隨著海洋油氣開(kāi)采走向深水,對(duì)深海鉆探技術(shù)帶來(lái)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(shí)離開(kāi)探區(qū),待海況平穩(wěn)之后進(jìn)行重新入井作業(yè)。作為海洋油氣鉆探開(kāi)發(fā)中的一個(gè)典型工程問(wèn)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(gè)重入井作業(yè)過(guò)程中,立管主要經(jīng)歷兩個(gè)階段:水平運(yùn)動(dòng)階段和下放運(yùn)動(dòng)階段。受到波流和頂端船舶運(yùn)動(dòng)等多種外部激勵(lì)作用,鉆井立管會(huì)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(yùn)動(dòng),嚴(yán)重影響了立管重入井的作業(yè)效率和精度。目前針對(duì)重入井立管運(yùn)動(dòng)特性和運(yùn)動(dòng)優(yōu)化方面的研究較少且不完善,運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)的選取主要依靠經(jīng)驗(yàn),存在很多不確定因素,且研究主要集中在頂端船舶運(yùn)動(dòng)單一激勵(lì)下的立管重入井水平運(yùn)動(dòng)階段,而僅依靠水平運(yùn)動(dòng)鉆井立管并不能實(shí)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(yùn)動(dòng)等多重復(fù)合激勵(lì)下的立管復(fù)雜非線性運(yùn)動(dòng)特性,并制定優(yōu)化的運(yùn)動(dòng)策略。針對(duì)目前研究中存在的不足,本文進(jìn)一步深入地對(duì)深海鉆井立管重入井作業(yè)問(wèn)題,特別是對(duì)多重復(fù)合激勵(lì)下的重入井下放階段立管復(fù)雜非線性運(yùn)動(dòng)特性及優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了研究,并從以下三個(gè)方面展開(kāi):(1)立管重入井水平運(yùn)動(dòng)階段研究。采用剛性離散微段建立了自由懸垂立管的水動(dòng)力模型,并對(duì)基本牛頓迭代法進(jìn)行改進(jìn),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(yùn)動(dòng)下的立管形態(tài)、底端偏移及速度變化等動(dòng)態(tài)響應(yīng)。(2)立管重入井下放運(yùn)動(dòng)階段研究。針對(duì)剛性離散微段的不足,基于柔性離散微段,通過(guò)固定微段數(shù)量、改變微段長(zhǎng)度的方式體現(xiàn)立管總長(zhǎng)度的時(shí)變特性,提出了一種變長(zhǎng)度立管水動(dòng)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(yùn)動(dòng)下的立管形態(tài)及底端偏移變化等動(dòng)態(tài)響應(yīng)。又預(yù)設(shè)頂端小范圍的水平移動(dòng),配合垂向下放運(yùn)動(dòng)形成頂端復(fù)合下放運(yùn)動(dòng),分析在此激勵(lì)下的立管復(fù)雜非線性運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。(3)重入井立管復(fù)合運(yùn)動(dòng)的優(yōu)化研究。根據(jù)立管重入井的復(fù)合運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),通過(guò)運(yùn)動(dòng)的等時(shí)間段離散,對(duì)蟻群算法進(jìn)行了包括狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率、優(yōu)化對(duì)象的約束范圍及選擇機(jī)制、信息素更新策略等方面的針對(duì)性改進(jìn),并分別以頂端加速度和頂端速度為優(yōu)化對(duì)象對(duì)重入井立管的復(fù)合運(yùn)動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化研究,以抑制立管的底端偏移和振蕩。通過(guò)上述研究得到了以下幾個(gè)主要結(jié)果和結(jié)論:(1)自由懸垂立管水動(dòng)力模型中選取六個(gè)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(xiě)和計(jì)算;迭代過(guò)程引入“亞松弛因子”有利于減小累計(jì)誤差。(2)重入井水平運(yùn)動(dòng)階段中立管底端運(yùn)動(dòng)存在明顯的“遲滯現(xiàn)象”,且頂端運(yùn)動(dòng)對(duì)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(duì)底端偏移和振蕩的影響明顯。(3)基于柔性離散微段,通過(guò)固定微段數(shù)量和改變微段長(zhǎng)度建立的變長(zhǎng)度立管模型,有效解決微段長(zhǎng)度變化對(duì)數(shù)值計(jì)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(jì)算立管重入井下放階段的運(yùn)動(dòng)。(4)垂向下放運(yùn)動(dòng)中,頂端加速和減速階段對(duì)立管形態(tài)和偏移的影響較明顯,加速下放會(huì)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(diǎn);且海流和頂端垂向下放運(yùn)動(dòng)會(huì)使立管底端產(chǎn)生較大偏移。(5)復(fù)合下放運(yùn)動(dòng)中,頂端水平運(yùn)動(dòng)對(duì)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(yùn)動(dòng)可以降低立管底端橫向偏移,但效果需要進(jìn)一步優(yōu)化,而且存在很多不確定因素。(6)改進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(shí)際工程作業(yè)中實(shí)現(xiàn)。(7)制定了兩套相互獨(dú)立的頂端復(fù)合運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)施難度方面考慮,在海流作用下的深海鉆井立管重入井實(shí)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(kāi)發(fā)立管重入井這一典型的工程問(wèn)題提供必要的作業(yè)參考,并為進(jìn)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(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TE951
【部分圖文】：

圖 1-1 海上油氣資源開(kāi)采的發(fā)展（來(lái)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(kāi)采裝備也隨之變化。從淺海的鉆井和海的可移動(dòng)鉆井船，開(kāi)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(tái)“德朗 1 號(hào)”投入使用以來(lái)，海上石油鉆井裝置出現(xiàn)了

自升式平臺(tái) 半潛式平臺(tái) 鉆井船圖 1-2 海上油氣開(kāi)采鉆井裝置（來(lái)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(kāi)采不僅對(duì)地質(zhì)勘探技術(shù)、鉆井技術(shù)有更高的要求，而且對(duì)相關(guān)海洋結(jié)構(gòu)物也會(huì)帶來(lái)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(jiàn)類(lèi)型（來(lái)自百度網(wǎng)）Fig. 1-3 Common types of marine riser海洋立管從設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)起步較早的一些國(guó)家，無(wú)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(shì)，所以目前

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2814539