深水钻井隔水管垂直系统结构原理、受力分析和优化设计

The deep water drilling riser vertical system[the concept is authorized as an invention patent] is used to reduce the bending, vibration of the riser and the wear between the riser and the drill string. In the marine deep water drilling system, the riser is one of the important components, is also a weak one of the vulnerable components. It is the key facility connecting the platform or the drilling ship, and the subsea wellhead. It is affected by the complicated sea condition and the various factors of drilling engineering. The drill string moving within the riser, will wear each other. The riser will make bending vibration under actions of internal fluid and the drill string and the external environment load. If the natural vibration frequency of the riser is close to the frequency of the external load, it may lead to resonance, causing the destruction of the riser, and even causing serious secondary disasters. This project research and design a riser vertical system which may make the riser vertical under marine deep water drilling condition and perfects riser mechanical analysis theory. Mainly including: (1) mechanical analysis of the riser under the effect of ocean current and wave; (2) the interaction between the drill string and the riser; (3) the deep water drilling riser vertical system structure design, strength check, mechanical analysis and motion simulation, optimization design and simulation experiment under the action of wave and current, improvement of the connecting method of the riser with the conductor pipe.

深水钻井隔水管垂直系统[概念已获发明授权专利]用于减小隔水管的弯曲、振动和与钻柱的相互磨损。在深水钻井系统中，隔水管是重要的组成部分之一，也是薄弱易损的构件之一，是连接平台或钻井船和水下井口的关键设施，其在水下既受到复杂海况的影响，也受到各种钻井工程因素的作用。钻柱在隔水管内运动，会互相磨损；隔水管在内部流体与钻柱和外部环境载荷的作用下会发生弯曲振动，若自振频率和外载荷的频率接近，还可能引起共振，造成隔水管的破坏，不仅工程遭受损失，而且可能造成严重的次生灾害。本项目研究并设计一种在海洋深水钻井工况下能使隔水管保持垂直的隔水管垂直系统，并在此基础上完善隔水管受力和变形方面的理论。主要包含：（1）在海流和波浪作用下隔水管的受力和变形规律；（2）钻柱与隔水管的相互作用；（3）深水钻井隔水管垂直系统结构设计、强度校核、在波浪和海流作用下的受力和运动的仿真、优化设计、模拟实验及与导管连接方式的改进。

在深水钻井中，为减小隔水管柱在海流波浪作用下的弯曲变形以减少其与钻柱的摩擦磨损，研究和设计了能使隔水管柱在海洋载荷下实时保持近似垂直的隔水管垂直系统，并对隔水管柱的三维静动力学特性进行了研究。分析了隔水管柱在海流、波浪、内孤立波作用下的三维静动力学特性：在海流和线性波浪作用下，隔水管柱的轴向变形较小，但在管柱顶部力学特性及其相关的研究中应加以考虑；隔水管柱顶端水平偏移量越大其整体弯矩值越大，管柱下部转角大小相对上部越大；在线性波浪作用下管柱张力变化较小，线性波浪与海流方向垂直时，隔水管柱在海流方向平面内依然有小幅振动，且管柱垂向振动响应幅值较线性波与海流同向时要小；在内孤立波作用下，隔水管柱的各向位移以及张力、转角、弯矩响应幅值均较大，且浮力块对各项参数响应的影响较为显著。对隔水管垂直系统进行了模拟实验、结构优化、静动力学分析：通过实验模拟和相关动静力学分析验证了隔水管垂直系统的可行性和有效性；隔水管柱底部不采用挠性接头而采用直插式设计时，管柱与钻柱的摩擦磨损相对较小。结合相关仿生学研究，设计了羽翼形隔水管涡激振动抑制装置，并进行了模拟实验分析：一定规格的柔性飘带结构能抑制隔水管的涡激振动；结构的尾缘外形对其涡激振动有明显影响；尾缘锯齿形飘带能使旋涡的产生滞后，从而抑制管柱涡激振动。上述研究提供和验证了一种减少隔水管柱弯曲变形和振动的方案，可为深水钻井隔水管柱的工程实际和相关力学研究提供参考。.主要成果：（1）获评“河北省优秀科技工作者”1人次；入选2019年度“领跑者5000——中国精品科技期刊顶尖论文”（F5000项目）1篇。（2）国内中文刊物发表论文11篇，国际英文刊物发表论文9篇，其中SCI收录5篇，EI收录12篇。（3）授权发明专利8项。（4）国内学术会议分组报告13次，国际学术会议分组报告2次。（5）培养在读博士研究生2名，培养毕业硕士研究生7名。