深水钻井隔水管在平台升沉运动下的参激振动响应分析

建立了深水钻井隔水管在平台升沉运动作用下的参激振动控制方程;利用振型叠加法将控制方程转化成马蒂厄方程形式,并用摄动法对马蒂厄方程进行求解;考虑海水的阻尼作用,得到了隔水管参激振动的马蒂厄不稳定区。最后对参激振动方程进行了实例求解,得到了参激振动下的隔水管位移,并在此基础上对参激振动的稳定性及隔水管强度进行了分析。结果表明:在给定的平台升沉周期与升沉振幅条件下,隔水管外径、壁厚、顶张力的变化均有可能引发隔水管产生参激共振;在不产生参激共振的情况下,隔水管Mises应力随隔水管外径与壁厚的增大而减小,随顶张力与升沉补偿装置轴向刚度系数的增大而增大;最大Mises应力均出现在隔水管顶部,沿水深近似成线性分布。     

全尺寸隔水管在复杂应力状态下的力学特性试验研究

为对隔水管在复杂应力状态下的力学特性进行试验研究,研制了能够模拟高液压环境下管柱力学行为的特殊试验装置——深水管柱力学模拟试验系统,并借助该系统对全尺寸隔水管在受内外压条件下进行了力学特性模拟试验。结果表明:试验系统运行良好,能够有效地按照要求进行加载、卸载。试验中通过对隔水管试件进行内外压加载,同时对系统两端的轴向活塞加压,消除了由于内外压产生的轴向力,实现了在内外压条件下的隔水管力学特性模拟试验。通过在管柱外壁粘贴电阻应变片,得到了其真实径向应变与环向应变随内外压变化的关系曲线,并通过分析计算得到了试件的真实应力状态。由于隔水管加工制造等方面的误差,真实的应变数据、应力状态与理论推导结果并不重合。为了提高深水作业的安全性与经济性,可以借用试验结果对理论推导值进行修正,也说明了用试验方法进行隔水管力学特性研究的重要性。该试验系统为深水作业管柱等的模拟试验提供了一个良好的平台,能够有效降低深水钻采作业的风险,提高深水钻采作业的经济性与安全性,具有较高的推广应用价值。     

橡胶套筒对非均匀地应力下固井水泥环受力的影响分析

针对固井水泥环密封失效引起的环空气窜问题,本文提出了在套管外部安装一层橡胶套筒的方案,利用橡胶材料的超弹性能缓解水泥环的受力变形。建立了非均匀地应力和套管内压作用下的套管-橡胶套筒-水泥环-地层力学特性分析的有限元模型,研究了水泥环内壁的受力变形和等效塑性应变,分析了橡胶套筒材料属性对水泥环受力变形的影响。结果表明:当套管内压为90MPa时,无橡胶套筒条件下水泥环内壁的等效塑性应变为5.36×10^-2,套管的最大Von-Mises应力为525.2MPa,有橡胶套筒时(橡胶套筒厚度为6mm)水泥环内壁的等效塑性应变为7.63×10^-5,套管的最大Von-Mises应力为772.8MPa;橡胶套筒大幅缓解了水泥环的塑性变形,但对其受力状态不利;要使橡胶套筒对水泥环的等效塑性应变起到较好的改善作用,其厚度应大于3mm,硬度应大于85。研究结果对环空带压的预防和控制具有参考价值。     

深水钢悬链线立管疲劳寿命计算方法

基于悬链线理论及立管与海床接触模型,建立了一种估算立管疲劳寿命的方法,模型中考虑了深水浮式平台运动过程中立管悬链线形状的变化及触地区域海床接触刚度大小对疲劳寿命的影响。分析表明:浮式平台的运动会引起立管悬链线形状的改变以及立管内部应力的重新分布,这是引起立管疲劳损坏的主要原因;随着海床土体刚度的增大,立管疲劳寿命逐渐降低,为了获得准确的立管寿命,有必要对海底土体进行更为全面细致的研究。通过与现有分析方法比较,本方法具有计算方便快捷,结果可靠等优点。研究可为钢悬链线立管的设计分析提供一定的参考。     

套管-水泥环-地层多层组合系统受力特性分析

以弹性力学为基础,对套管-水泥环-地层多层组合系统在理想固井状况下受非均匀地应力和均匀内压时的受载特性进行了分析;并依据接触条件和连续条件建立了相应的线性代数方程组,得到了套管-水泥环-地层多层组合系统应力分布的解析解;研究了水泥环厚度、弹性模量、泊松比、套管层数变化对最内层套管外壁径向应力分布规律的影响,并讨论了上述因素对最内层套管外壁径向应力最大值及应力分布非均匀系数的影响。结果表明:上述因素对最内层套管外壁径向应力的分布均有影响;对于具体问题,应综合考虑组合系统的几何、力学参数确定上述参数的最优值。本文研究可为复杂地层套管柱设计及多层复合材料的抗外挤问题提供参考。