新型深海钻井装置水动力特性研究

论文摘要

石油作为目前世界能源供给的主要来源,已成为推动国家经济发展的重要战略资源。近年来,随着人类开发海洋油气规模的不断扩大,浅海油气资源的开发已日渐饱和,世界各国已纷纷将目光投向深水海域。而我国南海石油资源丰富,已成为我国海洋石油开发的希望。水中井口技术是国际海洋工程界最新发展的深海钻井技术,该新型深海钻井装置(Artificial Buoyant Seabed,简称ABS)的有关技术和设计尚处于不断探索和改良阶段。这既是我国赶上海洋科技发达国家的机遇,也是科研实力与技术的巨大挑战。本文第一部分主要介绍了水动力性能研究的基本理论和方法。首先介绍了钝体绕流的流场特性和流固耦合问题,包括流固耦合时的“锁定”现象和不同的旋涡脱落模式。接下来介绍了平台在波浪上的运动理论和湍流理论,包括线性波理论、频域分析方法和湍流模型等。最后介绍了动网格方法及UDF,用于运动物体数值模拟的网格更新和自定义功能。本文第二部分分别对ABS和钻井平台诱导运动下ABS系统的水动力性能进行研究。对ABS进行分析时,分别进行了2维和3维模型固定绕流与流致运动的数值模拟,对不同流速,不同来流方向下ABS受力情况及旋涡脱落模式进行了对比,并对流致运动情况下ABS所受升力进行谱分析。对ABS系统进行分析时,首先应用Sesam软件计算了不同频率规则波作用下锚泊钻井平台的运动,然后考虑该运动对ABS系统的诱导运动,对ABS系统进行水动力分析和关键节点强度分析。本文第三部分主要介绍了钻井平台与ABS系统联合物理模型的试验研究。从模型水动力试验的发展历程说起,介绍了模型试验的作用和国内外海洋工程水池概况。简要介绍了模型缩尺比的选取、深海平台模型试验中的混合模型试验技术、海洋环境条件的模拟以及测量仪器与采集系统等,并根据海洋环境条件设计试验工况。最后,对试验结果进行分析,包括钻井平台在波浪上的运动传递函数和ABS系统的受力情况,并与数值模拟结果进行对比,完善数值预报方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 海洋石油勘探开发
• 1.2.2 立管系统水动力性能
• 1.3 本文的研究内容和方法
• 第二章 数值分析方法及理论
• 2.1 钝体绕流
• 2.1.1 流场特性
• 2.1.2 流固耦合问题
• 2.2 钻井平台在波浪上的运动
• 2.2.1 线性波理论
• 2.2.2 船舶在波浪上的运动理论
• 2.3 湍流理论
• 2.3.1 湍流的描述
• 2.3.2 数值模拟方法
• 2.3.3 k-ε两方程模型
• 2.3.4 大涡模拟
• 2.4 动网格方法及UDF
• 第三章 ABS绕流流场特性研究
• 3.1 ABS系统基本特征
• 3.2 CFD建模
• 3.2.1 二维（two dimensional）模型
• 3.2.2 三维（three dimensional）模型
• 3.3 固定绕流计算
• 3.3.1 CFD基准计算
• 3.3.2 工况计算
• 3.4 流致运动计算
• 3.5 本章小结
• 第四章 钻井平台诱导运动下ABS系统水动力特性研究
• 4.1 平台在波浪作用下的六自由度运动
• 4.1.1 钻井平台及规则波参数
• 4.1.2 幅值响应算子及运动响应
• 4.2 诱导运动下ABS系统水动力计算
• 4.2.1 均匀流
• 4.2.2 剪切流
• 4.3 本章小结
• 第五章 钻井平台与ABS系统联合物理模型试验研究
• 5.1 模型水动力试验发展历程
• 5.2 试验装置
• 5.2.1 相似理论简介
• 5.2.2 钻井平台及系泊系统模型与ABS系统模型
• 5.2.3 测量仪器及采集系统
• 5.3 试验工况
• 5.3.1 海洋环境条件
• 5.3.2 工况设计
• 5.4 试验结果分析
• 5.4.1 钻井平台在波浪上运动的幅值响应算子
• 5.4.2 ABS系统水动力分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文研究工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间发表学术论文情况