1、本文結合國家高技術研究發(fā)展(863)計劃海洋技術領域重大項目“深水鉆完井關鍵技術”和中國海洋石油總公司綜合科研課題“深水鉆井隔水管工程方法研究及雙梯度鉆井跟蹤應用研究”，系統(tǒng)開展深水鉆井隔水管設計方法及其應用研究，通過理論研究、數(shù)值計算和計算機仿真，在(超)深水鉆井隔水管系統(tǒng)設計影響因素分析、深水鉆井隔水管(準)靜態(tài)性能綜合研究、深水鉆井隔水管響應參數(shù)敏感性分析及其預測模型研究、深水鉆井隔水管隨機非線性動力分析、懸掛模式深水鉆井隔水管軸

2、向動力分析、深水鉆井隔水管波致長期疲勞分析等方面取得較大的研究進展。主要研究成果總結如下： 1(超)深水鉆井隔水管系統(tǒng)設計影響因素分析(超)深水鉆井隔水管設計影響因素主要為環(huán)境因素與作業(yè)因素，前者主要包括水深、波浪、海流，后者主要包括鉆井液密度、底部海洋隔水管總成(Lower Marine Riser Package，簡稱LMRP)與井口防噴器(Blowout Preventer，簡稱BOP)脫離后鉆井隔水管系統(tǒng)懸掛模式、浮力塊

3、分布、渦激抑制設備、節(jié)流與壓井管線的工作壓力等。系統(tǒng)辨識了(超)深水鉆井隔水管系統(tǒng)設計影響因素，研究了各因素影響隔水管系統(tǒng)設計的機理，分析了各影響因素與隔水管系統(tǒng)設計之間的關系，研究了(超)深水鉆井隔水管系統(tǒng)設計方法。研究表明，水深和海流是(超)深水鉆井隔水管系統(tǒng)設計最重要的影響因素，隔水管系統(tǒng)設計需要在懸掛模式與連接模式之間循環(huán)進行以得到系統(tǒng)最佳配置。 2.深水鉆井隔水管(準)靜態(tài)性能綜合研究提出隔水管準靜態(tài)分析的理論、原理和

4、方法，開發(fā)深水隔水管準靜態(tài)性能分析系統(tǒng)。系統(tǒng)以隔水管最大Mises應力作為波浪最大相位角判據(jù)，以C++Builder為開發(fā)環(huán)境，后臺調用ABAQUS求解器進行計算，實現(xiàn)波浪最大相位角的自動搜索和隔水管的準靜態(tài)分析。比較隔水管靜態(tài)與準靜態(tài)分析的主要差異，研究了波浪相位角對隔水管準靜態(tài)分析的影響。從工程應用角度，展開了隔水管靜態(tài)性能的綜合研究。 3.深水鉆井隔水管響應參數(shù)敏感性分析及其預測模型研究影響隔水管響應的參數(shù)主要有隔水管幾何

5、參數(shù)、海況參數(shù)、浮力塊參數(shù)和作業(yè)參數(shù)。隔水管幾何參數(shù)包括隔水管外徑和壁厚，海況參數(shù)包括波高，波浪周期，流剖面，浮力塊參數(shù)包括浮力塊外徑、浮力塊長度和安裝位置，作業(yè)參數(shù)包括張力比(Top Tension Ratio，簡稱TTR)，鉆井船平均偏移以及鉆井液密度等。隔水管響應參數(shù)敏感性分析的目的在于揭示這些參數(shù)對隔水管響應的影響，為隔水管設計與系統(tǒng)配置提供依據(jù)。基于正交試驗方法進行隔水管響應參數(shù)敏感性分析，將上述影響隔水管響應的11個因素各取

6、5個水平構建L50(511)正交表，采用準靜態(tài)分析系統(tǒng)進行有限元計算，對正交試驗結果進行極差與方差分析，定量和定性研究了不同參數(shù)對隔水管響應的影響。 深水鉆井隔水管響應預測模型研究目的在于無需進行復雜的有限元計算即可對正常作業(yè)的隔水管響應提供一個滿足工程需要的粗估計，為隔水管的初期設計階段提供一種快速求解方案。研究并提出了基于支持向量機(Support Vector Machine，簡稱SVM)的隔水管響應預測模型，采用正交試驗

7、結果訓練SVM，隨機產(chǎn)生新的試驗數(shù)據(jù)校核SVM預測精度，比較了SVM預測模型與回歸模型之間的精度差異，結果表明基于SVM的隔水管響應預測模型可滿足工程應用需要。 4 深水鉆井隔水管隨機非線性動力分析在對隔水管動態(tài)響應數(shù)學模型與水動力載荷模型進行研究的基礎上，研究了隔水管動態(tài)響應分析技術。提出了時域內采用ABAQUS/Aqua軟件進行隨機波浪與鉆井船運動作用下深水隔水管動力分析的方法。為實現(xiàn)隔水管時域隨機振動分析，首先進行長峰隨機波浪的模

8、擬和模擬波浪的譜估計，然后根據(jù)鉆井船運動解析式、波浪模擬得到的隨機波浪序列和鉆井船縱蕩響應幅值算子(Respose Amplitude Operator，簡稱RAO)，迭代生成鉆井船運動邊界條件，最后定義波浪序列和邊界條件，考慮隔水管其他的結構、功能與環(huán)境載荷進行有限元動態(tài)分析。 研究了脫離后懸掛隔水管的響應分析技術，分析了懸掛模式隔水管的軸向動態(tài)響應。懸掛隔水管動力分析的第一步是確定鉆井船的動態(tài)升沉響應，硬懸掛模式計算隔水管柱

9、最大允許海況的準則是隔水管無壓縮載荷。采用數(shù)值計算方法，根據(jù)波浪譜與鉆井船的升沉RAO得到鉆井船的升沉運動響應，再將鉆井船的升沉響應時間歷程作為隔水管軸向動態(tài)分析的動邊界進行懸掛隔水管軸向動態(tài)分析，得到隔水管不同位置的軸向應力時間歷程。研究方法與結論可為隔水管懸掛模式選擇、鉆井隔水管系統(tǒng)設計與配置及其優(yōu)化提供參考。 5 深水鉆井隔水管波致長期疲勞分析作為動力疲勞敏感結構，深水鉆井隔水管的長期疲勞性能是重要的設計考慮。提出一種深水

10、鉆井隔水管波致長期疲勞計算方法，用以計算一階波浪載荷和波頻鉆井船運動以及二階低頻鉆井船運動引起的長期疲勞。根據(jù)波浪散布圖定義的短期疲勞工況，首先基于雙參數(shù)Pierson-Moskowitz波浪譜(簡稱P-M譜)與鉆井船RAO模擬隨機波浪與隨機鉆井船運動，然后進行隨機波浪載荷與鉆井船運動作用下隔水管非線性動力分析。在得到隔水管響應時間歷程的基礎上，考慮波浪散點圖中所有短期工況的概率，采用自行開發(fā)的專用程序實現(xiàn)深水鉆井隔水管波致長期疲勞損傷