深水顺应式垂直通路立管总体响应特性及优化设计研究

Riser is the only key structure connecting the offshore floating facilities and underwater production system, so its application in deep water is more challenging and require for novel marine riser concept. Compliant vertical access riser (CVAR) is currently at the research stage. The compliance can compensate the floating platform motion, and because of its vertical connection to the wells, it can perform various operations on the well from the floating platform, to achieve the purpose of reducing costs. But the study on CVAR in our country is still at the initial stage. Based on the environmental conditions of the South China Sea, this project will use flexible slender rod model to simulate CVAR, and then establish CVAR 3D nonlinear Euler equation. To study the overall response characteristics and stability of CVAR, nonlinear dynamics, hydrodynamics and finite element method are applied, and at the same time the experiment will be conducted to verify the numeric simulation, accordingly the failure mode and failure mechanism of CVAR will be revealed. Through the optimization design theory, the design parameters of CVAR will be optimized, providing reference basis for engineering design and scientific research for the South China Sea deepwater and ultra deepwater oil and gas exploitation.

海洋立管是连接海上浮式设施与水下生产系统的唯一关键结构，其在超深水海域的应用具有独特的挑战性，并需要新颖的海洋立管概念。顺应式垂直通路立管(CVAR)是目前处于研究阶段的立管类型，其顺应性可以补偿浮式平台的运动，又由于其是垂直连接油井，因此可以从浮式平台上执行对油井的多种操作，以达到降低成本的目的，但是我国对CVAR的研究目前处于起步阶段。本项目将基于我国南海深水及超深水海域环境条件，采用细长柔性杆模型模拟CVAR，建立CVAR三维非线性欧拉方程，应用非线性力学、水动力学及有限元法研究CVAR总体响应特性及稳定性，同时采用实验手段对数值模拟进行对比验证，从而揭示复杂荷载作用下CVAR破坏机理及失效模式，然后以安全性和经济性为优化目标，通过优化设计理论，对CVAR各设计参数进行优化，为南海深水及超深水油气开发中立管的工程设计和科学研究提供参考依据。

海洋立管是连接海上浮式设施与水下生产系统的唯一关键结构，其在超深水海域的应用具有独特的挑战性，并需要新颖的海洋立管概念。顺应式垂直通路立管(CVAR)是目前处于研究阶段的立管类型，其顺应性可以补偿浮式平台的运动，又由于其是垂直连接油井，因此可以从浮式平台上执行对油井的多种操作，以达到降低成本的目的，但是我国对CVAR的研究目前处于起步阶段。本项目基于我国南海深水及超深水海域环境条件，采用细长柔性杆模型模拟CVAR，建立CVAR三维非线性欧拉方程，应用非线性力学、水动力学及有限元法研究CVAR总体响应特性及稳定性，同时采用实验手段对数值模拟进行对比验证，从而揭示复杂荷载作用下CVAR破坏机理及失效模式，然后通过优化设计理论，对CVAR各设计参数进行优化。研究结果表明：CVAR浮力块区域属于高应力区，海流和浮式平台的偏移对立管的几何位形和应力影响显著；不同作业工况下的内流密度对CVAR几何构型影响较大，内流流速的增加使得有效张力损失，易激发深水立管的高阶模态振动；上部平台位置对立管构型及整体动力响应影响较大，相较于远端和近端情况，平台平衡位置最为安全，其整体的米塞斯应力和弯矩都较小；波浪对CVAR的影响较大且多体现于平台处和过渡区域，过渡段的存在提供了极好的缓冲带；CVAR各不稳定区主要为一阶不稳定区和二阶不稳定区，阻尼的存在会使立管的不稳定区域上移；立管参数经过优化之后，应力分布相对优化前更加均匀，立管的最大应力得到明显改善。该项目的研究成果可为南海深水及超深水油气开发中立管的工程设计和科学研究提供参考依据。