要。
了解深水海底管道的受力性能，有利于指导管道的设计、制造和铺设，提高深水海底管道的可靠性和安全性。
同时，深入研究深水海底管道的受力规律，对于优化管道的铺设方案，减少损伤和失效的风险，具有重大的实际意义。
二、研究内容和方法本研究的主要内容为深水海底管道铺设过程中的受力性能分析，其中包括以下方面的研究：1. 深水海底管道的受力机理和受力特性：分析各种受力因素对管道的影响，探讨深水海底管道的本构关系和力学特性。
2.海底管道的铺设过程：研究海洋环境、海底地形和管道外力等因素对管道铺设过程的影响。
3.数值模拟方法：基于有限元数值模拟方法，对深水海底管道铺设过程中的受力性能进行数值模拟，探讨其受力变化规律。
4.实验方法：结合数值模拟结果，利用模拟装置进行某些关键节点的实验研究，验证数值模拟的准确性，并获得更准确的实验数据。
三、预期研究成果及意义通过本研究，可以深入掌握深水海底管道铺设过程中的受力特性和机理，为管道的设计和制造提供科学依据。
同时，能够为优化管道铺设方案，提高管道铺设效率和安全性，减少失效和损伤发生提供提供理论基础和技术支持，为海洋工程的发展和海洋资源的开发提供了一定的支撑。
四、研究进度安排1.文献阅读和分析（第1-2个月）2.深入了解深水海底管道铺设方式及其受力特性（第3-4个月）3.基于有限元数值模拟方法进行模拟（第5-8个月）4.实验数据收集并整理（第9-10个月）5.论文撰写及修改（第10-12个月）。
海上延长测试过程钻井隔水导管力学特性
海上延长测试过程钻井隔水导管力学特性罗勇【摘要】延长测试作业已成为海上油田获取产能参数、准确评价油气藏的重要手段.由于延长测试作业周期长且会遭遇恶劣海况,隔水导管稳定性是保证作业安全的关键因素.针对恶劣海况下隔水导管稳定性问题,从延长测试井井身结构特点入手,分析了延长测试过程中隔水导管受力特点,建立了隔水导管力学模型,得到在极限载荷条件下最大等效应力出现在水面附件,此位置的隔水导管是延长测试作业管柱危险点.结合东海海况条件和该井地质条件,设计了延长测试井隔水导管几何参数,利用有限元模拟软件ANSYS建立了延长测试过程隔水导管力学模型,并对模型施加环境载荷及约束,计算了导管力学特性,与现场测量值进行对比验证了所建立模型的可靠性.【期刊名称】《石油钻采工艺》【年(卷),期】2018(040)006【总页数】5页(P690-694)【关键词】海上延长测试;钻井隔水导管;力学特性;有限元分析【作者】罗勇【作者单位】中海石油(中国)有限公司上海分公司【正文语种】中文【中图分类】TE52海上油气开发具有高风险、高投入特点。
延长测试已成为获准储层参数、准确评价油气藏，并降低油气田开发风险的重要手段。
由于海况条件复杂，延长测试作业周期长，为了保证钻井隔水导管及井口的安全，需要研究延长测试作业过程中钻井隔水导管力学特性，为隔水导管设计以及施工过程中的安全控制提供理论依据。
国内外对于延长测试作业的研究主要集中在主要设备［1-2］以及地层参数获取结果［3］方面。
从典型的延长测试井井身结构特点入手，分析了延长测试作业中隔水导管受力情况，并建立了力学模型。
利用有限元模拟软件验证了力学模型的准确性。
通过理论计算值与现场实验测量值对比分析，验证了理论模型的准确性。
1 典型延长测试井井身结构特点延长测试井一般采用3层套管结构，其中隔水导管是支撑井口载荷、保证井口稳定性的重要部分。
延长测试井井口载荷与常规测试井不同，并在作业过程中有可能会遭遇恶劣天气的影响。
海洋隔水管的受力分析
海洋隔水管的受力分析
钻井隔水管系统是深水钻井的关键设备，对于深水钻井效率和费用控制有重要影响，对于一口深水井作业而言，起下隔水管作业时间和因海况引起的隔水管非钻井时间占到总建井时间的比例高达30%，因此如何考虑提高深水钻井隔水管的现场作业效率，保证钻井作业连续，高效具有重要意义。
本文从多个方面系统地介绍了提高隔水管作业效率的方法，从设计的流程化和优化作业效率的角度，提出了隔水管浮力块配置设计标准化的建议，建立了现场顶张力优化调整模板，方便现场根据不同井段的钻井液密度，及时调整顶张力，并确定对应的作业窗口，根据作业窗口，提出如何控制钻井船位置，提高隔水管对海洋环境的适应性;基于系统弱点分析的方法，整体分析了隔水管-水下井口系统的薄弱点，针对性提出了系统弱点的强化措施，以提高整个隔水管-水下井口系统对恶劣环境的适应能力，案例分析表明，通过对系统弱点的强化，将隔水管-水下井口系统的弱点由井口系统转移到钻井隔水管系统，实现了对钻井装备-隔水管系统设备能力的最大化应用，提高了对钻井装备的有效利用率。
国外海洋钻井隔水管与国产化研究建议
国外海洋钻井隔水管与国产化研究建议摘要：国外海洋钻井隔水管的出现是提升海洋钻井技术水平的重要一步，但国内海洋钻井行业在推广应用方面存在许多困难。
针对此，本文将从国外海洋钻井隔水管技术特点及其应用情况、国外设计规范及实践经验以及国产化建议等方面对海洋钻井隔水管进行详细探讨，旨在推动国内海洋钻井行业的发展与进步。
关键词：海洋钻井；隔水管；国外；国产化（一）国外海洋钻井隔水管技术特点及其应用情况全球海洋钻井隔水管的使用是目前海洋钻井技术发展的重要一步，它们能够提高海洋钻井的安全性、降低钻井的造价和难度。
国外海洋钻井隔水管目前大都采用钢制管道结构，可确保隔水管钻进及回收过程中的稳定性，同时可以提供由小径到大径的管道规格，以适应不同钻井深度要求，具备一定的防腐功能，能承受恶劣的水压，能抗外力传递，抗腐蚀能力强。
应用范围也非常广泛，目前海洋钻井隔水管的应用主要集中在海底油气钻井、沉管钻井、深水海洋钻井及海底桩台钻井等，其中海底油气钻井的应用量最大，是海洋钻井隔水管最多而最稳定的应用领域。
（二）国外设计规范及实践经验在欧洲和美洲，海洋钻井隔水管设计标准均采用API标准，API标准下的设计要求以安全性为基础，是保证隔水管安全运行的关键要求。
API标准的设计规范，从海洋环境的不同类型，钢管的特性，制作规定及试验要求，隔水管的连接方式，连接检查及其它特殊要求等方面予以阐述。
同时，在实践过程中，国外的海洋钻井隔水管生产商还按照实际情况进行了不同程度的设计创新，采取了一系列保证钻井安全性的措施，其中包括提高隔水管材料的强度，对隔水管安装及设备的检查，以及在不同工艺流程中必要的防腐、润滑处理等，确保隔水管的可靠运行。
（三）国产化建议尽管国外海洋钻井隔水管的技术发展及其应用水平较高，但在实际应用过程中，国内海洋钻井行业仍存在一定的技术缺失，例如隔水管材料的性能要求、设计及连接标准等均还存在一定的缺失。
针对国内海洋钻井行业，提出以下国产化建议：（1）加强隔水管材料的研发，追求更低成本、更高抗腐能力的隔水管材料，充分利用国内自身的技术优势；（2）完善隔水管的设计标准，以确保其在海上作业中的安全性；（3）加强对海洋钻井隔水管的安装、检查及收缩等技术能力的建设，保证其在海洋钻井实施过程中的稳定性；（4）完善国内海洋钻井隔水管行业的安全认证制度，加强安全管理，保障国产海洋钻井隔水管的安全性与可靠性。
深水钻井隔水管＂三分之一效应＂的发现——基于海流作用下深水钻井隔水管变形特性理论及实验的研究
王 国荣 黄 鑫 石 晓 兵 付 强 柳 军
（ １ ．中 国海 洋 石 油 总 公 司 ； ２ 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室）
摘 要 深 水 钻 井 隔水 管是 连接 平 台和 水 下 井 口的 关键 设 施 ， 其 在 海 水 中 既 受 到 海 流 等 海 洋 环境 的影响 ， 同时 也 受到 各 种 深 水 钻 井Ｚ － ． 程 因素 的 影 响 。深 水 钻 井 隔 水 管 的 受 力 和 变形 规 律
深 海 环境 中海 流 类 型大 多 为 剪切 流 ， 因此 研究 真 实剪 切海 流作 用下 隔水 管 的形变 特性将 对 隔水 管 的设 计 、 张 紧力 的优 化 、 浮力 块 的配 置 、 钻 井 参数 的
优选 等 具有 更加 重要 的指 导意 义 。笔者 以理论 模 型
是 均 匀来 流下 的立 管 涡 激 振 动 特 性 ， 且 没 有 考 虑 钻 井 工况 。此 外 ， 国外 学者 采用 最小 势 能原 理 ， 通 过建
管形 变 特性 研 究 ， 在 实验 研 究 中 以“ 海洋石油 ９ ８ １ ”
＊国 家 自然 科 学 基 金 “ 基于钻井系统动力学的深海钻井升沉补偿系统机理研究（ 编号 ： ５ １ ２ ７ ４ １ ７ １ ） ” 、 国 家科 技重 大专 项 “ 大 型 油 气 田及 煤 层 气开发——海洋深水工程重大装备及配套工程技术 （ 编号 ： ２ ０ ０ ８ Ｚ Ｘ０ ５ ０ ２ ７ 、 ２ ０ １ １ Ｚ Ｘ ０ ５ ０ ２ ７ ） ” 部分研究成果 。 第 一 作 者 简 介 ：周 守 为 ， 男， 中国工程院院士 ， 教授级高级工程师 ， 海洋石油开发工程专家。
浅谈深海钻井隔水管系统相关影响因素分析
浅谈深海钻井隔水管系统相关影响因素分析摘要：由于目前深海油气田的开采环境非常恶劣，而且开采难度大、风险高，海水腐蚀、浪涌、洋流环境、海洋涡激振动和深水压力等因素，因此对深海钻井装备也提出了严格的要求，深海钻井隔水管系统作为一个非常关键的组成部分，其研究显的非常重要，本文主要针对深海钻井隔水管系统相关影响因素进行分析论述，仅供参考。
关键词：深海钻井；隔水管；系统；影响因素Abstract: Due to the oil and gas fields in deep-sea mining environment is very bad, and the difficulty of exploitation, high risks, marine corrosion, surge, currents environment, marine vortex excited vibration and deep-water pressure and other factors, so deep-sea drilling equipment proposed stringent requirementsdeepwater drilling riser system as a critical part of their research is very important, this paper discusses the analysis of the deepwater drilling riser system related factors, for reference only.Key words: deep-sea drilling; riser; system; influencing factors前言：海洋钻井隔水管是海洋深水油气勘探开发中的重要单元装备，作为连接海底BOP至海面钻井平台之间的咽喉通道，目前其研究工作已引起了世界多个国家的普遍关注，尤其在欧美等发达国家发展速度很快。
深海钻井隔水管的研究和开发(ppt 23页)
隔水管性能要求的标准:
1. API Spec 5L 《管线管规范》 2. DNV-OS-F101 《海底管线系统》
是深海钻井隔水管设计的基础 也是其余几个设计标准的基础
3. DNV-OS-F201 《动态立管》
4. API Spec 16F 《海洋钻井隔水管设备规范》
5. API RP 16Q 《海洋钻井隔水管系统设计、选择、操作和维护的推荐做法》
1、深海钻井隔水管的研究背景
国际上众多石油公司已将开发重点转移到深水区域。如墨西哥湾、 巴西、西非与北海周边地区等，我国南海也有丰富的油气资源。
深海油气田开采环境十分恶劣，开采难度大、风险高，海水腐蚀、 浪涌、洋流环境、海洋涡激振动和深水压力等对深海钻井装备提 出了严格的要求。深海钻井隔水管系统就是最关键的组成部分。 深海钻井隔水管技术仅掌握在美国、挪威、日本等国，如INTEC、 Saipem、JP Kenny、Technip、MCS、2Hoffshore公司。
MR-6H SE曾获得2007年美国OTC奖；
卡扣式的固定连接方式，能实现快速 和便捷的连接，结构简单且质量轻；
能适用于深海环境下的钻井作业。
深 海 钻 井 隔 水 管 的 研 究 与开 发
4、深海钻井隔水管的性能要求
隔水管事故的严重影响:
1. 钻井船、海底装备和油井将受到破坏，造成巨大的经济损失； 2. 钻井液的泄漏以及石油的泄露，造成环境的严重污染。
深 海 钻 井 隔 水 管 的 研 究 与开 发
5、深海钻井隔水管设计与生产
深海钻井隔水管系统设计的影响因素
水深 波浪 海流
环 境 因 素
机理研究
作 业 因
素
浮力块分布 钻井液密度 涡激的抑制 悬挂的模式 钻井的载荷
国外深水钻井隔水管发展现状及主管性能分析
表 2 X80 深海钻井隔水管的主管化学成分
%
w（C） w（Si） w（Mn） w（P） w（S） w（Cu） w（Ni） w（Cr） w（Mo） w（Ti） w（V） w（Nb） w（B） w（Al） w（Nb+V+Ti） Ceq CEPcm
占地球面积70以上的海洋有着丰富的油气资源油气开发重点正逐步由陆地转向海洋并走向深海洋钻井隔水管是一条从海洋钻井平台或钻井船通往海底bop装置的液体输送管道其主要功hanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguanhanguan能是提供井口防喷器与钻井船之间钻井液往返的通道支持辅助管线引导钻具下放与撤回井口防喷器组的载体等劣环境和气候的影响深水海洋钻井隔水管是一种具有高风险高难度高技术和高附加值的石油钻井装备海洋钻井隔水管是海洋深水油气勘探开发中重要装备单元作为连接海底bop至海面钻井平台之间咽喉通目前其研究工作已引起了世界多个国家普遍关注研究和开发具有高技术高难度和具有高可靠性海洋钻井隔水管及其系统已成为一个新的技术亮点
3. 天水天力特种管有限公司， 甘肃 天水 741020）
摘 要： 阐述了国外海洋钻井隔水管的发展状况， 并对海洋钻井隔水管的关键技术进行了分析。 结
合我国深水隔水管的发展现状， 对国外某 X80 钢级 Φ533.4 mm×25.4 mm 深水钻井隔水管主管进行外
超深水隔水管典型海况静力分析
超深水隔水管典型海况静力分析【摘要】海洋隔水管是海洋浮式钻井平台中的关键设备之一，同时也是薄弱易损的构件之一。
本文利用数值分析软件 ansys 对超深水隔水管进行了详细几何非线性静力分析，分析了典型工况下隔水管模型的受力和变形，为超深水环境条件下隔水管刚度、强度设计提供科学参考。
【关键词】隔水管超深水静力分析 ansys1 理论分析模型1.1 基本假设超深水条件下，隔水管的受力情况变得十分复杂。
因此，在用有限单元法分析隔水管的力学特性之前，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）隔水管下端与球铰相连，简化为固定铰支约束；（3）隔水管上端与浮式钻井装置相连，简化为可动铰支约束；（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，不考虑钻柱对隔水的影响；（6）波浪、海流载荷的作用角度均为0°。
1.2 力学模型与载荷理论基于以上假设，隔水管荷载主要包括横向载荷与轴向载荷。
横向载荷为波浪载荷与海流载荷，轴向载荷主要包括自重、浮力及顶部张拉力。
如图1隔水管静力分析示意图：计算时应同时考虑流体速度和结构本身的运动速度。
1. 3 有限元模型的建立利用ansys 建立隔水管的有限元模型，把整个隔水管离散为有限个p ipe289单元进行力学分析。
其中海流、海浪荷载可通过命令socean、octype、ocdata和octable输入。
2 计算实例以某超深水油田为例，分析其钻井隔水管的受力状况，其基本参数如下：①隔水管尺寸：外径1.5m，壁厚0.1m；②材料参数：弹性模量2.1e11pa，泊松比0.3，密度7850kg/m3；③环境参数：水深2000m；有效波高8m，波周期15s，波浪相位角55°；海面流速2m/s，海底流速0m/s；阻力系数0.7，惯性力系数2.0；④海水密度1030kg/m3钻井液密度1200kg/m3；⑤顶部张力1.0g*，g*为隔水管浮重。
海洋深水钻井隔水管浮力系统分析
剖面的变化和管柱 的直径的不同， 如图 ３ 所示。
层摩擦力的双重影响 ， 当水深超过 ５ ０ ０ ｍ时 ， 为深海钻 井 。 目前 我国海上钻井 已经突破 １ ５ ０ ０ ｍ的深度 ， 采用
深 海 理论 系统 分 析 进 行 受 力 分 析 。首 先 ， 根 据 艾 克 曼
漂流理论 ， 运用式（ ３ ） 确定摩擦深度。
境下隔水 管系统受力情况的复杂化 ， 分别完成 了海流载荷 、 涡流载荷和波浪载荷 的计算。其 中在海
流载荷的计算 中， 提 出了深海和浅海的海流剖面计算方法， 再根据摩擦深度、 隔水管顶端和底端将 系 统 划 分为 ４ 个计 算 单元 ， 最 终将 系统各位 置 处 的载荷 以微 元段 载荷 的 形式 表现 出来 。在 涡流 载荷 的
— —
Ｋ — — 风 速 因子 ， ０ ． ０ ２ ４ ＜ Ｋｗ ＜ ０ ． ０ ５ ０ ， 通 常 情 况 下
Ｋ Ⅳ＝０ ． ０ ３ ０：
等深线的方 向。 ②海面潮流速度计算 。海面潮流的速度 应进行 测量得出， 但是也可以在测出潮差 兄 后 ， 结合大 、 中、 小 潮的平均潮差 Ｒ ， 尺 ， 进行估算 。 ③不 同深度下 的海流速 度 的计算 。从海 面到海
西部 探 矿工程
２ ０ １ ７ 年第 １ 期
Ｑ ＝
（ ２ ）
式 中： — — 海流 速度 ， ｍ／ ｓ ；
式中 ：
一 表 面风 海 流 ， ｍ／ ｓ ；
ｄ——隔水管或浮力块的直径 ， ｍ；
Ｐ — — 当前 海域 海水 的密 度 ， ｋ ｇ ／ ｍ。 ； Ｃ。 —— 阻 力 系数 ， 无 因次 ；
３ ． １ 海流 力
（ １ ） 海流流速 ： ① 风 海 流速 度 计 算 ： 首 先 测 出 风 速 的值 ［ ４ ＿ ， 再 运用 下 式 估 算 风 海 流 的流 速 以及 流
海底管道受力性能分析
海底管道受力性能分析海底管道是连接海上生产平台和陆地终端的重要通道，是石油和天然气开采、运输的主要手段。
由于其操作在极端恶劣的环境下进行，海底管道的结构和受力性能显得异常重要。
本文将从海底管道的结构特点及所面临的受力环境出发，对其受力性能进行探讨。
一、海底管道结构特点海底管道通常由多节导管拼接而成，导管的材料一般为钢管或复合材料管。
在水下运输和敷设过程中，导管需要承受来自海水、海流、波浪等多种复杂的水下环境因素的影响，因此，海底管道的材料和结构要足够强韧。
钢管是海底管道常见的构造材料，钢管的强度高、稳定性好，耐腐蚀能力强，对于较大深度的海底管道而言，使用钢管既符合经济效益又能保证质量。
复合材料管也是一种较新型的海底管道材料，由于其具有较高的强度、刚度和耐腐蚀性，已经得到了广泛应用。
复合材料管相对于钢管来说具有质量轻、弹性模量小、抗疲劳性好等优点，适合用于较浅水深的海底管道及沿海工程。
二、海底管道受力环境海底管道所面对的受力环境异常复杂，包括海水的浮力作用、洋流的冲击、风浪的冲击、沉积物的压实、海底地震等多种因素，这些因素都会对海底管道产生复杂的受力作用。
其中，风浪引起的受力是海底管道最常见的一种，也是最具有挑战性的一种。
风浪对于海底管道的影响是很大的，特别是在暴风、巨浪等恶劣天气条件下，海底管道可能会面临断裂、塌陷等安全隐患。
一般来说，随着海底管道水深增加，风浪产生的影响也会相应增加。
因此在管道设计过程中，需要考虑到可能的极端天气条件，并根据海底管道所在深度的不同，选择不同的管道材料和结构形式。
另外，海底管道还面临着海水温度变化、化学腐蚀、水动力等多种影响，这些因素都会对管道的稳定性和寿命产生直接影响。
三、海底管道的受力分析1. 海底管道的弯曲应力分析海底管道的弯曲应力分析，是海底管道结构设计和安装的一项重要工作。
在水中引致海底管道弯曲的荷载有来自海水本身的浮力、来自水流的冲击、来自管道自身的重量等多种因素，这些荷载共同作用会产生一个所谓的弯曲应力。
深水海洋管道系统的力学性能分析与改进设计
深水海洋管道系统的力学性能分析与改进设计摘要：深水海洋管道系统在海洋工程中起着重要的作用，但在实际应用中，其力学性能问题一直是研究的热点。
本论文通过对深水海洋管道的力学分析与改进设计进行研究，以期提高其力学性能和抗力的能力。
1. 引言深水海洋管道系统是连接海底开采设施与陆上工程设施的重要组成部分。
在石油、天然气等资源的开发过程中，深水海洋管道不仅承载着越来越高的外部载荷，也需要满足更高的抗力要求。
因此，深水海洋管道的力学性能分析及改进设计具有重要的理论和实际意义。
2. 深水海洋管道系统的力学性能分析深水海洋管道系统受到多种力学因素的影响，如海水压力、波浪、海流以及地震等。
其中，海水压力是对深水海洋管道系统施加的额外载荷，通过压力差驱动，常常引起深水海洋管道系统产生塑性变形和运动。
而波浪和海流则会引起深水海洋管道系统振动和摆动，从而影响其稳定性。
同时，地震可以产生巨大的动力载荷，进一步加剧对深水海洋管道系统的力学性能挑战。
为了分析深水海洋管道系统的力学性能，可以采用有限元法进行建模。
首先，通过对深水海洋管道系统的几何特征进行建模，包括管道直径、厚度以及连接件等。
然后，将外部载荷施加到管道模型上，以模拟实际的工作环境。
最后，通过有限元分析，得出深水海洋管道系统在不同载荷下的应力、位移等参数，以评估其力学性能。
3. 深水海洋管道系统的改进设计为了提高深水海洋管道系统的力学性能，可以从以下几个方面进行改进设计：3.1 材料选择：在深水海洋环境中，海水中的腐蚀性物质会对管道材料造成破坏，因此需要选择具有较高耐腐蚀性能的材料。
例如，可以选用高强度的不锈钢、耐腐蚀铜合金等。
3.2 结构优化：通过对深水海洋管道系统的结构进行优化设计，可以减小系统的自重、降低流体阻力和风载荷等。
例如，可以添加减重防风圈、减小管道的直径等。
3.3 加固措施：可以采用加固措施来提高深水海洋管道系统的抗力能力。
例如，可以在管道的敏感部位添加加固结构，如环形加固环等。
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Ｌｗ
１．３边界的离散处理一１ １．３．１ 下部边界条件 隔水管下端与防喷器组上 的球接头相连，可不计防喷器的变形，则有
万方数据
ｐ＝等产＝茜
式中，０为转动的角度。 １．３．２上部边界条件 隔水管上端与浮式钻井装 置相连接，故隔水管随之运动。若不计升沉运动的 影响，则有
（１０）
２．２上部边界条件的处理
上部边界条件式可以改写为
，，。＝Ｓ
（１１）
对于上部边界条件式可做如下考虑：球接头可
石油钻采工艺２００８年４月（第３０卷）第２期
视为一个铰支连接。当球接头的转动刚度Ｋ不为
０时，如图２所示，ＡＢＣ段被力矩Ｍ＝Ｋ，０所弯曲，此
时Ｙ。＋。的表达式为
‰＝２等研。ｎ一胛南州 “＋ｌ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｒｉｓｅｒ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
随着国内深水海域石油天然气资源的勘探开 发，深水钻井船和石油平台将会大量使用。钻井隔 水管是连接海底井口与钻井船的重要设备。随着海 水深度的增加，隔水管的受力状态更加恶劣和复杂， 而且目前国内在深水海域的钻探井数量比较少，深 水钻井经验也比较欠缺，所以开展深水条件下隔水 管力学分析研究是十分必要的。国内外一般是用有 限元软件对隔水管进行力学分析、建模及计算，过程 比较复杂。笔者利用静态挠曲四阶微分方程来对隔 水管进行分析，并应用有限差分法对隔水管的受力
迭代３至８次即可逐次降低ｙ的误差，低于２％时可
以解出：从Ｙ一。，Ｙｏ，到％，Ｙ。＋１的ｎ＋３个未知数。求
出挠度Ｙ以后，按照材料力学有关梁的理论，即可分
别求出转角０，弯矩Ｍ和剪力ｐ。
３实例分析
３．１技术参数 利用文中所建立的力学模型及相应的计算软
件，计算了深水钻井隔水管的横向变形、弯矩和应力 的变化规律。隔水管力学基本参数见表ｌ。
式中厶为隔水管单位长度上的波浪流体载荷，Ｎ；ｕ
为波浪水质点水平分速度，ｍ／ｓ；譬为波浪水质点水
平加速度；Ｃ。为流体阻力系数，一般在０．４～１．６之 间；ｃＭ为惯性力系数，ＣＭ＝１＋ｃ。，ｃ。为附加质量 系数，一般在０．９３—２．３０之间；日为波高，ｍ；咒为 波周期，ｓ；埘。为波浪圆频率，ｒａｄ／ｓ；矗为波数，ｋ＝
图４浮力块对隔水管受力的影响
４结论
，
（Ｉ）建立了钻井隔水管的静态分析模型，给出
刘彩虹等：海洋深水钻井隔水管力学特性分析
３１
了隔水管静态分析的计算方法。通过现场实例分析 ［３］ 张志涌．ＭＡＴＬＡＢ教程——基于６．ｘ版本［Ｍ］．北京：
表明隔水管的顶张力对隔水管的受力影响显著，隔 水管的横向变形、弯矩和应力随着顶张力的增加，其 横向变形和弯矩都明显减少，但是应力却明显增大。 加上浮力块后，隔水管的有效重度减小，在顶张力系 数相同的情况下，顶张力在张力器所能提供的张力 范围内，虽然隔水管的横向位移和弯矩明显增大，但 都在安全范围内，而应力显著减小，受力情况有所改 善。所以如果隔水管顶部的张力器系统不能提供足 够的张力，使用浮力块可以改善隔水管的受力状况。
攻关项目：中国海洋石油总公司科技攻关深水重点项目部分研究内容。项目编号：Ｚ２０１ＭＳＬＴＪ一０２８２。 作者简介：刘彩虹，１９８３年生。２００５年毕业于中国石油大学（北京）土木工程专业，现在石油与天然气工程学院就读岩土工程硕士，主要
从事海洋石油工程方面的科研工作。Ｅ—ｍａｉｌ：ｓａｐｐ ｈｉｒｅ＠１６３．ｃｏｒｎ。
摘要：海洋钻井隔水管是连接海底井口与钻井船的重要设备，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，钻井隔水管的力学分析显得越来越重要。利用隔水管的静态挠曲四阶微分方程，应用有限差分 法对隔水管的受力情况进行数值分析，考虑了顶张力和浮力块对隔水管受力状态的影响，编制了相应的应用计算软件。所提 供的力学分析方法及计算程序具有方法简便、计算精度高和运算速度快等特点，能够为深水钻井隔水管设计和校核提供可靠 的理论依据和指导，具有较好的应用价值。
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｒｉｎｅ ｒｉｓｅｒ ｂｅｃｏｍｅｓ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ＵＳｅＳ ｆｏｕｒ—ｏｒｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｅｑｕａｔｉｏｎ，ａｎｄ ａ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ａｆｉｎｉｔｅ—ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｏｐ ｔｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｂｕｏｙａｎｃｙ ｂｌｏｃｋｓ ｏｎ ｔｈｅ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｒｉｓｅｒ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｇ ｄｒａｗｎ ｕｐ．Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｐｒｏｇｒａｍ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｒｅ ｓｉｍｐｌｅ，ａｃｃｕｒａｔｅ ａｎｄ ｆａｓｔ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ．Ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ａｎｄ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｈｅｃｋ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｒｉｎｅ ｒｉｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｐｏｓｓｅｓｓｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ．
乃㈩＝毪≯
矿ｋ丝高产
。（ｔ）一筮望二兰丝！！±鱼丝二兰丝＝！±筮＝！
巧
（Ａｈ）４
将整个隔水管分成凡个微元段，每段长为△＾，
得到（ｎ一１）个差分方程如下
ＥＩ
ｔ ４Ｅｌ
Ｐ
Ｗ、
‘（Ａｈ）ｉｙｙ—ｚ．【五矿＋五矛一蕊Ｊ乃一１＋．
【器＋品川㈨４ＥＩ产＋击＋赫
，鼽，－『＋研＋ｌ＋＋熹：ｂ『２＋厶２：（厶．，（２＿『，：，１“…２一，，ｎ”一１））
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｒｉｓｅｒ ｉｓ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｒｏｍ ｓｕｂｂｏｔｔｏｍ ｗｅｌｌｈｅａｄ ｔｏ ｄｒｉｌｌｓｈｉｐ．Ａｓ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｅｘｐａｎｄ ｔｏ ｍｏｒｅ ｄｅｅｐｅｒ ｗａｔｅｒ ａｒｅｓｓ，ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ａｃｔｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍａｒｉｎｅ ｒｉｓｅｒ ｂｅｃｏｍｅｓ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ．Ａｓ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｄｅｐｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅ
在无实测资料的情况下，对海面下某深度的海 流速度，可采用美国船舶检验局使用的公式Ｍ一刊
”ｔ，。（台）蛔（台）７
（４）
隔水管在名方向运动所引起的非线性流体阻尼 力用Ｍｏｒｉｓｏｎ公式表示为
厶＝÷ｃ妒。ＤＭ ｆⅡｌ＋ｃ护，孚詈（５）
Ｕ＝２警；『 ｅ“＿ｅ’ ｐ”ＣＯＳ（‰Ｌ肮一一埘埘ｗ＿ｔ，）‘阳。１ １ｗ
图２边界条件
２．３下部边界条件的处理
下部边界条件式可以写成
Ｙｏ＝０
（１３）
对于下部边界条件式（７）可作如下考虑：当球
接头的转动刚度Ｋ，不为０时，如图２所示得
ｙ一１＝（后一１），，．
（１４）
２．４差分方程组
式（１０）至（１４）构成了一个完整的差分方程组。 这个差分方程组共有ｎ＋３个方程，再应用迭代法，
ｙ（ｚ）Ｉ，ｏＬ＝Ｓ
（８）
式中，５为浮式钻井装置在水平方向的位移；￡为隔
水管上部球接头的位置。
若球接头的转动刚度Ｋ不为０时，有
ｐ＝丛挚 Ｅ，掣ｆ：ＫｒＯ
＇ｔ．１Ｚ
ｌ：＝Ｌ
（９）
式中，０为转动的角度。
２数值分析法‘９】
２．１基本方程的离散 选用三点中差的差分格式代替一、二阶导数项，
五点中差的差分格式代替四阶导数项。
关键词：钻井隔水管；数值模拟；力学特性
中图分类号：ＴＥ２１
文献标识码：Ａ
Ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｒｉｓｅｒ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｍａｒｉｎｅ ｄｅｅｐ ｗａｔｅｒ
ＬＩＵ Ｃａｉｈｏｎ９１，ＹＡＮＧ Ｊｉｎｌ，ＣＡ０ Ｓｈｉｊｉｎ９２，ＣＡＩ Ｚｈａｎｓｈｅｎ９３
（１．ＭＯＥ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２２４９，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＣｈｉｎａ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｏｉｌｆｉｅｌｄ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ，ＣＮＯＯＣ，Ｂｅｌｌｉｎｇ １０１１４９，Ｃｈｉｎａ；３．ＣＮＯＯＣ，Ｔａｎｇｇｕ ３００４５２，Ｃｈｉｎａ）
万方数据
刘彩虹等：海洋深水钻井隔水管力学特性分析
２９
ｙ（ｚ）Ｉ圳＝０
（６）
设球接头的转动刚度为Ｋ，则可认为隔水管在
该点应产生一定的弯曲变形，故有
肼警Ｉ：Ｋｒ ０
（７）
图１ 海洋钻井隔水管分析模型 １．２基本方程
根据基本假设，隔水管的挠曲微分方程可以写 为‘４３
肼参一Ｐ参一形警叫三， （１）
ｒ（ｚ）＝工＋厶
第３０卷第２期 ２００８年４月
石 油钻 采工艺
ＯＩＬ ＤＲＩＬＬＩＮＧ＆ＰＲＯＤＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
文章编号：１０００－７３９３（２００８）０２—００２８—０４
海洋深水钻井隔水管力学特性分析
Ｖ０１．３０ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２００８
刘彩虹１杨进１曹式敬２蔡战胜３
（１．中国石油大学，北京１０２２４９；２．中国海洋油田服务股份有限公司钻井事业部，北京１０００２７； ３．中国海洋石油基地集团公司，天津塘活３００４５２）
（。，化２，）
Ｋ△＾
，
尼２—１ｒ
３．２顶张力对隔水管横向变形、弯矩和应力的影响 隔水管顶张力对隔水管的受力影响显著（见图