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基于模型预测控制的深海钻井立管再入井仿真分析

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上海交通大学学报 2023年第11期57卷 1389-1399页

作者：张晨宇孟帅上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240

海洋立管在钻井作业时一旦遇到恶劣天气须将底端总成和防喷器断开,待天气好转需重新连接称为再入井作业.深海区钻井立管发生断开的概率大幅增加,为适应多变的海况需要快速完成再入井过程.提出基于模型预测控制(MPC)再入井控制系统;基于... 详细信息

海洋立管在钻井作业时一旦遇到恶劣天气须将底端总成和防喷器断开,待天气好转需重新连接称为再入井作业.深海区钻井立管发生断开的概率大幅增加,为适应多变的海况需要快速完成再入井过程.提出基于模型预测控制(MPC)再入井控制系统;基于哈密顿原理建立悬挂立管分析模型,设计优化函数及约束项,构建非线性扰动观测器实现洋流力模型误差和洋流速度扰动补偿,与传统比例-积分-微分(PID)控制作业进行仿真比较.MPC系统作用下,母船迅速响应,立管能快速稳定完成再入井作业,较好处理洋流力模型误差,并在洋流速度扰动下具有良好鲁棒性.立管由于长径比大幅增加导致柔性显著增强,在母船及海洋环境力激励下,悬挂立管在快速再入井过程中高阶模态可能被激发.

关键词：钻井立管再入井作业哈密顿原理伽辽金法模型预测控制

钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究

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中国海洋大学学报（自然科学版） 2023年第10期53卷 63-73页

作者：李效民柳润波顾洪禄李福恒郭海燕中国海洋大学工程学院山东青岛266100

为研究海流作用下钻井立管在下放安装过程中的涡激振动(Vortex-induced vibration,VIV)响应特性,本文基于光纤光栅应变传感器技术,考虑立管下部组件(Lower marine risers package,LMRP)设计制作了多种钻井模型立管,对其下放安装过程中... 详细信息

为研究海流作用下钻井立管在下放安装过程中的涡激振动(Vortex-induced vibration,VIV)响应特性,本文基于光纤光栅应变传感器技术,考虑立管下部组件(Lower marine risers package,LMRP)设计制作了多种钻井模型立管,对其下放安装过程中自由悬挂状态下的动力响应进行了水槽实验研究。实验制作了具有移动滑轨的下放装置,测试得到了0.4 m/s的均匀水流下模型立管动态应变响应时程曲线,并基于有限元法求得立管模型的固有频率和振型函数,再利用模态叠加法重构了立管模型位移响应。分析结果表明:立管在横流向(Cross-line,CF)的应变大于顺流向(In-line,IL)的应变,但两个方向的频率相同;自由端顺流向位移随LMRP质量增大而减小,但当质量超过管重时位移变化趋于稳定;自由端最大振幅受底部LMRP质量的影响较小,约为立管最大振幅的十分之一。

关键词：钻井立管安装下放立管下部组件模态叠加法涡激振动

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超深水钻井立管总体性能分析

船舶工程 2019年第S2期41卷 35-40页

作者：康有为王冰中集海洋工程有限公司广东深圳518000 中国石油天然气管道工程有限公司河北廊坊065000

基于API相关规范,系统梳理钻井立管总体性能分析的主要内容,形成超深水钻井立管分析的总体流程,并分析超深水钻井立管中张紧器及伸缩节等关键位置的模拟方法。在此基础上选择作业水深3 657.6 m的超深水钻井立管,在Deep C软件中建立了包... 详细信息

基于API相关规范,系统梳理钻井立管总体性能分析的主要内容,形成超深水钻井立管分析的总体流程,并分析超深水钻井立管中张紧器及伸缩节等关键位置的模拟方法。在此基础上选择作业水深3 657.6 m的超深水钻井立管,在Deep C软件中建立了包括作业平台、张紧器、伸缩节及柔性节点等在内的系统模型,选择合适的海况进行立管总体性能分析,给出钻井立管总体性能参数的分析方法和结果,为超深水钻井立管的设计和分析提供参照。

关键词：钻井立管张紧器总体性能

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深海钻井立管概念设计与分析

深海钻井立管概念设计与分析

作者：刘鹤哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

陆地油气产量的日益减少和海洋油气开发的日益成熟,使得全球的海洋石油工业正在更深的海域建造生产开发设备,广泛采用新兴技术并极大的促进现有技术的发展,这是海洋石油和天然气工业发展的总趋势。不管海洋油田开发采用何种浮式方案,都... 详细信息

陆地油气产量的日益减少和海洋油气开发的日益成熟,使得全球的海洋石油工业正在更深的海域建造生产开发设备,广泛采用新兴技术并极大的促进现有技术的发展,这是海洋石油和天然气工业发展的总趋势。不管海洋油田开发采用何种浮式方案,都需要使用立管系统,它是海洋基础结构的关键组成部分。海洋钻井是海洋油气开采的第一步,而海洋钻井立管是海洋石油天然气勘探开发的关键技术装备。钻井立管的设计直接影响到钻井船设计和海洋油田开采计划。开展深海钻井立管技术研究,掌握深海钻井立管系统设计技术,对提升我国深海油气勘探开发能力具有重要意义。本论文阐述了深海钻井立管的技术特点,以钻井船为背景,研究中国南海特有的海况数据,根据钻井立管设计有关标准及分析方法,对钻井立管进行概念设计和分析工作,并对不同方案进行比较研究,确定最佳设计方案。主要有以下几项工作：1、调查研究南海环境条件,考虑南海特有的内波影响,计算南海海流流速及土壤P-Y曲线等环境数据;2、根据规范和理论计算,进行钻井立管初步方案设计,包括计算钻井立管壁厚及确定材料等;3、应用ABAQUS有限元软件对钻井立管系统整体建模,进行总布置方案研究,确定各组件性能数据。并研究比较多种设计方案,选择性能最为优良的方案;4、应用涡激振动专用软件SHEAR7分析钻井立管涡激振动,计算涡激振动疲劳损伤,预测疲劳寿命,确定是否需要安装涡激振动抑制装置。5、调查研究国内外钻井设备市场现状,为钻井立管系统选择设备并对钻井立管系统国产化进行展望。

关键词：钻井立管设备选型整体分析内波涡激振动

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1500米半潜平台钻井立管设计与分析

1500米半潜平台钻井立管设计与分析

作者：路程越东北石油大学

学位级别：硕士

近年来随着工业以及日常生活中人们对石油及天然气的使用增加,陆地石油天然气的开采量在逐年递减,与此同时现有技术在不断改善,海洋石油的开发越来越引起重视,使得全球的石油开采工业都在向更海洋开采转型中。以目前技术来看,无论采用... 详细信息

近年来随着工业以及日常生活中人们对石油及天然气的使用增加,陆地石油天然气的开采量在逐年递减,与此同时现有技术在不断改善,海洋石油的开发越来越引起重视,使得全球的石油开采工业都在向更海洋开采转型中。以目前技术来看,无论采用何种方式进行海洋油田开采,都一定要使用立管系统,作为海洋钻井作业的重要设施--钻井立管,是连接海底设备与海面设施的必要桥梁。海洋钻井是海洋石油天然气开发的主要步骤,而海洋钻井立管又是海洋油气开采的核心装备。以钻井环境作为前提,海洋中水深的增加将使使用条件变得更加复杂,立管所承受的外界作用也更加恶劣和复杂,因此深水钻井立管设计的成功与否直接关系到海洋钻井作业能否顺利进行。本论文主要是论述了深海钻井立管的设计,对1500米作业水深的某半潜平台的钻井立管进行初阶设计,利用所学的力学理论和相关的设计规范,初步设计立管的材料、长度、直径和壁厚等基本参数。定性或定量的分析了波浪载荷、钻井液密度、平台偏移和浮力块直径几个环境因素及作业因素与立管强度之间的关系,得出了一系列的相关结论。通过使用多维分析软件,对立管进行简化建模,使用软件自身模块在立管模型上添加载荷,计算得到了立管在作业工况下和生存工况下的相关参数,提取立管的有效相关数据,再利用软件计算分析对模型进行了强度核准和疲劳预估。为以后做立管的优化设计和详细提设计供了可用的基础数据。另外,本文还对比了两种立管方案,讨论了它们的优缺点及工程适用性问题,具有一定的工程实际意义。

关键词：钻井立管初步设计强度 VIV(涡激振动) 疲劳寿命

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超深水钻井立管总体强度分析

超深水钻井立管总体强度分析

作者：齐博哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

近年来，能源的需求量越来越大，这带动了海洋石油的快速发展，而钻井立管是海洋石油开采的重要组成部分。钻井立管的强度是一个复杂的问题，与所处的海洋环境、土壤等多方面相关。目前在国内对超深水钻井立管的研究还处于起步阶段，本... 详细信息

近年来，能源的需求量越来越大，这带动了海洋石油的快速发展，而钻井立管是海洋石油开采的重要组成部分。钻井立管的强度是一个复杂的问题，与所处的海洋环境、土壤等多方面相关。目前在国内对超深水钻井立管的研究还处于起步阶段，本文对钻井立管的总体强度进行了分析研究。首先，论述了钻井立管的结构及其特点，结合特定海洋环境，利用有限元法对3000米超深水钻井立管进行操作工况强度分析，研究整个钻井立管的结构受力情况，并根据规范API RP16Q来进行强度校核。其次，对影响超深水钻井立管设计的因素进行分析，定性或定量的对立管进行参数敏感性分析，包括立管的几何尺寸、浮力块的尺寸、泥浆密度、浮式结构的定位能力及所在海域的海况等。通过参数敏感性分析，可以了解各设计因素对立管强度的影响，以保证立管作业的安全性。再次，对钻井立管进行薄弱点分析，研究了钻井立管在极其恶劣的海况下的受力情况。计算结果表明钻井立管的顶部、张紧环处及底部柔性接头处是立管的薄弱点，在这些薄弱点位置需要加强强度以确保立管在钻井作业过程中的安全性。按照规范API RP16Q规定，在极其恶劣的海况下需要将立管从底部立管总成处或防喷器处断开，使立管处于悬挂状态，以避免恶劣环境对立管的损害。最后，初步研究了立管悬挂模式的可行性及必要性，介绍了两种悬挂形式的区别及特点，具体研究了在超深水海域，软悬挂与硬悬挂模式下钻井立管的动力特性，以验证软悬挂模式比硬悬挂模式更加安全可靠。本文为超深水钻井立管的合理设计提供了一定的理论依据，对工程实践有一定的参考价值。

关键词：钻井立管薄弱点分析参数敏感性分析悬挂模式强度分析

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冰荷载作用下钻井立管力学性能分析与设计

冰荷载作用下钻井立管力学性能分析与设计

作者：孙国威浙江大学

学位级别：硕士

钻井立管是石油和天然气的安全开采、生产和运输过程中的重要结构。随着全球油气需求量的递增,海洋石油开发正迈向资源更为丰富的北极海域,立管的服役环境变得更加严苛,且钻井立管一旦发生破坏,后果通常非常严重。对于极地冰区的钻井作... 详细信息

钻井立管是石油和天然气的安全开采、生产和运输过程中的重要结构。随着全球油气需求量的递增,海洋石油开发正迈向资源更为丰富的北极海域,立管的服役环境变得更加严苛,且钻井立管一旦发生破坏,后果通常非常严重。对于极地冰区的钻井作业来讲,冰荷载对立管的作用要远比其他荷载的影响甚大,因此必须加强对冰荷载作用下的立管系统的力学性能和防冰设计研究。本文主要研究了钻井立管在冰荷载作用下的力学响应以及立管系统的漂移分析,最后进行了立管抗冰设计的初步探讨,主要研究内容如下:(1)针对单体体积较大的单浮冰在水动力下对立管的一对一撞击,设计并进行了钢带和PE材料实验以及钢带缠绕增强管与整块浮冰相互作用的整体模型试验,通过材料实验得到了钢带的应力-应变曲线和PE的应力-应变曲线,针对整体模型试验分别进行了 40cm和50cm水深下纯流、波流作用下的4组工况的分析,每组工况选取不同流速和波高进行研究,并对实验过程中碰撞区域应变及顶部拉力的变化进行了讨论分析。通过Abaqus有限元软件建立了有限元模型,针对实验两种水深下纯流的工况进行了有限元分析,并将顶部拉力和实验结果进行了对比分析,误差均在10%以内,验证了有限元模型的正确性。最后通过有限元进行了相关参数分析,研究了碰撞过程中冰速、冰层厚度以及水深对立管响应的影响。(2)针对单体体积较小的碎冰对立管的持续多对一撞击,提出采用离散元建模方法进行碎冰与立管的撞击分析,与以往直接在有限元中模拟冰载的方法相比更加可靠。通过离散元模型进行了敏感性分析,分析了海冰厚度、结构物尺寸以及海冰密集度对碰撞过程中立管最大冰力以及平均冰力响应的影响。(3)提出了漂移理论分析方法,通过理论分析结果与orcaflex有限元整体分析结果相互印证,结果拟合较好。有限元分析中所得到的各警戒圈的临界时间可用于指导工程实践,为快速解脱实际操作提供参考。(4)针对立管系统抗冰设计方案,进行了文献调研以及初步探讨,从结构物外形和立管自身抗冰两个方面进行了一系列探讨,得到可以通过结构物的外形设计来改变冰-与结构物的碰撞破坏形式,从而减小立管系统的响应;以及在立管外部一定高度加一层铠装层可以有效地对立管进行防护。

关键词：钻井立管冰荷载 ABAQUS IceDEM 漂移分析 OrcaFlex 抗冰设计

钻井立管坠物作用下自升式平台甲板损伤及结构优化

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船舶标准化工程师 2021年第2期54卷 50-56页

作者：穆璟宝孙鸣远大连职业技术学院辽宁大连116035 大连中远海运重工有限公司辽宁大连116602

钻井立管重量大、穿透性强且需要频繁吊装,为避免由此造成重大事故,以某自升式钻井平台坠物高风险甲板区为研究对象,借助非线性有限元分析软件LS-DYNA对碰撞过程进行模拟。结果表明,甲板无法抵抗立管造成的冲击损伤。通过分析损伤过程... 详细信息

钻井立管重量大、穿透性强且需要频繁吊装,为避免由此造成重大事故,以某自升式钻井平台坠物高风险甲板区为研究对象,借助非线性有限元分析软件LS-DYNA对碰撞过程进行模拟。结果表明,甲板无法抵抗立管造成的冲击损伤。通过分析损伤过程提出改良结构抗坠物碰撞的方案。

关键词：自升式平台钻井立管坠物作用数值仿真结构优化

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海冰与极地钻井立管相互作用数值模拟

中国海洋平台 2022年第3期37卷 22-27,43页

作者：祝周杰孙星宇董睿王刚王国军张大勇中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司新能源工程院浙江杭州311122 大连理工大学海洋科学与技术学院辽宁盘锦124221 大连理工大学运载工程与力学学部辽宁大连116024

明确典型极地半潜式平台钻井立管结构的基本力学特征,采用海冰离散元软件分析慢、中、快冰速下不同水平刚度立管所受的冰载荷及海冰破碎特性。结合已有的柔性窄结构冰载荷模型,发现所研究模型在慢冰速和快冰速下适用于极地钻井立管,但... 详细信息

明确典型极地半潜式平台钻井立管结构的基本力学特征,采用海冰离散元软件分析慢、中、快冰速下不同水平刚度立管所受的冰载荷及海冰破碎特性。结合已有的柔性窄结构冰载荷模型,发现所研究模型在慢冰速和快冰速下适用于极地钻井立管,但冰速条件不一致。基于ANSYS软件对立管的抗冰性能进行数值模拟,结果表明立管的抗冰性能较差,需要采取抗冰措施。

关键词：钻井立管抗冰性能冰载荷柔性结构数值模拟

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