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海洋深水钻井隔水管系统分析

作　者: 周俊昌
导　师: 罗平亚；陈平
学　校: 西南石油学院
专　业: 石油与天然气工程
关键词: 海洋深水钻井隔水管
分类号: TE951
类　型: 博士论文
年　份: 2001年
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内容摘要

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。因此，深海油井是决定石油工业前途的关键所在。但是水深却是制约海洋油气钻井的关键因素。对于海洋深水钻井而言，与钻井工程关系密切的问题之一是隔水管问题。由于钻井环境条件随水深的增加变得更加复杂，隔水管柱的受力状态更加恶劣和复杂，因此深水钻井隔水管系统的受力分析是一个至关重要的研究课题。本文在系统调研国内外海洋深水钻井的现状和技术水平，尤其是隔水管系统的技术现状和对存在的问题进行了分析和研究的基础上运用非线性有限元等理论对隔水管进行了系统的分析研究，提出了为我国今后开展深水钻井可采用的隔水管分析设计和使用思路和方法。本文运用有关流体力学理论、波动理论及相关的分析方法对海洋深水钻井的环境载荷，包括海流力、波浪力进行了分析和研究，为分析隔水管的变形、强度时，确定外界环境载荷提供了依据和基础。本文建立了海洋深水钻井隔水管三维非线性有限元力学模型，对海洋深水钻井隔水管进行三维静力学分析和三维动力学分析。分析主要包括隔水管的变形、弯曲载荷、隔水管振型和频率以及动态位移、动态应力等。在上述所有的分析和研究中，考了隔水管在外载作用下的小应变大变形和轴向力影响的特点，引入了非线性理论。因此分析结果更加符合实际情况。本文所计算的结果与美国石油学会API有关公报有很好的吻合度。本文对制约海洋深水钻井隔水管施工作业的一些重要因素进行了评价分析，主要分析了隔水管系统的顶部张力、底部球接头角度、隔水管浮力块、水深以及海洋环境载荷(海流速度、海浪周期、浪高、暗流速度及方向等)对隔水管变形和强度的影响。提出了可用于我国今后开展深水钻井隔水管分析设计和使用的理论和方法。本文研究所得到的结果可用于指导深水钻井隔水管的正确设计和使用。

全文目录

摘要  7-10
第1章绪论  10-44
  1．1 问题的提出及研究的目的和意义  10-13
  1．2 国内外研究现状  13-41
    1．2．1 世界海洋石油资源勘探开发状况  13-19
    1．2．2 世界海洋石油勘探开发技术的发展方向  19-20
    1．2．3 我国海洋石油勘探开发现状  20-22
    1．2．4 海洋钻井发展概况  22-26
    1．2．5 深水钻井现状及水平  26-33
    1．2．6 目前深水钻井存在的主要问题与对策  33-41
  1．3 研究的技术思路、研究内容和创新点  41-44
    1．3．1 研究思路  41-42
    1．3．2 研究的主要内容  42-43
    1．3．3 本文的主要创新点  43-44
第2章深水钻井隔水管所受的环境载荷研究  44-63
  2．1 海流力载荷  44-54
    2．1．1 海流的种类及基本特征  44-48
    2．1．2 海流力的计算  48-54
  2．2 海浪力的计算  54-63
    2．2．1 线性波理论的基本原理与方法  54-61
    2．2．2 惯性系数  61-63
第3章海洋深水钻井隔水管三维静态分析  63-85
  3．1 隔水管三维静态分析的有限单元法研究  64-81
    3．1．1 形状函数  64-69
    3．1．2 应变矩阵  69-71
    3．1．3 应力及弹性矩阵  71-72
    3．1．4 非线性三维元的切线刚度矩阵  72-76
    3．1．5 等效节点力  76-78
    3．1．6 坐标转换  78-81
  3．2 钻井隔水管三维静态分析基本步骤  81-82
  3．3 隔水管所需浮力及浮力块数量的决定  82-85
    3．3．1 隔水管所需浮力的计算  82-83
    3．3．2 浮力块数量的确定  83-84
    3．3．3 浮力块的隔水管长度的确定  84-85
第4章海洋身深水钻井隔水管三维动力学分析  85-98
  4．1 海洋身深水钻井隔水管三维动力学分析的有限单元法  86-94
    4．1．1 离散体的运动微分方程  86-88
    4．1．2 质量矩阵和阻尼矩阵  88-90
    4．1．3 求解结构动力特征值问题  90-92
    4．1．4 求解特征值的雅可比法  92-94
    4．1．5 轴向力对隔水管动力特性的影响  94
  4．2 海洋身深水钻井隔水管动应力研究  94-98
    4．2．1 海洋身深水钻井隔水管动应力求解方法  94-96
    4．2．2 主应力的计算  96-98
第5章海洋深水钻井隔水管变形及载荷计算分析  98-131
  5．1 隔水管变形及载荷分布规律计算分析  98-103
  5．2 海洋环境载荷对隔水管受力的影响分析  103-111
    5．2．1 风浪流速度对隔水管弯曲强度的影响  103-106
    5．2．2 波浪周期对隔水管弯曲强度的影响  106-108
    5．2．3 波浪高度对隔水管受力的影响  108-111
  5．3 顶部张力对隔水管变形和载荷的影响  111-113
  5．4 暗流速度及方向对弯曲载荷的影响  113-124
  5．5 浮力块的隔水管受力影响  124-127
  5．6 外载对隔水管底部球铰转角大小的影响  127
  5．7 深水隔水管动力特性分析  127-131
结论及建议  131-132
致谢  132-133
参考文献  133-135

海洋深水钻井隔水管系统分析

内容摘要

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