基于数字孪生的腐蚀海底管道安全管理方法研究

为克服目前海底管道腐蚀监测和维护方法的局限性,基于数字孪生技术,提出1种腐蚀海底管道安全管理的数字孪生系统框架,包括物理层、数据层、模型与功能层和服务层4层;通过分析数字孪生安全管理关键技术和数字孪生技术安全管理实施步骤,将机器学习回归预测和优化模型应用到模型与功能层,对管道的腐蚀失效风险进行预测。研究结果表明:应用数字孪生系统可提前识别管道可能出现的风险和故障,实现对腐蚀海底管道的智能化预测和有效防护。研究结果可为建立腐蚀海底管道在线监测管理平台提供理论基础。

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。

深水控压钻井隔水管系统连接作业窗口分析

深水控压钻井(managed pressure drilling,MPD)技术是深水钻井解决钻井液密度窗口较窄问题的重要钻井技术,但目前对于深水MPD隔水管系统连接作业窗口研究较少。基于欧拉-伯努利梁理论,在常规钻井隔水管数学模型的基础上,考虑管内高压及钻井液流速的影响,采用直接刚度矩阵法建立深水MPD隔水管系统理论模型,采用有限元法对理论模型进行离散并采用MATLAB软件开发MPD隔水管数值计算求解器。以南海某1600 m深水井为例,在同样的计算参数下,分别使用本文求解器与ABAQUS软件计算MPD隔水管系统的力学响应,结果表明本文求解器与ABAQUS软件计算结果吻合良好。在此基础上,开展深水MPD隔水管系统连接作业窗口分析,并研究管内高压和钻井液流速对作业窗口的影响。研究结果表明,管内高压对MPD隔水管连接作业窗口影响较大,而钻井液流速对作业窗口影响较小,MPD隔水管连接作业窗口稍大于常规隔水管连接作业窗口,从而可提高深水钻井时效。

含缺陷烟气轮机叶片高温蠕变剩余寿命预测

烟气轮机是回收利用高温烟气能量的重要装备。烟气中的催化剂等颗粒冲击容易对叶片产生减薄及裂纹等缺陷,严重影响其使用寿命。以含缺陷烟气轮机叶片为研究对象,利用有限元方法对其工作状态下蠕变裂纹扩展及剩余寿命进行研究。结果表明:初始裂纹对叶片寿命的影响远大于减薄带来的影响,初始裂纹长度约在2 mm时对叶片剩余寿命影响不大;初始裂纹长度约为5 mm时,缺陷在叶根处寿命降幅达40%,而缺陷距叶根1/3处叶片寿命仅降低约10%;初始裂纹长度大于10 mm时,两种缺陷下剩余寿命降低均较为明显,且缺陷距叶根1/3处对叶片的剩余寿命影响超过其在叶根处产生的影响。

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。

深水钻井隔水管系统反冲时滞鲁棒控制

隔水管紧急解脱后的反冲响应是一个复杂且危险的过程,张紧器液压系统调控及信号传输又存在一定的时滞效应,因此如何在可变有界时滞作用下控制反冲是一个难题。为解决输入时滞作用下的反冲控制问题,提出采用时滞状态反馈鲁棒H∞控制方法进行反冲控制。根据隔水管反冲动力学模型构建考虑输入时滞的反冲状态空间表达式,引入无记忆状态反馈,得到闭环控制系统并采用矩阵不等式求解稳定条件。引入可调参数将矩阵不等式线性化,针对调整参数选取不当易导致线性矩阵不等式不可解与最优解难寻的问题,采用差分进化(DE)算法寻找可行的最优调整参数。通过结合多段数有限元模型验证了方法的正确性与可行性。结果表明:方法可有效完成固定与可变输入时滞的隔水管反冲控制,比常规不考虑时滞的控制方法的控制效果更佳;DE可有效寻找最优调整参数,优化控制性能;时滞作用会降低反冲响应及控制性能,应当尽量减小时滞。

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。

随机波浪及平台运动下控压钻井隔水管端部轴向位置预测方法

控压钻井(managed pressure drilling,MPD)技术是深水钻探时解决泥浆密度窗口较窄问题的重要技术。MPD隔水管端部为旋转控制头(rotating control device,RCD),其轴向位置的变化会直接影响井底压力。目前关于深水MPD隔水管端部轴向位置预测方法的文献较少。本文基于欧拉-伯努利梁理论,考虑管内高压和钻井液流速的影响,采用直接刚度矩阵法建立MPD隔水管系统动力学理论模型,采用Newmark-β积分法对MPD隔水管系统的动力学方程进行求解,并进一步开展随机波浪及平台运动下隔水管端部轴向位置的动态预测研究。以南海某1600 m水深隔水管为例进行分析,算例表明,一年一遇随机海况、管内高压为12 MPa,钻井液流速为2 m/s,钻井液密度为1600 kg/m^(3)时,隔水管端部轴向位置改变量在0.5~0.6 m之间波动;当进一步考虑平台慢漂运动时,隔水管端部轴向位置改变量在0.2~0.7 m之间波动。据此可计算得到井底压力的波动范围,从而可为控压钻井作业时井底压力的精确调控提供参考。

基于LAGRANGE方程的深水钻井隔水管–水下井口系统动力分析

为了探究大质量、大刚度防喷器组(blowout preventers,BOPs)对深水钻井隔水管系统动态相应预测精度的影响,根据细长钻井隔水管与刚性防喷器组的结构特点,提出两者刚柔耦合的概念,采用能量法推导隔水管–防喷器组–水下井口系统的动能和势能,采用LAGRANGE方法建立耦合系统动力学理论模型,采用科学计算软件和Newmark-β直接积分法对动力学模型进行数值计算。以南海某深水钻井隔水管为例,开展基于耦合动力学模型的隔水管系统动态响应分析。结果表明,采用本文理论模型得到的隔水管不同位置的节点位移、单元弯矩、上部和下部挠性接头转角时程曲线、整体侧向位移包络线和弯矩包络线等与ABAQUS仿真结果均吻合良好,最大误差为8.8%。此方法可为深水钻井隔水管和水下井口系统动态分析提供参考。

超深水钻井隔水管设计影响因素

超深水钻井隔水管设计的影响因素主要为环境因素与作业因素,前者主要包括水深、波浪、海流,后者主要包括钻井液密度、脱离后隔水管系统悬挂模式、浮力块分布、涡激抑制设备等。系统总结了超深水钻井隔水管设计影响因素,研究了各因素影响隔水管设计的机理,定性或定量分析了各因素对隔水管设计的影响。研究表明,水深和海流是隔水管设计最显著的影响因素,水深增加导致隔水管材料、结构、配置产生重大变化,海流导致隔水管产生涡激疲劳,并增加隔水管下放与收回的难度。悬挂模式影响隔水管系统的浮力系数和浮力块分布,涡激抑制设备造成隔水管作业困难,钻井液密度影响隔水管的有效张力和底部球铰转角进而影响隔水管系统的稳定性。相关结论可为超深水钻井隔水管设计、配置、作业、管理提供参考。

导向架隔水管在波流联合作用下的非线性动力响应

考虑了波流联合作用下固定式钻井装置隔水管与导向架之间的间隙接触条件,讨论了非线性边界条件下瞬态动力学问题的求解方法。应用有限元法,将隔水管简化为海底泥面线下3 m处固支、下层平台简支、中间不同高度的横向振动被导向架限制的梁模型,采用ANSYS软件,利用其combination40单元来模拟隔水管与导向架之间的间隙接触条件,实例计算了百年重现期环境载荷下隔水管的动力响应,得到了典型节点的位移时间历程和典型单元的等效应力时间历程,成功实现了隔水管的强度校核。该计算结果为带导向架隔水管的设计与分析提供了参考。

深水钻井隔水管的准静态非线性分析

对深水钻井隔水管进行准静态分析时,需搜索波浪的最大相位角以寻找最大波流合力,提出了搜索波浪最大相位角的最大Mises应力准则。开发了隔水管准静态分析系统,系统以C++Builder为开发环境,后台调用ABAQUS进行计算,调用面向对象Python程序访问数据库,提取计算结果,实现了波浪最大相位角的自动搜索和深水钻井隔水管的准静态非线性分析。应用实例验证了该分析系统的有效性。结果表明,波浪相位角为180°时隔水管准静态响应最大,其次为波浪相位角90°,270°,0°,隔水管静态响应介于波浪相位角为90°与270°的准静态响应之间。

南海深水钻井隔水管设计与作业技术

深水钻井隔水管设计与作业技术是深水钻井最重要的考虑内容之一。为此,针对我国南海深水油气钻井作业的迫切需要,考虑了平台与装备的实际条件,开展了深水钻井隔水管设计与作业技术研究,具体包括隔水管系统配置、排列设计和张紧力、钻井作业窗口、下放/回收作业窗口和悬挂作业窗口等。结果认为,排列设计就要确定隔水管具体的下放列表供现场司钻使用,而张紧力的确定既要满足API规范关于最小张紧力的要求,同时也应更适合于现场作业。算例所用基础数据依托南海某深水钻井平台,依据某井位具体的水深和环境条件,最后给出了隔水管设计与作业技术的具体应用情况,设计方案与作业参数已在南海深水钻井实践中得到成功应用。相关结论可为深水钻井隔水管设计与作业提供参考。

超深水钻井隔水管动力分析理论研究与数值模拟(英文)

随着钻井作业向深水(500～1500m)和超深水(1500m以上)发展,在交变海洋环境载荷波浪力、海流力和浮式钻井平台运动的共同作用下,隔水管的动态响应更加显著。文中探讨了隔水管侧向振动的数学模型、动态特性分析中的结构与环境载荷建模技术及其非线性动力分析方法,研究并对比了不同分析方法在计算效率、计算精度和工程适用性等方面的差异。介绍了时域内应用ABAQUS软件进行超深水钻井隔水管非确定性动力分析的算法与详细流程,算例比较了不同边界条件对深水钻井隔水管动态特性的影响。研究表明,时域非确定性分析最为精确但需要时间最长,且只能采用线性AIRY波浪理论;理论上,海流主要引起隔水管动态响应的时不变部分,但该时不变部分不等同于海流引起的隔水管静态响应,一种简化方法只将海浪与钻井船运动作为动载荷而不考虑海流对动态响应的贡献;钻井船运动和波浪载荷是隔水管动态响应分析主要的动载荷,对于超深水隔水管来说,钻井船运动是首要的动载荷,其慢漂运动对隔水管性能有重要影响,而波浪仅对隔水管局部产生作用。

新型深水钻井隔水管技术进展及在我国南海应用的建议

新型深水钻井隔水管技术既可降低对钻井船的要求,也可显著减少深水钻井的作业时间,甚至无需改造和升级即可显著提高钻井船的深水能力。对近10年来国外研究与应用的新型深水钻井隔水管技术进行了概括,主要包括双梯度钻井隔水管技术,夹式隔水管与超静定集成系统,自由站立隔水管技术,高压表面防喷器钻井隔水管技术,细型钻井隔水管系统,非旋转钻杆保护器技术,非钢质钻井隔水管技术等,对部分新技术给出了适用性评价,并对深水钻井隔水管技术在我国南海的应用提出了建议。

基于波浪谱与钻井船RAO的钻井船运动模拟

钻井船运动对深水钻井隔水管动力性能有重要影响。提出一种根据波浪谱和钻井船响应幅值算子(RAO)模拟钻井船随机运动的方法。为充分模拟钻井船运动,建立了包括钻井船平均偏移、不规则波浪导致瞬时波频运动和二阶波浪力导致的低频慢漂运动的钻井船运动模型。采用随机波浪模拟技术得到具有不同波高、周期与相位角的组成波序列。根据响应幅值算子(RAO)所定义的钻井船运动与不同频率的波浪之间的幅值比与相位差和钻井船运动数字模型,迭代产生随机波浪作用下钻井船运动,并基于MATLAB仿真平台实现了上述算法。

深水管中管钢悬链线立管的非线性动力分析

立管技术是深水资源开发的关键技术之一。管中管钢悬链线立管具有同心的外管与内管，其外管提供机械保护，内管提供油气通道，内、外管之间按照一定的距离安装扶正器以保护绝热材料，在深水油气开发中具有较大的应用价值。充分考虑在位立管承受的复杂载荷条件泡括动边界、波浪与海流载荷、立管自重、海水浮力、管内外静压力），以及整体和局部非线性因素（包括摩擦、滑移、接触、间隙等），采用时域有限元软件ABAQUS实现管中管钢悬链线立管的建模与非线性动力分析。

深水钻井隔水管的波致长期疲劳

作为动力疲劳敏感结构,深水钻井隔水管的长期疲劳性能是重要的设计考虑。提出一种深水钻井隔水管波致长期疲劳计算方法,用以计算一阶波浪载荷和波频浮船运动以及二阶低频浮船运动引起的长期疲劳。采用该方法,根据波浪散布图定义的短期疲劳工况,基于双参数P-M(Pierson-Moskowitz)波浪谱与钻井船响应幅值算子模拟随机波浪与随机钻井船运动,然后进行随机波浪载荷与钻井船运动作用下隔水管非线性动力分析。在得到隔水管响应时间历程的基础上,考虑波浪散点图中所有短期工况的概率,自行开发专用程序计算隔水管波致长期疲劳损伤。算例实现南海海域1 500 m长钻井隔水管的波致长期疲劳分析。重点研究钻井船运动、顶部张紧力和壁厚对隔水管疲劳的影响。文中提出的隔水管波致长期疲劳计算方法简单实用,可用于工程实际。

国外深水钻井隔水管系统产品技术现状与进展

针对海洋钻井装备的重要单元——海洋钻井隔水管系统,其技术与产品一直被国外专业公司所垄断,而国内相关报道较少的现状,介绍了深水钻井隔水管系统的组成及各部件功能,以及国外钻井隔水管主要供应商如Cameron公司、Vetco Gray公司、法国石油研究院IFP和Dril-Quip公司等的产品技术特点和部件主要功能。由于接头是隔水管单根之间的重要连接,快速接头是减少非钻井时间的重要技术,特别介绍了深水钻井隔水管的接头技术,主要包括Cameron公司的LoadKing和RF螺栓法兰接头,Vetco Gray公司的MR—6E和HMF接头,Dril-Quip公司的FRC和QMFC接头,以及IFP的Breech-blocktype接头等7种隔水管接头。可为我国开发具有自主知识产权的深水钻井隔水管系统提供借鉴。