修井船运动激励下修井隔水管-修井工具系统动力学特性

考虑修井工具的影响,开展修井船运动激励下修井隔水管系统动力学特性研究。基于梁理论建立了修井隔水管与修井工具的力学模型,施加了修井船运动、张紧系统及土壤等边界约束;使用间隙单元法建立了修井隔水管与修井工具的接触模型;基于有限元法与Newmark-β法建立了数值模型,对修井船不同运动下的修井隔水管系统动态响应进行了分析。结果表明:当修井船升沉运动时,修井隔水管轴向位移与修井工具轴向位移差异显著;当修井船纵荡时,修井隔水管与修井工具易发生规律性接触;当修井船纵摇运动时,修井隔水管与修井工具运动几乎一致。

深水隔水管-防喷器组耦合系统动力学建模与仿真验证

在深水钻井过程中,隔水管与防喷器组系统是整个作业环节的重要一环。由于在作业过程中面临着诸多风险,因此,建立精确的隔水管-防喷器组耦合系统力学分析模型,准确分析其力学行为和性能,对指导钻井作业安全进行具有重要意义。目前大多只关注于对隔水管的独立建模而忽视防喷器组的潜在影响,这将导致所建模型与实际情况存在差异,使得隔水管系统的力学特性无法得到精确分析。提出了隔水管与防喷器组刚柔耦合概念,推导耦合系统动能、势能,采用拉格朗日方法建立理论模型,用Newmark-β直接积分法对动力学模型进行数值计算。采用ADAMS软件进行了仿真建模,开展不同工况条件下的动态响应对比分析。结果表明,理论模型得到的隔水管横向位移包络线、弯矩包络线、隔水管中部节点横向位移时程曲线和底部弯矩时程曲线与ADAMS仿真结果吻合良好,从而表明了该理论模型的重要性,可为我国隔水管的设计和分析提供参考和支持。

系统不确定的深海钻井立管解脱反冲智能控制

深海钻井立管系统紧急解脱后的反冲控制是深海油气钻探中的必备技术,但系统动力参数在多方面具有不确定性与难测性,给实际反冲控制带来了严峻挑战.建立系统模型不确定条件下的立管反冲智能自适应控制方法,通过反冲控制名义状态空间方程与闭环系统稳定性推导考虑模型不确定的修正控制输入,采用径向基(RBF)神经网络逼近模型不确定部分并选取满足李雅普诺夫(Lyapunov)稳定的权值自适应律,实现控制输入中对不确定部分的动态补偿.结果表明:该方法适用于实际反冲控制阀有调控速度限制的情况;张紧器刚度、阻尼、钻井液下泄摩擦力及立管浮力载荷等不确定性对反冲动力响应及控制效果均有一定影响;无论系统参数是否精确,经过RBF自适应控制后都降低了反冲初期振荡高度且降低了反冲触底风险.研究成果可有效解决工程背景下缺乏准确系统参数的立管反冲控制难题.

深水水下井口全钻井过程波激疲劳精细化评估

传统的水下井口波激疲劳评估没有考虑不同钻井阶段水下井口结构组成变化,导致水下井口波激疲劳评估精度有限。为此,提出基于整体-局部交互分析的全钻井过程水下井口波激疲劳损伤精细化评估方法,建立钻井全过程复杂结构水下井口局部精细模型及平台-隔水管-水下井口-导管耦合系统整体模型,研究整体模型与局部模型交互机制,并构建整体模型与局部应力传递关系,精细化评估水下井口全钻井过程波激疲劳损伤。研究结果表明:全钻井过程水下井口结构组成变化对隔水管系统和远离泥线导管处的波激疲劳几乎无影响,但对水下井口局部及泥线附近导管的波激疲劳存在较大影响;钻井第二阶段水下井口波激疲劳损伤最为严重,且水下井口底端始终为疲劳极限位置。所得结论有助于判断钻井过程中水下井口疲劳状态,保证作业安全。

基于模糊控制理论的修井隔水管系统反冲控制

修井隔水管系统是修井作业的关键装备,修井隔水管系统紧急解脱后的反冲过程极易发生事故。为解决修井隔水管系统反冲控制问题,降低反冲过程中发生风险的可能,基于模糊控制理论提出了一种修井隔水管系统反冲控制方法。基于液压动力学建立了分体式张紧系统模型,采用集中质量法将修井隔水管柱离散成弹簧-质量-阻尼单元,建立了修井隔水管系统动力学模型。根据模糊控制理论并结合修井隔水管系统反冲控制规律,设计了模糊控制器,采用Matlab/Simulink开发修井隔水管系统仿真模型并进行仿真计算。研究结果表明,模糊控制能较好地实现修井隔水管系统反冲过程控制,相比于无控制器和PID控制,模糊控制下的反冲过程修井隔水管系统的轴向位移波峰值更低,波谷值更高,所设计的模糊控制器在不同张力比和平台运动幅值下具有较好的适应性。

海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台开发

该文开发了一种海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台。平台使用六自由度平台模拟海洋浮式钻井平台的运动,并基于集中质量法和动力学相似原理,设计了隔水管缩尺模型。实验平台的悬挂系统可实现上冲程控制、下冲程控制和非控制锁死3种动作,测控系统使用监视与控制通用系统(MCGS)组态软件、可编程逻辑控制器(PLC)和PID控制算法开发。通过使用该实验平台,学生可以增加对海洋钻井隔水管悬挂动力学控制的感性认识,通过实际动手操作训练可加深对隔水管悬挂动力学控制理论、技术和装置的理解,提升教学效果并培养学生的创新意识。

基于大型数值波流水池的海洋油气水下装备水动力测试

为了满足海洋油气水下装备水动力学教学需求,基于流体动力学基本理论以及FLUENT和C语言二次开发创建了大型数值波流水池,验证了其精确性,并开展了海洋油气水下装备水动力学数值试验,探究波流作用下海洋油气水下装备的水动力载荷特征。结果表明,开发的大型数值波流水池可实现波流耦合下的海洋油气水下装备水动力数值试验,并能够以直观、可视化的方式将水动力学结果展现出来,丰富海洋油气水下装备水动力学教学内容,并对培养学生的科学研究能力起到积极作用。

预积炭改性ZSM-5分子筛及其苯与合成气烷基化性能研究

苯与合成气的烷基化反应旨在利用非石油资源生产甲苯、二甲苯等烷基苯,本工作采用甲醇蒸气预积炭制备一系列的ZSM-5分子筛,并与ZnCrOx复合形成双功能催化剂,探索对苯和合成气烷基化制烷基苯的影响。通过对预积炭时间的考察,发现适当的预积炭能显著提高ZSM-5分子筛的催化性能。在450℃、4.0 MPa的反应条件下,预积炭改性24 h的催化剂苯转化率达到20.18%。对预积炭改性的ZSM-5分子筛和反应后的复合催化剂进行分析,表明预积炭改变了分子筛的酸性。预积炭覆盖了ZSM-5分子筛上的一些B酸位点,降低了B/L酸比,从而提高苯的转化率。最后,通过烃池机理对苯与合成气烷基化反应的失活机理进行合理推测。

基于深度学习的水下井口弯曲应力预测方法

水下井口系统是海洋油气勘探开发的关键装备,为保证其在钻完井作业过程中的安全性,水下井口系统的疲劳状态监测成为保障安全的重要手段,水下井口的弯曲应力预测是基于监测数据疲劳损伤评估的重要内容。为此,提出了一种基于深度学习的水下井口系统弯曲应力预测方法,该方法使用防喷器处的加速度监测数据预测水下井口系统的弯曲应力。根据设计海况矩阵进行隔水管-水下井口系统动力响应分析,以分析得到的时序数据为基础,利用长短期记忆网络(LSTM)建立水下井口系统弯曲应力预测模型,最后对预测模型进行验证。研究结果表明,提出的水下井口系统弯曲应力预测模型得到的预测值准确度较高,相对误差低于0.2%,决定系数大于0.999。该弯曲应力预测方法可为水下井口疲劳损伤评估提供支撑。

海底钻机机架的同步升降控制方案设计

为了满足新型海底连续管钻机对可变高度机架的功能需求,开展了机架升降控制方案设计。首先根据海底钻井工艺和深海服役环境,设计了一套基于超长行程柱塞缸和电液比例节流调速的双层机架升降方案及作业流程,具有结构紧凑、稳定性好、油缸及高压管线安装方便、开发成本低的优点。为了减轻大跨距偏载和水下洋流扰动等因素对同步运动控制过程的影响,采用四缸主从同步闭环控制结构,并根据系统理论模型设计了一种内模鲁棒性控制算法,通过调节滤波器时间常数来改善控制器动态特性,仿真结果表明该系统具有良好的抗干扰能力,为深海环境下的准确和稳定控制提供了依据。

深水隔水管-水下井口耦合系统双向涡激振动特性

深水隔水管-水下井口系统极易受外部海流影响产生涡激振动(VIV),其VIV分析通常将底端水下井口简化为固支约束.考虑水下井口下部非线性管-土耦合建立深水隔水管-水下井口耦合系统顺流(IL)及横流(CF)向VIV三维分析模型.基于胡克定律将管-土相互作用产生的时变非线性土壤抗力转化为时变土壤等效刚度并与系统结构刚度叠加.采用有限单元法进行分析模型离散,采用Newmark-β法与4阶龙格库塔法进行VIV数值求解.随后分别研究了管-土耦合作用及环境因素如海流流速、土壤硬度等对深水隔水管-水下井口系统CF及IL方向VIV特性的影响.结果表明,考虑管-土耦合的深水隔水管-水下井口系统约束弱化,系统整体刚度减小,固有频率降低,深水隔水管-水下井口系统CF及IL方向的均方根(RMS)位移及振幅增大,振动频率减小.深水隔水管-水下井口系统VIV对土壤硬度的敏感度较低,原因是系统结构刚度与土壤初始附加的等效刚度较大,而土壤硬度变化额外附加的土壤等效刚度在系统总刚度中的占比较低.

深水钻井平台-隔水管耦合系统漂移预警界限

建立了深水钻井平台-隔水管耦合系统漂移动力学模型,提出了深水钻井平台-隔水管耦合系统漂移预警界限分析方法,并进行了实例分析。分别建立了深水钻井隔水管-井口-导管耦合系统分析模型及平台漂移动力学分析模型,开发了深水钻井平台漂移动力学求解器。结合实例开展了深水钻井平台-隔水管耦合动力学特性及耦合作用规律分析,阐述了漂移预警界限分析方法。结果表明:平台漂移初始阶段隔水管载荷对平台漂移起促进作用,随着平台漂移位移的增大隔水管逐渐开始抑制平台漂移;平台漂移运动过程中隔水管系统顶部参数响应较快,底部参数响应具有明显的迟滞效应;随着海流流速的增大或水深的减小,深水钻井平台-隔水管耦合系统漂移预警界限减小,应尽早准备和启动隔水管系统底部脱离。

深水高压气井开关井作业窗口分析

针对深水高压气井测试生产过程中频繁开关井作业诱发生产管柱耦合振动失效安全问题,以南海某深水高压气井为例,充分考虑管柱与天然气之间的泊松耦合和摩擦耦合作用,建立了深水高压气井生产管柱和天然气耦合振动模型,分析开关井作业过程生产管柱振动特性,建立并优化深水高压气井开关井作业窗口。研究结果表明:考虑流固耦合作用下管柱固有频率有所降低,不易发生"锁频"现象;开关井作业过程中管柱振动幅值随着天然气产量增大而增大;对于大产量油气井,延长开关井作业时间,并减小扶正器间距,可有效扩展开关井作业窗口,减少开关井作业对深水油气生产管柱的损伤。上述成果可为深水高压气井生产管柱设计及安全作业提供理论依据和工程指导。

深水钻井隔水管单根寿命管理方法

深水钻井隔水管面临多种失效模式,对隔水管单根寿命进行管理有助于提高隔水管服役的可靠性。基于深水钻井隔水管系统完整性管理流程,提出了隔水管单根寿命管理方案:根据隔水管事故统计结果识别深水钻井隔水管的主要失效模式;建立隔水管单根失效风险矩阵,详细阐述深水钻井隔水管单根失效概率分析和失效后果分析的过程及方法;最后确定隔水管单根的检测要求、检测方法与维修方法。

基于反冲响应的深水钻井隔水管张紧力计算方法

张紧力是深水钻井隔水管系统作业的安全的关键因素,尤其对隔水管系统紧急脱离作业安全影响显著,但目前的隔水管张紧力设计方法(包括API算法、底部残余张力算法以及下放最大钩载算法)均未考虑隔水管系统的反冲问题。为此,基于隔水管系统反冲响应,确定了隔水管张紧力设计准则,提出了张紧力修正API算法及计算流程,并通过实例分析验证了修正API算法的可行性。研究结果表明,修正API算法可为隔水管系统提供合理的张紧力,改善了隔水管紧急脱离反冲过程中的隔水管底部总成位移、张紧器冲程以及有效张力波动范围,从而提高了紧急脱离后隔水管系统的安全性,有效保证了深水钻井隔水管系统紧急脱离作业的安全。

海洋油气立管疲劳试验方法

作为海洋油气开发的关键设备，立管（隔水管）面临疲劳失效风险。为了准确预报并提高立管疲劳寿命，需要对立管进行疲劳试验。针对海洋立管疲劳试验，评述国外在这方面的研究成果，总结适用于海洋立管的疲劳试验方法，阐明不同试验方法的试验原理、试验机模型、优缺点及使用情况，尤其对轴向拉伸疲劳试验法和共振弯曲疲劳试验法给予关注。最后根据调研结果确定立管材料和结构疲劳试验方法及相应的试验参数，可为我国立管疲劳试验机设计及疲劳试验提供参考。

自冲铆接工艺过程的有限元数值模拟

采用塑性有限元方法建立了自冲铆接有限元模型,对自冲铆接过程进行了数值模拟分析。探讨了铆接过程中半空心铆钉和板料的变形特点,以及凹模凸台高度对铆接效果的影响程度。模拟、试验结果表明,自冲铆接过程分为压紧、铆钉穿透板料、铆钉尾部张开和成型(墩锻)4个阶段;塑性变形主要集中在铆钉尾部与板料及模具与板料的接触部位;当凹模凸台较高时,自冲铆接的自锁性能和效果较好;模拟结果和试验结果吻合较好。

防台风钻井隔水管技术现状及适用性分析

随着我国南海深水油气的开发,频发的南海台风导致深水钻井隔水管出现严重事故,造成较大损失,需要开发一种有效的防台风钻井隔水管以提高海上钻井安全。为此,阐述了防台风钻井隔水管系统的发展历程及应用情况,详细介绍近海面脱离总成和浮力罐系统2个关键技术,从防台风钻井隔水管安装过程、紧急脱离过程和回接过程3个方面介绍防台风钻井隔水管作业技术。以我国南海某井为例进行了防台风钻井隔水管适用性分析。分析结果表明,与常规钻井隔水管相比,防台风钻井隔水管的连接钻井作业窗口稍微偏小,基本不影响正常钻井性能;在南海台风条件下防台风钻井隔水管可以保持结构完整性,具有良好的防台风性能,同时大大缩短了作业时间,降低了作业费用。

油气管柱共振弯曲疲劳实验平台研制

常规疲劳试验方法在油气管柱疲劳性能测试中存在实验效率低、能耗高等问题,为了便于油气管柱疲劳科学实验与教学,基于共振原理研制了一套油气管柱共振弯曲疲劳实验平台,主要包括油气管柱试件、传动系统、支撑系统、安全防护系统以及测控系统。完成油气管柱实验平台的设计、加工、安装及测试。结果表明,该实验平台可有效开展油气管柱疲劳性能测试,并采用油气管柱共振弯曲疲劳实验平台开展实验教学,实现了理论与实验教学的有机结合,学生可深入了解油气管柱共振原理及疲劳损伤过程,对培养学生科学实验能力起到积极的作用。

可变形整流罩设计及实验系统开发

为解决传统涡激振动抑制装置适应性差、效率低等问题,设计了可变形整流罩涡激振动抑制装置,开发了可变形整流罩涡激振动实验系统,并开展了不同流速下可变形整流罩涡激振动抑制性能测试。结果表明,可变形整流罩能够实现对整流罩截面形状的控制,对涡激振动具有较好的抑制效果,验证了可变形整流罩的可行性。将该实验系统用于实验教学,可使学生深入了解涡激振动原理及其抑制过程,并对激发创新性思维、培养动手实践能力起到积极作用。