立管钻探再入控制研究

With a profound analysis on the advantages and disadvantages of the riser reentry controller designed for the “Chikyu” riser-drilling ship in Japan, this study aims to design a three-dimensional reentry controller based on the newly developed two-dimensional riser-drilling reentry controller at Kyushu University, referring to the applicant’s doctoral study at Kyushu University, the new research developments on the dynamic analyses of a production marine riser and the new control technologies applied in offshore engineering. Firstly, the three-dimensional mathematical model of a cantilevered riser is derived based on Hamilton’s principle in a rigorous way. The coupling effect of in-line drag force (considering in-line VIV effect) and lift force at different boundary conditions are explored and the three-dimensional dynamic analyses of a cantilevered marine riser are undertaken by numerical simulations and experiments in the circulation channel. Secondly, this study will design a reentry controller based on the LQI (Linear Quadratic with Integral) or LPV (Linear Parameter Varying) technology. The designed controller can be tested in the block-diagram using MATLAB\Simulation and the riser-drilling reentry operation experiment can be conducted by Virtual Reality Technique. Finally, the controller would be verified and evaluated by the experiments in the circulation channel. This study would be of great significance to build our first riser-drilling ship in China in the future.

本项目拟以申请人在日本九州大学博士课程研究为基础，通过分析日本“地球号”立管钻探船再入控制器的优势和局限，同时参考深海立管动态特性和海洋工程领域控制技术最新研究进展，基于九州大学最新研发的二维再入控制器，开展立管钻探三维再入控制研究。首先基于汉密尔顿原理严格推导悬臂立管三维运动方程。通过数值分析和模型实验探究拖曳力(考虑顺流涡激效应) 和横流升力在不同边界条件下的耦合关系，完成悬臂立管的三维动态特性分析。然后，基于LQI ( Linear Quadratic with Integral ) 或 LPV ( Linear Parameter Varying ) 技术研发三维再入控制器。通过MATLAB/Simulink 框图测试控制器，并利用虚拟现实技术完成钻井立管再入作业虚拟实验。最后，通过在循环水槽的模型实验完成对控制器性能的测试和评估。本研究将对我国未来建造首艘立管钻探船有重要意义。

本项目主要研究成果汇报如下：（1）在涡激振动仿真计算中，当弯曲应力相对于张力作用占主导时，横向振动结构非线性效应可显著减小振动幅值并可改变主振模态。立管轴向振动耦合作用可缓解横向结构非线性效应。（2）海洋立管在正常作业工况下，内流离心力可通过减小有效张力影响系统固有频率,从而改变涡激振动主振模态及频率，同时在内流超临界区成功预测到屈曲-颤振耦合失稳现象。（3）海洋立管在脱离工况下，内流通过减小系统固有频率从而改变涡激振动主振模态及频率。同时立管可通过开口流损失或获取能量，当内流速度较小时，可通过内流损失能量而抑制涡激振动。当内流超过一临界速度时，系统可从内流中不断吸收能量而失稳。临界流速取决于洋流速度和主振模态。（4）海洋立管在泄漏工况下引入泄漏流非保守内流效应，在内流亚临界区可通过泄漏流失去能量而改善稳定性，在超临界区可因泄漏流效应成为稳定系统。当泄漏流速超过某临界值时，系统在亚临界区可丧失稳定性。（5）在立管参激振动中，内流离心力通过减小系统固有频率而增加一阶不稳定区。内流科氏力通过阻尼作用减小一阶不稳定区，同时通过增加模态耦合作用扩大多模态耦合不稳定区。（6）海洋立管紧急脱离动态特性分析及优化设计控制系统时，必须考虑顶端平台和管内泄流柱对反冲立管的共同耦合作用。同时指出挪威科技大学提出的“SFM”模型与中国石油大学提出的“WFCM”模型都必须反馈立管瞬时动态响应。（7）基于控制理论研发立管紧急脱离反冲控制系统和再入控制系统，并利用MATLAB\Simulation完成仿真测试，同时已初步完成模型试验测试，正在处理相关试验数据，研究成果即将发表。本研究成果对发展内外流耦合基础理论有重要学术价值，亦可为深海钻井立管系统设计和安全作业提供理论依据和技术支撑。