深水钻井隔水管系统疲劳可靠性分析

论文摘要

陆上石油开采逐渐趋于紧张,石油勘探开发向海洋进军已成当务之急。海洋浅水区域油气开采已有相当长的时间,但此区域油气含量相对较低,已不能满足现代社会对油气资源的巨大需求量。而海洋深水区域蕴涵着丰富的油气资源,因此开采深水区域油气资源迫在眉睫。深水特殊环境给海洋钻井作业带来了诸多挑战,波浪、海流引起的钻井隔水管疲劳破坏是其中的关键问题之一,为了保证深水钻井作业安全、顺利地进行,就应对深水钻井隔水管系统的疲劳可靠性进行详细分析。本文结合国家高技术研究发展计划（863计划）海洋技术领域“南海深水油气勘探开发关键技术及装备”重大项目课题:深水钻完井关键技术-深水隔水管及井口技术,对深水钻井隔水管系统的疲劳可靠性进行研究。本文建立了深水钻井隔水管结构的有限元模型,以频域谱分析法求解深水钻井隔水管波致疲劳载荷谱,研究了随机波浪载荷下深水钻井隔水管结构的疲劳可靠性,并基于对隔水管波致疲劳可靠性的研究,对影响隔水管波致疲劳可靠性的各因素进行了参数敏感性分析。基于模态叠加结合有限元模拟求解深水钻井隔水管涡激振动疲劳载荷总应力参数,研究了海流参数、结构参数等对深水钻井隔水管结构涡激振动疲劳可靠度的影响规律,可为深水钻井作业提供参考。建立了隔水管接头的三维有限元模型,并根据国际通用标准提出了接头有限元计算结果的评价方法,可为隔水管接头的选型提供参考和依据。并在隔水管接头有限元计算的基础上研究了其疲劳可靠度。最后,在时域内通过对隔水管系统进行动态波浪载荷分析,评估其波致系统疲劳可靠度。深水钻井隔水管系统涡致疲劳可靠度相对波致疲劳可靠度占主导地位。从系统疲劳可靠度的角度展开对深水钻井隔水管系统的优化研究,对优化方案进行优选,确定深水钻井隔水管系统疲劳可靠度最优化的措施。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外隔水管系统研究进展
• 1.2.1 深水钻井隔水管系统结构形式及其特点
• 1.2.2 隔水管系统国内外研究进展
• 1.3 论文的研究内容及技术路线
• 第二章 随机波浪载荷作用下钻井隔水管疲劳可靠性分析
• 2.1 随机波浪
• 2.1.1 随机波浪波高分布特征
• 2.1.2 随机海洋波浪的谱特性
• 2.1.3 波浪疲劳环境分析
• 2.2 钻井隔水管波致疲劳载荷
• 2.2.1 隔水管波致疲劳载荷分布模型
• 2.2.2 隔水管波致疲劳载荷传递函数及载荷谱求解
• 2.3 钻井隔水管疲劳强度的概率模型
• 2.3.1 疲劳强度概述
• 2.3.2 疲劳寿命的对数正态分布模型
• 2.3.3 钻井隔水管疲劳可靠性分析用S-N 曲线
• 2.4 钻井隔水管波致疲劳可靠性分析
• 2.4.1 钻井隔水管疲劳可靠性模型建立
• 2.4.2 钻井隔水管疲劳可靠性分析
• 2.4.3 钻井隔水管疲劳可靠度计算及参数敏感性分析
• 第三章 钻井隔水管涡致疲劳可靠性分析
• 3.1 概述
• 3.2 涡激振动的基础模型及分析软件
• 3.2.1 旋涡的形成和泄放
• 3.2.2 涡激振动激励载荷
• 3.2.3 涡激振动研究方法及工程分析软件
• 3.3 深水钻井隔水管VIV 疲劳可靠性分析
• 3.3.1 深水钻井隔水管疲劳寿命简化计算
• 3.3.2 隔水管VIV 疲劳可靠性分析
• 3.4 钻井隔水管VIV 疲劳可靠度参数敏感性分析
• 3.4.1 顶张力敏感性分析
• 3.4.2 流剖面敏感性分析
• 3.4.3 外径敏感性分析
• 3.4.4 壁厚敏感性分析
• 3.4.5 内部钻井液密度敏感性分析
• 第四章 钻井隔水管系统接头结构疲劳可靠性研究
• 4.1 概述
• 4.2 隔水管接头有限元模型建立
• 4.2.1 常用的几种接头
• 4.2.2 隔水管接头故障诱因
• 4.2.3 法兰式隔水管接头有限元模型
• 4.3 隔水管接头有限元计算结果评估
• 4.3.1 接头设计载荷
• 4.3.2 接头约束载荷及求解过程
• 4.3.3 隔水管接头应力评估
• 4.4 隔水管接头疲劳可靠性评估
• 第五章 钻井隔水管系统疲劳可靠性研究
• 5.1 结构系统可靠性
• 5.1.1 概述
• 5.1.2 基本结构系统
• 5.1.3 结构系统可靠度计算方法
• 5.2 隔水管系统疲劳可靠性分析
• 5.2.1 深水钻井隔水管系统特征
• 5.2.2 深水钻井隔水管系统整体疲劳可靠度研究
• 5.3 隔水管系统疲劳可靠性优化研究
• 5.3.1 概述
• 5.3.2 隔水管系统疲劳可靠度优化研究
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢