隔水管与钻柱间相互作用及底部接头磨损的研究

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在海上钻井平台的作业中,隔水管和钻柱是其实现钻井功能必不可少的组成之一,而由于所处环境,在风浪流等海洋载荷作用下,细长的隔水管很容易发生弯曲变形。隔水管的弯曲变形,会给钻井平台水上钻井作业带来巨大的影响。(1)隔水管的变形会导致钻柱等内部作业管柱与隔水管的接触,加剧管柱间的磨损,减少内部作业管柱及隔水管的使用寿命,引发钻井液的泄露;(2)内部作业管柱与隔水管接触磨损,会增加能量的损耗,增加钻井系统的功耗,降低海上钻井的效率;(3)由于海底井口附近,隔水管与井口防喷器(Blowout Preventor,简称BOP)之间连接采用球铰连接,隔水管挠曲变形,必然会导致球铰接头附近会产生尖角,故内部钻杆在球铰附近工作时,会形成间断的尖角接触,这种接触压力非常大,对钻杆和球铰的破坏性也非常大。本论文主要对以上三个问题进行分析研究。(1)研究海浪、风浪和洋流等这些环境载荷对隔水管的作用,进而得到隔水管的挠曲变形,以及挠曲线方程;(2)基于隔水管的挠曲变形方程,结合李子丰老师管柱力学的稳态拉力—扭矩方程,研究内部作业管柱与隔水管的接触和受力情况,得到管柱间的接触力分布;(3)针对球铰接头附近的间断尖角接触,利用纵横连续弯曲梁理论,建立其力学模型,并求解出尖角附近的接触力大小,同时探究海底井口附近,防喷器与隔水管间采用直插式接头对接触磨损的影响,最后对两种接头方式导致的接头附近接触力进行对比,得到更优的接头结构。本论文最终建立了隔水管在风浪流作用下挠曲变形的力学模型,并且运用Visual Basic编程软件,对该力学模型进行了编程求解。同时基于稳态拉力—扭矩方程建立了隔水管与内部作业管柱间相互作用的力学模型,编程求解出了管柱间接触力的分布情况,最后本论文基于纵横弯曲梁理论,建立了球铰接头附近间断接触的力学模型,同时编程求解,得到尖角接触的接触力,并与直插式连接方式进行对比,发现球铰式接头会加剧管柱间的接触磨损。
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