深水钻井隔水管-导（套）管力学特性研究与水下井口稳定性分析

In deepwater drilling, complex marine environment, weak shallow and seismic wave easily bring about the lateral deviation, bending deformation on riser, subsea wellhead, conductor and casings, which lead to fatigue and fracture of pipe body, abrasion of joint and hinge, as well as deviation and collapse of subsea wellhead. A new method, which is different from normal analyzing methods, is proposed in this research that considers the riser, subsea wellhead and conductor as a whole string system, and a whole differential equation with four order is established to analyze static performance and lateral/vertical dynamic performance of the whole string system, meanwhile experiments and FEM software are conducted to verify the results. In the research, a serious of factors, such as drilling platform movements, different combinations of waves and currents, drilling fluid motions in riser, subsea wellhead weights, conductor-soil dynamic coupling and seismic wave, are taken into account. Based on the model and calculation method in this research, the optimization of deepwater drilling string system and professional software can be developed efficiently; moreover, the method of integral analysis, stability analysis based on conductor-soil interaction and seismic wave, as well as recoil response analysis method after emergency disconnection have innovative and practical values.

深水钻井中，由于海洋水动力环境复杂，海底浅部地层强度低，并可能受到海底地震的影响，隔水管、水下井口、导管和表层套管容易发生横向偏移和弯曲变形、水平和纵向动态响应，导致管体疲劳和断裂、接头和球铰磨损失效、水下井口倾斜下陷等复杂问题。本课题不同于通常分别计算隔水管力学性能和水下井口稳定性，而是将隔水管、水下井口-导（套）管作为一个整体，研究整个管柱系统的静态性能以及横向、纵向动态性能，建立整体计算模型和数值求解方法，并采用试验和软件模拟进行验证。本研究考虑了钻井平台运动、不同波流力的组合作用、管内流体流动、水下井口重量、海底浅层管土动态耦合作用、海底地震等因素对管柱系统静态和动态性能的影响。本课题开发的模型和数值计算方法对于优化深水钻井管柱系统设计、开发专门软件具有参考价值；管柱系统整体计算方法、考虑管土动态耦合作用和地震作用的水下井口稳定性分析方法、紧急脱离后的反冲响应分析方法具有创新意义。

本项目针对复杂海洋环境对隔水管钻井系统的影响及潜在危害，将隔水管、水下井口-导（套）管作为一个整体，研究整个管柱系统的静态性能以及横向、纵向动态性能，建立整体计算模型和数值求解方法，并采用试验和软件模拟进行验证。项目的主要研究内容及结论包括：.（1）设计并进行了水下井口-浅层管动态模拟试验，对试验井口加速度和浅层管柱的应变进行测量，根据试验结果得出：井口质量、地震的频率、振幅越大，井口加速度、管柱应变越大，系统稳定性越差；土质越疏松，系统越容易失稳；地震弱化后的土层会使系统更加不稳定。.（2）建立了考虑系统质量力水平分量做虚功的水下井口-浅层管柱动态性能模型，实例分析得出考虑系统质量力做虚功的计算结果与试验值更吻合。不均质土层交界处的弯矩和剪力较大。.（3）提出了考虑海洋内孤立波效应影响的海底土层弱化模型，提出弱化后土层性质改变对地震动加速度影响的计算方法。实例分析得出海洋内孤立波对土体孔隙水压力的影响所占比例在总的8%~10%左右，地层的弱化程度越大，地震加速度变化率的改变量越大。.（4）首先忽略井口-浅层管柱顶部动态力作用，基于Winkler梁模型，建立地震作用下深水水下井口-浅层管柱动态模型。得出地震和井口动态力共同作用下的井口-浅层管柱的横向位移、偏移角度。.（5）建立了考虑非均匀海流、表面波、内孤立波和钻井平台运动的深水钻井隔水管准静态分析方法和动态分析方法。实例计算表明：内孤立波可，使上层海水中的管体受力和变形幅度显著增大；内孤立波的波幅越大、上下两层海水的密度差异越大，内孤立波对钻井隔水管的性能影响越剧烈。.（6）系统总结了钻井隔水管紧急脱离的原因、脱离程序和脱离后的反冲响应过程；建立了两种新的模拟紧急脱离后钻井液从隔水管中下泄的计算方法并开发了MATLAB程序，为反冲响应提供了流速、摩阻力、液柱质量和压力等时变的数据；基于DeepRiser软件对深水钻井隔水管紧急脱离后的反冲响应进行了模拟计算。