深水无隔水管钻井涡动对钻柱动态响应研究

Riserless drilling technology can effectively solve all sorts of problems cause by using the riser system，shorten the construction cycle and the economic benefit is remarkable.Without riser drilling technology is listed as one of the new technology of the oil industry of the 21st century. But because there is no support of marine riser，the drill string bare in seawater，movement of the upper part of the rig，the marine environment load，drillstring rotation around its own while whirl around the axis and a combination of other factors，it is vulnerable to failure the drill string in sea water. So the project analysis of data collected at the scene，combining with research achievements of drill string mechanics and rotor dynamics science， through analysis the drill string movement form during Riserless Drilling Process and the influence factors of the drill string stress（Speed，Work load，Drilling platform movement，Marine environment load, etc）， to establish dynamic model of drill string transient eddy by Timoshenko beam theory and nonlinear rotor dynamics. We study the relation between vortex motion speed and rotational speed of the drill string to obtain critical speed of drill string losing stability，analyse the effect of vortex on the drill string dynamics characteristic，reveal whirling motion mechanism and the law of separated water pipe string in deep water，and provide theory evidence for separated water pipe drilling string structure designing and analyzing in deep water and the optimization of drilling parameters，and boost the application of riserless drilling technology in the field of oil and gas resources development in deep water in our country.

无隔水管钻井技术有效解决使用隔水管系统引起的各种问题，缩短建井周期，经济效益显著，无隔水管钻井技术被列为石油工业21世纪的一项新技术。但由于无隔水管支撑，钻柱裸露在海水中，其上部钻井平台的运动、海洋环境载荷和钻柱绕自身转动同时绕轴线涡动等因素共同作用，极易导致裸露在海水中钻柱失效。因此本项目分析现场收集数据和结合钻柱力学和转子动力学科学研究成果，通过分析在无隔水管钻井过程中钻柱运动形式和钻柱受力的影响因素（转速、作业载荷、钻井平台运动和海洋环境载荷等），利用Timoshenko梁理论和非线性转子动力学建立钻柱三维瞬态涡动力学模型，研究钻柱转速与涡动速度关系获得钻柱动力失稳时的临界转速，分析涡动对钻柱动力学特性的影响，揭示深水无隔水段管钻柱涡动机理及规律，为深水无隔水管钻井钻柱结构设计和分析、钻井参数优选提供理论依据，推动无隔水管钻井技术在我国深水油气资源开发领域的应用。

油气资源仍然是当今世界各国经济发展的命脉，消耗量依旧在不断增加，随着陆地油气资源逐渐减少，油气资源的开采也逐渐由陆地向海洋甚至深水水域转移。常规的海洋深水钻井都使用了隔水管来连接井口装置和钻井平台，其主要作用是为了隔离海水，引导钻井管柱和套管等进入井口装置，构成钻井液的循环通道等作用。隔水管的使用会导致平台载荷增加，钻井成本提高，隔水管承受的复杂载荷也容易造成结构失效，引发钻井事故。无隔水管钻井技术作为一种新型钻井工艺，直接摆脱了对隔水管的使用，有效地降低了平台要求，提高了海洋深水钻井施工的安全性，钻井作业的成本也可以得到降低。但无隔水管钻井时，由于无隔水管的约束，钻柱在作业载荷、环境载荷、钻井平台运动、钻柱涡动等综合作用下，其运动规律及应力分布等情况都比较复杂，特别是随着水深和转速的增加，涡动对钻柱受力变形影响急剧增加，极易导致钻柱动力失稳破坏。本课题组综合考虑了作业载荷、环境载荷、钻井平台运动等因素共同作用下，因此开展无隔水管钻井涡动对钻柱力学影响研究有重要的意义。课题研究成果为无隔水管钻井技术钻柱优化设计、强度校核、作业参数和钻井参数的优选提供理论基础，为无隔水管技术在我国深水油气资源开发打下坚实理论基础。.(1)在对无隔水管情况下深水弃井水力切割回收井口头时钻柱测试数据分析和钻柱涡动运动学分析基础上，综合考虑涡动、弯曲、剪切变形、旋转惯性、陀螺效应等因素,运用Timoshenko旋转梁理论和非线性转子动力学理论,给出钻柱单元空间运动的一般性描述,通过Hamilton原理建立了弯曲-扭转-轴向三维耦合涡动动力学模型,应用参数摄动方法进行化简；根据内孤立波、mKdV理论、线性波浪理论和涡激载荷理论,采用改进运动柱体的Morison公式确定钻柱顺流向载荷和横向载荷；将平台移动作为动态边界条件引入模型，应用有限元素法（FEM）对建立的模型进行求解。.(2)开发了无隔水管钻井钻柱动力学特性仿真软件分析深水段风浪流载荷、水深、平台运动及转速等对钻柱的涡动轨迹、涡动速度、振动加速度等动力学特性的影响，计算钻柱的临界转速和钻柱任意截面的位移、速度、加速度、应力等特性，掌握钻柱振动的特征和规律及钻柱的受力变形情况。针对我国南海环境特性，保证钻柱安全情况下，给定了不同水深和不同顶部张紧力钻柱的合理转速和平台移动安全作业区间。