深海海底钻机海底天然气水合物钻进取芯建模与分析

针对深海海底钻机金刚石钻头在钻进海底天然气水合物过程中有明显弹塑性变形的特点,基于Hertz接触修正理论,提出了一种适用于深海海底钻机天然气水合物钻进取芯的建模方法。首先,分析钻进过程中海底天然气水合物从弹性变形到弹塑性变形破岩机理,求得金刚石钻头在钻进过程中单颗粒金刚石受到的钻进压力和切削力;其次,根据单颗粒金刚石受力情况,得到整个钻头上钻压和扭矩与钻进参数的理论关系,从而建立金刚石取芯钻头力学模型;最后,分析得到在钻进海底天然气水合物时海底天然气水合物的饱和度与扭矩和钻压的关系曲线。以该方法进行海上试验,成功获取了海底天然气水合物样品,验证了该方法的可行性。该研究成果可为深海取芯钻机钻头参数的设计和高效率钻进取芯提供理论依据。

海洋环境作用下深海海底钻机收放系统建模与运动响应分析

深海海底钻机收放系统在风、浪等海洋环境的扰动下会引起海底钻机摆动,通过建立收放系统的动力学模型,分析收放系统在规则波浪下不同波高、浪向角和风速对海底钻机摆角以及相对位移的影响.研究结果表明:在波高、浪向角以及风速的影响下,深海海底钻机入水前后的摆动角度与相对位移变化均存在明显差异;随着波高与风速的增大,钻机的面内摆角变化幅度较小;随着浪向角的增大,钻机的摆动角度和相对位移逐渐增大.得到的结论可用于海底钻机收放系统摆动的预测和控制,为技术工作人员提供参考.

深海海底钻机用铠装脐带缆有限元分析

深海海底钻机用铠装脐带缆是连接深海海底钻机与母船之间的纽带,它不仅可以用来下放和回收深海海底钻机,还可以为深海海底钻机提供电力与信息传输.本文以深海海底钻机用铠装脐带缆为研究对象,首先运用三维软件Solidworks构建铠装脐带缆三维几何模型,之后进行铠装脐带缆三维网格模型以及有限元分析模型的构建,其中包括设定铠装脐带缆的材料参数和铠装脐带缆各部件的接触类型为Bonded类型,接触行为为Symmetric,最后利用有限元分析软件ANSYS对铠装脐带缆进行有限元仿真分析.结果表明:在10 t载荷作用下,铠装脐带缆主要承载部件为外部的铠装层,最大应力为1.219×10^10Pa,最大应变为0.085 95;外层绝缘层的最大应力为4.8×10^8Pa,最大应变为0.481 79.

深海海底钻机多支腿依次着底碰撞稳定性分析

受海洋环境因素的影响,深海海底钻机着底过程中支腿依次与海底底质发生碰撞,易造成深海海底钻机的结构破坏或倾覆.针对忽略单组支腿着底过程仅考虑多组支腿均匀着底稳定性分析结果偏差大的问题,采用修正后的线性黏弹性碰撞模型(MLV模型)处理支腿与海底底质的碰撞,建立了2-1着底模式下(2条支腿先着底另1条支腿再着底)3腿支撑式深海海底钻机着底碰撞全过程动力学模型,提出了深海海底钻机着底稳定性评价标准.通过仿真计算,重点分析了钻机初始姿态角和海底底质倾角对钻机着底稳定性的影响,结合单组支腿着底稳定区间和双组支腿着底稳定区间得出2-1着底模式下深海海底钻机着底稳定域,为深海海底钻机选址及后续调平控制工作提供理论支持和操作参考.

深海海底钻机收放装置关键零部件可靠性分析与试验

深海海底钻机收放装置是实现深海海底钻机安全可靠、准确稳定下放和回收的关键技术装备。开展随机不规则波浪激励下的深海海底钻机收放装置关键零部件可靠性分析,是设计安全可靠的深海海底钻机收放装置的基础。提出一种随机不规则波浪激励下收放装置关键零部件可靠性分析方法,并对不同变异系数下的收放装置关键零部件的可靠度进行分析计算,结果表明:在随机不规则波浪激励下,收放装置的收放液压缸活塞杆所受的拉力将产生随机不规则的动态响应,并且收放液压缸活塞杆所受拉力的均值随着钻机托架翻转角的增大而减小;当收放液压缸活塞杆材料的变异系数从0.1提高至0.3时,对应的收放液压缸活塞杆的可靠度为0.999 126,此时收放液压缸活塞杆仍具有非常高的可靠度;进一步对比理论分析与深海海底钻机收放装置工程样机海上试验结果可知,两种结果基本一致,从而验证了理论研究模型和随机数值分析方法的正确性,研究结果为深海海底钻机收放装置的设计提供技术支撑。

深海海底钻机收放系统动力学随机数值仿真方法研究

提出了一种随机不规则波浪激励下的收放系统动力学随机数值仿真方法。该方法以随机不规则波浪为输入,应用雨流计数法分析收放系统动态特性响应随机分布特征,获取不同水深和海况条件下收放系统动态响应统计规律。以深海海底钻机收放系统为例,对随机不规则波浪激励引起的母船摇荡—脐带缆—深海海底钻机摇荡进行分析,建立了计入海水阻尼的深海海底钻机收放系统动力学模型。然后,以随机不规则波浪的有义波高为特征值,产生随机不规则波浪激励,应用收放系统动力学模型分析计算系统动态随机响应,应用雨流计数法分析收放系统动态响应特性随机分布特征,并对不同水深和海况条件下的钻机摆动状况、升沉运动以及脐带缆张力等动态特性进行随机数值仿真分析与讨论。所提出的方法为随机不规则波浪激励下,海洋装备收放系统动态特性分析提供了新途径。

深海海底超深孔钻机支撑稳定性分析

深海海底超深孔钻机在使用过程中,钻机的稳定性极为重要.针对深海海底超深孔钻机支撑稳定性展开分析,提出了深海海底超深孔钻机稳定性系数,分析了钻机稳定性系数与钻机质心位置、钻机及其支撑系统自身尺寸以及钻机设定的海底底面倾角等参数之间的关系.深海海底超深孔钻机支撑稳定性分析表明:在未打开支撑系统的情况下,钻机的稳定性系数为1.47,虽然钻机的稳定性具有一定的安全余量,但建议在钻机着底时就打开支撑系统,以保证钻机使用时更加稳定可靠;在支撑系统打开的情况下,钻机稳定性系数为2.41,但在极端条件下深海海底超深孔钻机的稳定性仍然具有风险,建议适当增加钻机底座和支撑宽度.

洋流对海底钻机着底偏移影响分析

本文以深海海底钻机为研究对象,建立深海海底钻机着底偏移运动的力学模型,利用龙格-库塔法对模型进行数值求解,研究不同的洋流方向与洋流流速对海底钻机着底偏移的影响。基于水动力软件OrcaFlex,对不同洋流方向与流速的情况进行仿真分析,并将理论结果与软件仿真结果进行对比分析。研究结果表明:受洋流方向与流速的影响,对于海底钻机的着底偏移影响比较大,随着洋流方向角增大,其偏移量也在逐渐减小;同时洋流的流速越大,其偏移量越大。同时还经过结果对比验证了力学模型的可靠性。本文给出的结论便于海上作业人员进行深海开采作业。