隨著海洋油氣開采走向深水,對深海鉆探技術(shù)帶來了更大的挑戰(zhàn)。深海油氣鉆探經(jīng)常受到惡劣海況的影響,鉆井立管需要暫時離開探區(qū),待海況平穩(wěn)之后進行重新入井作業(yè)。作為海洋油氣鉆探開發(fā)中的一個典型工程問題,深海重入井作業(yè)難度隨著工作水深增加而迅速增大。整個重入井作業(yè)過程中,立管主要經(jīng)歷兩個階段:水平運動階段和下放運動階段。受到波流和頂端船舶運動等多種外部激勵作用,鉆井立管會表現(xiàn)出響應(yīng)遲滯、結(jié)構(gòu)偏移和振蕩等復(fù)雜的非線性運動,嚴(yán)重影響了立管重入井的作業(yè)效率和精度。目前針對重入井立管運動特性和運動優(yōu)化方面的研究較少且不完善,運動控制參數(shù)的選取主要依靠經(jīng)驗,存在很多不確定因素,且研究主要集中在頂端船舶運動單一激勵下的立管重入井水平運動階段,而僅依靠水平運動鉆井立管并不能實現(xiàn)精準(zhǔn)重入井作業(yè)。因此,為提高深海鉆井立管重入井的作業(yè)效率和精度,需要完整和深入研究海流、頂端水平和垂向運動等多重復(fù)合激勵下的立管復(fù)雜非線性運動特性,并制定優(yōu)化的運動策略。針對目前研究中存在的不足,本文進一步深入地對深海鉆井立管重入井作業(yè)問題,特別是對多重復(fù)合激勵下的重入井下放階段立管復(fù)雜非線性運動特性及優(yōu)化問題進行了研究,并從以下三個方面展開:(1)立管重入井水平運動階段研究。采用剛性離散微段建立了自由懸垂立管的水動力模型,并對基本牛頓迭代法進行改進,用于模型求解。在此基礎(chǔ)上,分析了預(yù)設(shè)海流和頂端水平運動下的立管形態(tài)、底端偏移及速度變化等動態(tài)響應(yīng)。(2)立管重入井下放運動階段研究。針對剛性離散微段的不足,基于柔性離散微段,通過固定微段數(shù)量、改變微段長度的方式體現(xiàn)立管總長度的時變特性,提出了一種變長度立管水動力模型,并給出了迭代求解方法。在此基礎(chǔ)上,分析了預(yù)設(shè)海流和頂端垂向下放運動下的立管形態(tài)及底端偏移變化等動態(tài)響應(yīng)。又預(yù)設(shè)頂端小范圍的水平移動,配合垂向下放運動形成頂端復(fù)合下放運動,分析在此激勵下的立管復(fù)雜非線性運動響應(yīng)。(3)重入井立管復(fù)合運動的優(yōu)化研究。根據(jù)立管重入井的復(fù)合運動特點,通過運動的等時間段離散,對蟻群算法進行了包括狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率、優(yōu)化對象的約束范圍及選擇機制、信息素更新策略等方面的針對性改進,并分別以頂端加速度和頂端速度為優(yōu)化對象對重入井立管的復(fù)合運動進行優(yōu)化研究,以抑制立管的底端偏移和振蕩。通過上述研究得到了以下幾個主要結(jié)果和結(jié)論:(1)自由懸垂立管水動力模型中選取六個未知變量,有效降低了非線性偏微分方程組的階數(shù),便于程序的編寫和計算;迭代過程引入“亞松弛因子”有利于減小累計誤差。(2)重入井水平運動階段中立管底端運動存在明顯的“遲滯現(xiàn)象”,且頂端運動對底端振蕩的振幅和周期有很大影響;雙側(cè)剪切流中的立管形變呈現(xiàn)復(fù)雜的“S”形,且流速對底端偏移和振蕩的影響明顯。(3)基于柔性離散微段,通過固定微段數(shù)量和改變微段長度建立的變長度立管模型,有效解決微段長度變化對數(shù)值計算結(jié)果的不利影響,克服了剛性離散微段的不足,可以較準(zhǔn)確模擬和計算立管重入井下放階段的運動。(4)垂向下放運動中,頂端加速和減速階段對立管形態(tài)和偏移的影響較明顯,加速下放會增大立管的形變和橫向偏移;剪切流和雙側(cè)剪切流中立管形態(tài)有明顯拐點;且海流和頂端垂向下放運動會使立管底端產(chǎn)生較大偏移。(5)復(fù)合下放運動中,頂端水平運動對立管形態(tài)變化起決定作用,且主要體現(xiàn)在橫向偏移的變化;頂端預(yù)設(shè)的復(fù)合運動可以降低立管底端橫向偏移,但效果需要進一步優(yōu)化,而且存在很多不確定因素。(6)改進的蟻群算法可以比較便捷有效地應(yīng)用于重入井下放階段的立管復(fù)雜非線性運動優(yōu)化,且優(yōu)化結(jié)果容易收斂于全局最優(yōu)解;優(yōu)化策略以頂端速度或加速度的形式體現(xiàn),比較容易在實際工程作業(yè)中實現(xiàn)。(7)制定了兩套相互獨立的頂端復(fù)合運動加速度優(yōu)化和速度優(yōu)化策略。這兩種優(yōu)化策略都可以有效降低復(fù)合下放運動中立管底端偏移和振蕩,提高立管重入井的作業(yè)效率和精度,但從優(yōu)化效果及實施難度方面考慮,在海流作用下的深海鉆井立管重入井實際作業(yè)中推薦采用頂端復(fù)合加速度的優(yōu)化結(jié)果。本文的研究結(jié)果可為深海油氣開發(fā)立管重入井這一典型的工程問題提供必要的作業(yè)參考,并為進一步的理論研究奠定基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TE951
【部分圖文】：

圖 1-1 海上油氣資源開采的發(fā)展（來自百度網(wǎng)）Fig.1-1 Development of offshore oil and gas mining作業(yè)水深的不斷增大，海洋油氣開采裝備也隨之變化。從淺海的鉆井和海的可移動鉆井船，開采裝備也在不斷更新?lián)Q代[8]。自上世紀(jì)中期世界式海洋石油鉆井平臺“德朗 1 號”投入使用以來，海上石油鉆井裝置出現(xiàn)了

自升式平臺 半潛式平臺 鉆井船圖 1-2 海上油氣開采鉆井裝置（來自百度網(wǎng)）Fig. 1-2 Drilling apparatus for offshore oil and gas mining而隨著海洋油氣資源向深海領(lǐng)域的發(fā)展，海洋油氣開采不僅對地質(zhì)勘探技術(shù)、鉆井技術(shù)有更高的要求，而且對相關(guān)海洋結(jié)構(gòu)物也會帶來新的挑戰(zhàn)。雖然目前用于海底油氣

鋼質(zhì)懸鏈線立管 頂部張緊立管 柔性立管 復(fù)合立管圖 1-3 海洋立管常見類型（來自百度網(wǎng)）Fig. 1-3 Common types of marine riser海洋立管從設(shè)計到生產(chǎn)制造，涉及到的技術(shù)和工藝很復(fù)雜。海洋資源開發(fā)起步較早的一些國家，無論在研發(fā)能力、制造工藝以及資金支持方面都具有很大優(yōu)勢，所以目前

【參考文獻】

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本文編號：2814539