基于共旋坐标法的钢悬链线立管管土作用数值分析

为分析钢悬链立管(SCR)在顶部浮体小范围垂降、侧向漂移运动下的立管触地段垂向、侧向管土作用,将立管初始贯入海床及侧向移动过程作为准静态问题,在共旋坐标框架内建立三维有限梁单元模型,并耦合p-y加载曲线模拟立管初始贯入海床过程,并对比了线性、双线性及非线性管土模型在计算管土响应上的差异,分析了立管顶部水平牵引载荷、海流作用及土体抗剪强度对立管触地段垂向管土作用的影响,进一步研究了浮体小范围漂移工况下的侧向牵引力、土体特性参数对立管触地段侧向、垂向组合的管土作用影响。结果表明:在共旋坐标框架下,非线性管土模型对立管贯入海床的响应模拟更准确;顶部水平牵引力及海流流速增大,均会导致立管贯入海床深度及垂向土阻力减小;土体抗剪强度增大导致立管贯入深度减小但垂向及侧向土阻力增大;顶部浮体侧向牵引力增大致使立管触地段的侧向位移及土阻力增大,但垂向土阻力减小;侧向摩擦系数的增大可显著提高立管触地段的侧向稳定性。本文所述共旋坐标法利用刚体与变形解耦的特性高效求解了立管全局运动及触地段的管土作用,为立管与海床作用研究提供了参考。

海沟影响下深水海洋管线成环行为研究

在深水海洋管线的安装过程中,制造工艺的偏差和外部环境的影响易导致管线上不均匀的扭矩分布,在张力的共同作用下,管线在其触地区可能出现“成环”现象,受到严重损伤,而海洋管线的触地区也是海沟集中形成的区域。为了研究海沟对海洋管线成环行为的影响,基于OrcaFlex软件和构建海沟模型的经验公式,建立了深水悬链线立管和海沟的三维数值模型。就海沟轮廓、位置和土壤属性对立管成环行为的影响展开参数分析,并研究了不同工况下成环的临界载荷。研究表明:海沟的产生和扩展、立管相对海沟的合理位置以及土壤参数中海床表面不排水抗剪强度和吸力因子的增加,可有效降低立管成环过程中的最大压缩力和最大弯矩,从而减少成环引起的损伤;临界载荷的分析则有助于对成环的临界条件进行预测,避免成环现象的发生。

非平坦海床下缓波型立管转移过程中的参数分析

随着海上油气田探索及开发水域不断加深,通常会遇到有坡度的海床,这对缓波型立管的安装转移提出了更高的要求。基于虚功原理和最小势能原理,建立了缓波型立管的力学分析模型。基于该模型在非平坦海床条件下对缓波型立管转移过程做参数分析,研究海床坡度角、安装船张力、浮筒段长度、船与平台的水平间距等参数对缓波型立管转移过程的影响。研究发现:随着海床坡度角的增大,立管转移过程中的拱弯弯曲程度加剧,上拱点、下垂点均上移,悬挂点张力及最大剪力均减小;在非平坦海床下,随着影响参数的改变,立管上拱点、下垂点和悬挂点张力变化的拐点和趋势不同。该结论为在非平坦海床海洋环境下缓波型立管的设计与应用提供一定的参考。

基于UWB的天然气站场室内三维定位系统研究

为解决天然气站场室内定位中因非视距(NLOS)现象导致人员和设备定位精度低的问题,设计了一种基于超宽带(UWB)与Three.js的天然气站场室内人员与设备三维定位系统。通过B/S三层架构,以Django框架和VUE框架为基础,利用Python、HTML5、CSS3和Three.js,实现定位信息在网页客户端的三维可视化。通过对UWB技术的研究,为保证定位精度,基于到达时间差(TDOA)测量值,采用卡尔曼滤波算法对其进行NLOS滤波,并结合Chan算法融合多基站数据,最终得到目标点的计算位置。通过搭建实验环境,对三维定位系统进行定位标签静态和动态定位实验。实验结果表明,对于NLOS现象严重的复杂室内环境,该系统定位精度高、运行平稳,能为天然气站场室内定位提供一种切实可行的技术。

考虑海流效应的缓波形立管安装过程力学响应

为分析缓波形立管安装过程中的力学响应问题,基于虚功原理建立了缓波形立管安装过程的力学模型,采用有限差分与Newton-Raphson算法分别进行力学模型的离散与迭代求解,并将理论计算结果与OrcaFlex仿真结果进行了对比,验证了其可靠性。采用该模型对立管不同安装方法、海流流速及立管浮筒参数等对安装过程中立管的力学响应规律进行研究。结果表明:连续安装时,立管最大弯矩、最大剪力和顶部张力近似呈线性变化,而分段安装时则呈现相应波动;顺流安装时流速增加对立管形态影响较小,但会导致立管顶部张力变大,而逆流安装对立管形态影响较大,且流速增加,立管顶部张力减小;浮力因子增大,立管最大弯矩、最大剪力也增加,但顶部张力呈线性下降趋势;浮筒长度变化会使立管最大弯矩点发生显著变化,且随浮筒长度增加,最大剪力和顶部张力呈下降趋势。本文研究成果为缓波形立管的安装提供了参考。

基于DQN和K-means聚类算法的天然气站场仪表智能识别研究

天然气站场中的仪表是工人和设备交互的窗口,可以反映工厂的运行状况;但是站场很多老式仪表不能远程读取示数,采用人工方法读取则浪费人力,需要对其进行智能化的读数研究;针对上述问题,采用了一种基于四足机器人作为载体运动控制,并通过深度强化学习(DQN)进行目标追踪任务和图像处理来读取仪表示数的新方法;首先通过改进的DQN算法的深度网络模型,根据仿真的环境中机器人学习效果,设计并调整动作奖励函数,设计机器人顶层决策控制系统;实现一维与二维状态参数输入下的仪表目标追踪任务;其次在仪表定位和仪表配准的基础上,通过K-means聚类二值化处理得到刻度分明的表盘;将图像进行内切圆处理,再在图像中间添加一根指针进行旋转,旋转过程中精确计算指针与表盘重合度最高的角度来得到对应刻度;经过实验表明,此算法可实现运动过程中仪表目标的精准追踪和降低计算时间,并大大提高了仪表追踪与识别的精度和效率,为天然气站场的仪表安全监控提供了有效保障。

基于Unity3D的模块钻机三维设计系统

模块钻机是海洋油气生产中的重要设备,通常其设计要经历确定参数、画总图、建立模型、调整参数、重绘总图、重建模型等复杂的迭代设计步骤。该文使用C#语言基于Unity3D虚拟现实引擎开发了一套海上模块钻机三维设计系统,实现了快速设计模块钻机,并且可与常用办公软件和海洋工程主流结构设计软件SACS形成接口,通过提取SACS模型的材料信息与重量控制算法可快速计算出质量控制报告结果,批量更新并导出标准设计文件,极大地减轻了设计人员的工作量。最后使用此系统复现了陆丰14-4模块钻机项目,结果验证了系统的准确性与实用性。

油气站场视频监控系统的设计与应用

安全监控系统的集成化、智能化升级是油气站场亟待解决的问题。针对当前系统的弊端,设计开发油气站场智能视频监控系统。利用宽动态技术,解决早期监控摄像头采集到的视频信号易受天气影响,画质不佳,有用信息不足等问题。并利用YOLO目标检测算法,实现对区域内人员未戴安全帽的行为进行监控。最后构建基于B/S架构的安防设备集成管理平台,将算法同监控视频画面集成,并显示站场三维地图,为后续站场数据可视化预留扩展接口。实践应用表明该系统能显著提升油气站场智能视频监控水平。

钢质缓波型立管安装转移过程中的非线性力学响应

基于最小势能原理,采用将整个立管视为一个单一连续管段的研究方法,研究钢质缓波型立管安装转移过程中的非线性力学响应。该方法无须将整个立管分段进行独立研究,可简单有效处理立管-海床相互作用,避免接触探测的复杂性,对新载荷、约束或边界条件的适应非常灵活,能够提高深水立管设计应用中的数值计算效率。研究发现:立管在向水平跨距减小的转移过程中,上拱点和下垂点的高度先降低后增高,而拱弯高度先增高后降低;悬挂点处的张力不断减小,然后增大,而悬挂点处的倾角变化较小。该数值分析结果对于深水钢质缓波型立管的设计具有一定的参考价值。

两相流作用下缓波形立管的动力响应研究

针对海洋油气开采中缓波形立管与其内部输送的流体耦合作用下容易导致立管流致振动的问题,建立了局部缓波形立管系统模型,基于k-ε湍流模型,设置不同入口气相体积分数和质量流量,建立了不同工况下缓波形立管系统的两相流双向流固耦合模型,并进行数值模拟。通过监测立管在关键点的位移、应力变化以及立管截面的流型变化,研究立管的振动规律。研究结果表明:在下倾管中,随着入口气相体积分数的减小,两相流更容易呈现稳定的分层流动状态;当缓波形立管中入口气液相流量较小时容易引起严重段塞流,段塞流的喷发加剧了立管的振动;改变流动参数会引发立管共振,且各种工况下立管所受的最大应力均处在流体入口的固支端;当入口气相体积分数从0.50增加到0.75时,立管的振动位移和最大应力均发生大幅度增长。研究结果可为缓波形立管的振动和疲劳特性评估提供指导。

内输高温高压流体海底悬跨管道的非线性涡激振动响应分析

海底管道内输的高温高压流体会引起管内较大的轴力,从而诱发管道的整体屈曲。发生屈曲的管道凸出海床表面,出现部分管道悬跨的现象,进而在海流的作用下会形成涡激振动现象。本文研究因热屈曲引起初始竖向变形的海底悬跨管道在内外流耦合作用下的涡激振动响应。首先,采用Euler-Bernoulli梁模型来模拟海底管道,通过对管道单元和内部流体单元进行受力分析,建立悬跨管道运动学平衡方程,确定内输高温流体管道的热屈曲平衡状态。然后,在方程中引入尾流振子模型,建立内输高温高压流体管道在内外流作用下的耦合动力学方程,采用Newmark-β方法对离散的涡激振动响应方程进行逐步求解,得到管道时程的振动位移、速度及加速度,确立了有初始变形管道振动的非线性振动时域预报方法。基于该方法进行算例分析,首先对比不同模态下考虑热屈曲和不考虑热屈曲的管道振型,观察热屈曲效应对于不同模态下管道振动形态的影响;通过分析管道振动频率随时间的变化趋势,结合建模过程中刚度矩阵的变化趋势,推导出管道轴力的周期性变化会引起自然频率的周期性变化;改变管道外部流体流速,观察管道振动频率、模态和幅值的变化,分析得出管道从低模态振动转为高阶模态振动时,管道从周期运动变为混沌运动,后随外流速增加又转为周期运动,此过程中管道会出现多模态振动的现象,并且多模态作用对低阶模态的振动影响较大;改变管道内部流体温度和压力,观察管道振动频率和振动幅值的变化,得到管内温度和压力的增加会导致管道振动频率的降低及管道振动幅值的增加。

海洋无隔水管修井的数字孪生框架与可视化交互

为保障海洋无隔水管修井作业安全,构建了修井数字孪生系统。设计了海洋修井数字孪生系统五维模型框架,包括修井系统物理实体、虚拟实体、虚实数据交互、人工智能数据分析、作业决策服务。通过SolidWorks构建三维模型,将其导入Unity 3D来建立场景,构建修井系统的虚拟实体,利用虚拟现实技术提升交互性;基于OPC UA协议采集可编程逻辑控制器的实时与历史数据,实现对修井设备的监测;采用MATLAB进行数据分析,构建修井响应模型,对故障信息进行有效诊断与分析,并为修井作业制定决策策略。通过案例讨论论证了海洋修井数字孪生系统的可行性。

基于CFD的圆柱绕流流场特性分析

流体流经非流线型结构物时会发生涡旋脱落现象。利用CFD分析软件模拟研究了单根附属杆在不同位置对圆柱绕流流场特性的影响。结果表明:不同位置的附属杆对圆柱绕流流场影响方式不同,附属杆相对位置与来流方向之间的角度为0°、90°和180°时,对圆柱绕流流场的影响分别为引导来流分流、影响分离点和控制尾流。

水下清管发射技术及其装置

为了提高海底管道输送效率,加快海洋油气田开发步伐,实现水下清管系统的国产化,详细介绍了水下清管发射技术及国外具有代表性的水下相关产品的特点,对水下清管发射装置的设计要素进行了分析。水下清管发射技术经历了从传统的平台清管发射、回路清管发射到水下清管发射的过程。水下清管发射装置设计时要考虑安装方式、驱动流体、生产流体、连接到管汇的方式与操作方法、发射机构和机械结构设计等要素。

水下采油树工厂验收测试(FAT)技术研究

水下采油树的工厂验收测试(FAT)是水下采油树在正式投入使用前的一项重要测试。根据荔湾3-1气田的测试资料总结了水下采油树FAT的关键测试内容,介绍了相应的测试条件和主要测试步骤,最后通过Abaqus分析测试状态下VX密封圈密封性能。结果表明:68.96 MPa的卧式采油树在过盈量取0.4mm的情况下满足相应的密封要求。

风浪载荷下不同线型脐带缆动力学仿真分析

随着海洋油气向深海迈进,脐带缆的基础研究受到了广泛关注。通过对悬链线型、缓波型、陡波型三种脐带缆进行建模,得出了每种线型脐带缆的最大有效张力图、剪力图以及弯矩图,分析了在不同风浪载荷下脐带缆的动态响应。研究结果表明,缓波型与陡波型脐带缆虽然布局相对复杂,但是较悬链线型脐带缆可以有效降低顶端悬挂处的有效张力,浮力段的添加可以减小恶劣环境对触地点的影响;此外需要注意的是缓波型与陡波型脐带缆在浮力段部分会发生剪力突变,对脐带缆的安装产生影响。研究成果有助于设计人员了解脐带缆在不同线型下的动力学响应特性,为脐带缆线型设计与脐带缆张紧器的选型提供了理论依据。

基于Floquet理论的深水隔水管参激振动稳定性分析

隔水管在工作过程中会受到浮体施加的升沉作用力,该作用力会使得轴向力发生周期性变化,引起参激振动,因此研究隔水管参激振动对避免隔水管发生参激共振具有指导意义。考虑钻井液对隔水管的作用力,通过微元法建立了隔水管横向振动控制方程。假定轴向力周期性变化,利用主坐标分析法得到隔水管Mathieu方程,基于Floquet理论对隔水管进行参激振动稳定性分析,得到了系统参激稳定图。结果显示,主不稳定区发生在隔水管固有频率二分之一附近。进一步研究阻尼对系统参激不稳定区的影响,发现阻尼使得隔水管参激稳定区域增加,并且随着阻尼增大,稳定区域增大。该研究对隔水管设计过程中避免参激共振具有一定参考意义。

基于LM神经网络的钻杆在线漏磁缺陷识别

石油钻杆的使用情况关系到钻采设备的安全运行。对石油钻杆在线检测,可以节省费用,保障钻采安全。设计了基于LM神经网络的钻杆在线漏磁缺陷识别系统,该系统在钻杆从井口的提升过程中进行缺陷检测,将采集到的数据存到计算机中进行处理,对截取的信号片段利用Levenberg-Marquardt神经网络进行训练,达到对缺陷模式进行定性分类和定量识别。

基于超声波检测的BP神经网络缺陷识别方法设计

针对石油储罐底板的缺陷损伤问题,建立局部储罐底板模型,应用超声波缺陷检测技术进行分析研究。利用ABAQUS有限元软件进行超声检测的模拟仿真分析,采集并保存接收信号,通过不同位置的发射/接收器信号时间差值对比,应用椭圆定位原理计算得到缺陷类型;从仿真模拟数据中选取不同的超声波回波信号作为神经网络的输入,借助于MATLAB软件训练出可识别底板缺陷的BP神经网络,选取多组数据进行测试,经验证,设计的BP神经网络对缺陷数据识别具有一定正确性。

水下采油树及下放安装技术研究

了解水下设备的结构类型与控制方法,掌握正确的安装方式是深水钻、完井工程研究的重要内容。介绍了水下采油树的发展、结构组成与不同类型的优缺点,分析其远程控制的实现方式,研究下放安装步骤与要求。为我国水下采油树的选型与自主研发提供借鉴与思路。