深水钻井隔水导管在起下作业过程中的固有频率研究
海上钻井平台隔水管振动特性研究及应用
海上钻井平台隔水管振动特性研究及应用隔水管是海上自升式钻井平台石油钻井的第一个环节，应用三角级数描述用隔水管的挠曲方程，同时根据雷利法（L.Rayleigh）在求得隔水管系统的相对变形以后，由系统的能量平衡求得其振动频率方程，应用这种方法对于我们研究隔水管的振动特性及其对于钻井作业状态的影响，在海洋石油钻井工程中有很重要的指导意义。
通过隔水管振动特性与钻柱横向振动的结合，可以在钻井作业的转速选择上提供参考依据，将钻柱与隔水管的谐振研究与作业安全结合起来，对于统筹管理海上钻井作业有着重要的现实意义。
标签：海上钻井平台;隔水管;挠曲方程;横向振动;固有频率1隔水管振动特性研究意义自升式钻井平台在海上进行钻井作业时，通常在海底泥线钻孔一定深度后下入30”隔水管，由此建立钻井液的闭式循环系统，隔水管施工作业质量关系到该井后续各工序的顺利与安全。
隔水管顶部通过钢索与钻井平台连接固定，泥线以下部分用水泥浆封固。
作业中由于隔水管的振动加上与海流的作用，造成表层钻进时，钻柱与隔水管之间的敲击与振动，以致隔水管的快速接头处发生严重的偏磨，其磨损严重的个别管子接头处，深度竟达到10～15mm之多，由此可见：研究隔水管的横向振动问题，选择合理的钻井参数避免钻具与隔水管之间的谐振，对于我们保护和使用好隔水管，保证钻井作业安全，具有重要的现实意义。
2 隔水管的挠曲变形分析2.1隔水管的挠曲方程数学模型推导我们知道：通常情况下，隔水管在海上使用时，采用先钻孔后下入隔水管再用水泥浆封固的方法，但通常均是隔水管入泥线以下约50m，因此我们可以将底部视为插入的嵌固端，而在隔水管的顶部我们则是在其上部用4只1-3/4”的大顶丝将其顶在钻井平台井口平台的中心，这样就相当于一个上下可以滑动的固支端。
为研究问题方便起见，我们首先沿隔水管的轴线方向建立坐标，为研究问题简便起见，我们暂不考虑隔水管受到的波浪力，仅考虑隔水管受到顶部的轴向力P，可知此时隔水管的挠曲方程，用三角级数方程表示十分简便和快捷，此时的挠度曲线方程为：[1]将上式写成和的形式可得到：由于系数an的增量dan引起的位移增量为：在隔水管柱的轴向方向，轴力P做功为：此时应变能的增量为：由于隔水管质量连续分布，在其上作用有均布载荷q，则均布载荷也要做功。
深水钻井隔水管设计方法及其应用研究
因此，开展深水钻井隔水管设计方法及其应用研究具有重要的现实意义和理论价值。
研究目的
建立深水钻井隔水管设计方法，提高隔水管的设计水平和钻井效率，降低钻井成本和风险。
研究方法
通过理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，对深水钻井隔水管进行设计和优化。
研究目的和方法
深水钻井隔水管设计基础
02
深水钻井隔水管是一种用于深水钻井工程的设备，其主要功能是隔离海水和淡水，以保护钻井设备不受海水腐蚀和盐分影响，提高钻井效率。
力学性能方面，深水钻井隔水管需承受各种外力和内部压力，因此需要对其强度、刚度、稳定性等方面进行详细设计。
环境适应性方面，深水钻井隔水管需在深海环境下工作，因此需要对其耐低温、耐高压、耐腐蚀等方面进行特殊设计。
深水钻井隔水管设计标准
深水钻井隔水管设计方法
03
利用遗传算法进行优化，以隔水管的结构参数为优化变量，以实现最优的力学性能和使用寿命为目标函数，通过优化得到隔水管的最优设计方案。
加强国际合作
03
随着全球海洋资源开发和科学研究合作的不断深入，深水钻井隔水管的应用和研究将更加国际化，国际合作将成为未来发展的重要趋势。
结论与展望
05
深水钻井隔水管设计方法的优化
通过对比分析不同设计参数对隔水管性能的影响，提出了针对性的优化方案，提高了隔水管的性能和稳定性。
研究结论
隔水管疲劳寿命预测的准确性提高
深水钻井隔水管的材质通常为高强度钢或其他合金材料，其结构包括管体、连接件、密封件等部分。
深水钻井隔水管概述
深水钻井隔水管设计原理
深水钻井隔水管的设计原理主要包括力学性能、水力学性能、环境适应性等方面的考虑。
水力学性能方面，隔水管需能够承受海水和淡水的压力和流速，因此需要对其水流阻力、耐磨性、耐腐蚀性等方面进行优化设计。
深水钻井隔水管动力特性及涡激振动响应实验与理论
深水钻井隔水管动力特性及涡激振动响应实验与理论汇报人：日期:•深水钻井隔水管概述•深水钻井隔水管的动力特性•涡激振动响应实验•理论模型及预测•深水钻井隔水管动力特性的优化设计建议目•参考文献录01深水钻井隔水管概述深水钻井隔水管的定义和重要性深水钻井隔水管是一种用于深水钻井的关键设备，其主要功能是隔离海水和淡水，为钻井提供稳定的工作环境，同时保护钻井设备和人员的安全。
在深水钻井过程中，隔水管能够承受高水压、抵抗外部扰动、保持结构稳定，是保障钻井作业顺利进行的关键因素。
由于深海环境的复杂性和不确定性，隔水管的性能和质量对于整个钻井作业的成败具有至关重要的影响。
深水钻井隔水管的背景和历史深水钻井技术是随着石油工业的发展而逐步发展起来的，隔水管作为其中的重要设备之一，也经历了从传统材料到高性能材料、从简单结构到复杂结构的演变过程。
在20世纪90年代以前，深水钻井隔水管主要由钢丝绳和水泥构成，具有结构简单、成本低廉的优点，但同时也存在重量大、易损坏、难以维修等缺点。
随着材料技术和结构设计的发展，新型的深水钻井隔水管不断涌现，如玻璃纤维增强塑料隔水管、碳纤维增强塑料隔水管等，这些新型隔水管具有轻便、抗腐蚀、易于安装等优点，逐渐取代了传统的钢丝绳水泥隔水管。
深水钻井隔水管的当前应用和发展趋势•目前，深水钻井隔水管已经成为了全球海洋石油工业中不可或缺的一部分，广泛应用于海洋油气资源的开发中。
•随着技术的不断进步和应用需求的不断提高，深水钻井隔水管也在不断地进行着更新换代。
未来，隔水管将更加注重轻量化、高强度、耐腐蚀、易于安装等方面的性能提升，以满足更加复杂的海洋环境和高效率的钻井作业需求。
同时，随着数字化和智能化技术的不断发展，深水钻井隔水管的智能化监测和控制系统也将成为未来发展的重要方向。
通过对隔水管运行状态的实时监测和调控，能够提高钻井作业的安全性和效率，降低事故发生的风险。
此外，随着环保意识的日益增强，绿色制造和可持续发展也成为了隔水管行业的重要发展趋势。
钻柱对隔水管固有频率的影响分析
钻柱对隔水管固有频率的影响分析郭孟强;李军强【摘要】隔水管作为海洋石油钻井的重要设备，其安全使用不仅直接关系到整个钻井作业是否顺利完成，而且关系到钻井平台的安全。
目前关于隔水管固有频率的研究主要集中在海水质量、隔水管尺寸、顶部张力等因素对隔水管固有频率的影响，但尚未看到钻柱对隔水管固有频率的影响研究。
因为隔水管在海水中的运动属于大位移、小变形，内部钻柱随着隔水管一起运动。
分析钻柱质量和截面尺寸对隔水导管固有频率的影响。
研究结果表明，忽略钻柱质量对隔水管固有频率产生较大误差，最大相对误差约为6．2％。
该研究结果为钻井隔水管的设计、安全使用提供一定参考作用。
%As an important equipment of offshore oil drilling, the safeuse of the marine risers are not only related to the suc-cess of whole drilling operations, but also related to the security of drilling platform.At present, researches on the natural fre-quency of the riser are mainly concentrated at the influences of the oceanic mass, the riser size and the top tension to the natu-ral frequency of the marine riser, yet there isn′t research on the influence of drill string on naturalfrequency of marine riser. Because the movement of marine riser belongs to a large displacementand small deformationin the sea, the drilling moves company with the riser, the influences of drill string quality and its sectional dimension on the natural frequency of the riser are analyzed.The results show that regardless ofthe drill string quality, the relative error that is produced on the first five order of the marine riser's natural frequency is about 6.2%.This studyprovides the theoretical analysis basisfor the design,safety use of the marine riser, as well as the safety of deepwaterdrilling wellhead.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】3页(P60-61,64)【关键词】钻柱;隔水管;固有频率;钻井【作者】郭孟强;李军强【作者单位】西安石油大学机械工程学院，陕西西安 710065;西安石油大学机械工程学院，陕西西安 710065【正文语种】中文【中图分类】TE951隔水管是连接井口与钻井平台之间的重要设备,已在钻井平台以及钻井船上得到广泛应用［1］。
深水钻井隔水管失效分析及概率计算
工程技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald11海洋深水钻井作业是一项高风险、高技术的系统工程，海水深度增加、作业环境恶劣、地下情况复杂等各种问题对深水钻井的技术和装备提出了更高的要求。
深水钻井隔水管是深水钻井装备中必不可少的一部分，主要用于连接海洋钻井平台和海底井口，从而起到隔绝海水、提供钻井液往返的通道、支持辅助管线、引导钻具、下放与撤回井口防喷器组等作用[1]。
近年来，我国加大了对深水油气资源的开发。
在深水钻井中，随着水深的增加，隔水管的受力状态更加恶劣和复杂，一方面由于长期受到风、浪、流等环境载荷的作用，容易产生疲劳失效；另一方面钻进时钻杆柱在隔水管内部高速旋转，极有可能与隔水管内壁发生接触和摩擦，甚至造成磨损失效[2]。
海洋石油工业曾发生过多起隔水管系统失效事故，严重威胁海洋钻井作业安全，并带来巨大的经济和环境损失。
目前，对深水钻井隔水管系统失效问题国内还没有足够的重视，相关的研究也不是特别深入。
随着我国对深水油气开采力度的不断加大，对深水钻井隔水管系统失效问题的研究越来越重要。
1 失效模式深水钻井隔水管系统在现场作业过程中承受的环境载荷和作业条件等复杂而多变，导致隔水管系统可能发生多种形式的失效。
美国矿产管理局曾对墨西哥湾发生的3971起海洋管道失效事故进行过统计，其中约有55%是由海水长期腐蚀引起的[3]，可见腐蚀是隔水管失效的主要模式；其次，隔水管在海流和波浪中会产生振动，在振动载荷的长期作用下容易造成疲劳损伤，因此疲劳也是隔水管失效的主要模式；再次，随着钻井水深的增加，钻杆柱对隔水管内壁的磨损更加突出，更易引发磨损失效事故。
1.1 腐蚀失效海水中含有大量的溶解氧，其p H值在7.2～8.6之间不等。
隔水管长期浸在海水中时，随着氧的去极化过程而逐渐被腐蚀，腐蚀速率由阴极极化控制。
海水中高浓度的Cl -会对隔水管表面形成的钝化膜造成破坏，尤其是隔水管外部，从而加速隔水管的腐蚀，造成点蚀或孔蚀。
深井高温对钻柱横向振动固有频率影响研究
固有频率改 变率 /% - 0 526 6 - 0 667 0 - 0 929 2 - 1 593 0 - 6 605 3 - 1 055 3 - 1 337 6 - 1 866 0 - 3 210 2 - 13 706 0 - 1 586 2 - 2 012 1 - 2 810 6 - 4 852 9 - 21 436 3 - 2 119 4 - 2 690 3 - 3 763 4 - 6 522 4 - 30 004 4 - 2 654 7 - 3 372 5 - 4 724 6 - 8 220 2 - 39 767 0 - 3 192 4 - 4 058 7 - 5 694 4 - 9 948 0 - 51 439 1 - 3 732 5 - 4 749 0 - 6 673 0 - 11 707 4 - 66 987 7
l = l0 ( 1 + l T )
( 3)
D d = D d0 ( 1 + l T )
( 4)
D i = Di0 ( 1 + l T )
( 5)
由计算知, 温度升高 T 时, 钻柱横截面积为
A = A0 (1+ l T )2
( 6)
钻柱的横截面惯性矩为
I = I0 ( 1 + l T ) 4
( 7)
柱材料的质量密度; I0 是标准温度时钻柱横截面惯 性矩; A 0 是标准温度时钻柱横截面面积。
如果发生横向振动的钻柱段长度标准温度时为
l0, 和目前大多数文献一样, 取发生横向振动的钻 柱段为简支梁模型。则可求得标准温度时钻柱横向
振动各阶固有频率的精确解为
j0 = ( j )2 l-0 2 E 0 I0 ( A 0 ) - 1
收稿日期: 2006- 02- 25 (本文编辑 王志权 )
深水钻井隔水导管挠曲方程和固有频率的计算及其研究
女 】 姜 伟 巾
（ 国海 洋 石 油 总 公 司 ， 京 １０ ２ ） 中 北 ０ ０ ７
［ 摘要 】 从 深水钻井应用 的隔水导管 的使用实 际情况出发 ， 应用弹塑性力 学中的位移 复分原理 的 Ｒｔ 法 ， ｉ ｚ 考 虑了隔水导管所受 到的轴 向张力 和隔 水导 管受 力产 生 的倾角 以及 由于 自重 ｑ 产 生 的 自重横 向分力 所 ｑｉ ／ ｓ Ｏ和轴 向分力 ｑｏ ， ｎ ｃｓ 建立 了较为合理 的挠 曲方 程 ， 且 由此得 到 隔水 导管 的固有振 动频率 的简 易计算 并 求解 方法 。由于该挠 曲方程结合 了钻具 的实际情况 ， 其挠 曲方 程 的约束条件 采用 的是一端 铰支 、 一端 自由的 形式 ， 因此其研 究更接近实 际情 况 ， 研究 旨在 为深 水钻井 隔水 导管 的合 理使用 设计 和选择 ， 供一 种更快 捷 提
导 管一 直 是钻 井 工作 中的重要 问题 之 一 。从 运动 状
２ 深水钻 井隔水 导管挠 曲方程的建立
在研 究 深水 钻 井 隔 水 导 管 问题 的 过 程 中 ， 据 根 隔水 导管 的 实 际使 用 情 况 ， 图 １中可 以发 现 其 主 在 要特 点如 下 ： １ 隔水 导管 的顶 部 受 到所 施 加 的 张 力 Ｐ（ Ｎ） ） ｋ 的作 用 ； ２ 隔水 导 管 最 上 端 是 跟 钻 井 装 置 联 系在 一 起 ）
６ ６ 中 国 工 程 科 学
４ 由于海面 上的钻井装置受 到海 流作用要产 ）
１＋８ ２４— ｎ ３ ｎ ］ （ｎ ４ ＋ ｎ 一２ ） ｝
弦长 之差 为
（） ３
生漂移 ， 因此带动在水面井 口固定 的隔水导管上部 产生 关联 漂 移运 动 ， 而 使 隔 水 导 管 上部 产 生 因漂 进
深水钻井隔水管＂三分之一效应＂的发现——基于海流作用下深水钻井隔水管变形特性理论及实验的研究
王 国荣 黄 鑫 石 晓 兵 付 强 柳 军
（ １ ．中 国海 洋 石 油 总 公 司 ； ２ 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室）
摘 要 深 水 钻 井 隔水 管是 连接 平 台和 水 下 井 口的 关键 设 施 ， 其 在 海 水 中 既 受 到 海 流 等 海 洋 环境 的影响 ， 同时 也 受到 各 种 深 水 钻 井Ｚ － ． 程 因素 的 影 响 。深 水 钻 井 隔 水 管 的 受 力 和 变形 规 律
深 海 环境 中海 流 类 型大 多 为 剪切 流 ， 因此 研究 真 实剪 切海 流作 用下 隔水 管 的形变 特性将 对 隔水 管 的设 计 、 张 紧力 的优 化 、 浮力 块 的配 置 、 钻 井 参数 的
优选 等 具有 更加 重要 的指 导意 义 。笔者 以理论 模 型
是 均 匀来 流下 的立 管 涡 激 振 动 特 性 ， 且 没 有 考 虑 钻 井 工况 。此 外 ， 国外 学者 采用 最小 势 能原 理 ， 通 过建
管形 变 特性 研 究 ， 在 实验 研 究 中 以“ 海洋石油 ９ ８ １ ”
＊国 家 自然 科 学 基 金 “ 基于钻井系统动力学的深海钻井升沉补偿系统机理研究（ 编号 ： ５ １ ２ ７ ４ １ ７ １ ） ” 、 国 家科 技重 大专 项 “ 大 型 油 气 田及 煤 层 气开发——海洋深水工程重大装备及配套工程技术 （ 编号 ： ２ ０ ０ ８ Ｚ Ｘ０ ５ ０ ２ ７ 、 ２ ０ １ １ Ｚ Ｘ ０ ５ ０ ２ ７ ） ” 部分研究成果 。 第 一 作 者 简 介 ：周 守 为 ， 男， 中国工程院院士 ， 教授级高级工程师 ， 海洋石油开发工程专家。
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摘 要 针 对 深 水 钻 井 隔 水 导 管 在 起 下 作 业 过 程 中 的 受 力 特 点 ， 立 了 隔 水 导 管 系 统 受 力 与 变 形 建 模 型 ， 推 导 出 了 隔 水 导 管 系 统 的 挠 曲 方 程 ； 此 基 础 上 ， 据 能 量 守 恒 原 理 建 立 了 隔 水 导 管 系 统 并 在 根 的 固 有 频 率 方 程 。 通 过 实 例 计 算 ， 究 了起 下 作 业 过 程 中 隔 水 导 管 系统 固有 频 率 的 分 布 规 律 ， 研 以期 为 海 上 钻 井 作 业 安 全 和 管理 提 供 科 学 依 据 。
ｎ， １－ ｃ ｓ （ ｏ ）＋ ．・ ． （ １）
均布 载荷横 向分 力 ｑｓ ａｐ 。１ｏ －ｉ ｄ（ ｃ 一 ０ ｑ 、
写 成 代 数 和 的 形 式 为
一
ｑｓ ￣ ２ｓ ＋ ｎ－） １ ｌｎ ］ ａ １ ｃｎ ２ ｎ 口（） ｉ ｏｎ ｎ ｄ ３
学 特性 问题 的研究 ， 于提高 作业 安全 性与 效率 ， 对 以
Ｔ
图 １ 深 水 钻 井 隔 水 导 管 受 力 模 型 图
为研究 问题简 便 起 见 ， 先 沿 钻 井 隔水 导 管 轴 首 线 方 向建 立 坐 标 系 ， 设 ： 钻 井 隔 水导 管 长 为 ｚ 并 ① ， 其 自重 为 ｑ 在 轴 向力 作用 下 产 生 的倾 角 为 ａ ② 水 ， ；
１ 力 学模 型 的建 立
深 水钻 井隔水 导 管在 起 下 过 程 中， 隔水 导管 其 管 串都 必须 要坐 在钻 台 的转 盘 面 上 ， 在 转盘 上坐 并 好 隔水 导管 的卡盘 ， 整个管 串重 量坐 在 卡盘上 ， 把 再 进 行隔水 导 管法兰 的拆 卸 或 连接 工 作 ， 时 隔 水 导 此
力， 因此 相 当于 作 用 力 Ｐ在 自由端 ， 受 力 模 型 如 其
图 １所 示 。
圈 ２ 深 水 钻 井隔 水 导 管 载 荷 分 布 图
＊ 国家 ８３深水表层钻井关键技术及装备研究” 题 （ ６“ 课 编号 ：０ ７ ０ Ａ１３ 部 分 研 究 成 果 。 ２ ０ ＡＡ ９ ０ ） 作者简介 ： 伟， ， 姜 男 高级 工 程 师 ，９ ２年 毕 业 于 原 西 南 石 油 学 院 钻 井工 程 专业 ， 任 中 国海 洋 石 油 总公 司 副 总 工 程 师 （ 井 ） １８ 现 钻 。地 址 ： 京 北 市 东 城 区 朝 阳 门北 大街 ２ ５号 海 洋 石 油 大 厦 （ 编 ： ０ ０ Ｏ 。 邮 １ ０ １ ）
３ ８
中 国 海 上 油 气
２ １ 正 ００
由 文 献 Ｌ ｊ日 ， 于 一 端 嵌 崮 、 端 目 由 的 捍 ２ ］知 对 一
。
一
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性 梁 ， 挠 曲方程 可 以描述为 其
一
∑ １Ｃ －Ｏ Ｓ
）１ （） ２
１ｃ －２＿ ｓ ） 一 ｓ ｔ （ ｃ筹 ＋ 。 － １ｏ ） ０
起 下 作业 过 程 中 的 动力 学 特 性 研 究 具 有 十 分 重 要
的意义 。 “ 一 五 ” 间 ， 者 在 深 水 隔 水 导 管 的 运 动 及 十 期 笔 其动 力 学 特性 方 面 开展 了一 系列 的研 究工 作 ¨ ， １ 重 ］ 点对 隔水管 安装 完 成 以后 的工 作 状 态 进行 了研 究 。
第 ２ ２卷
第 １期
中 国 海 上 油 气
ＣＨ Ｉ ＮＡ ＦＦＳＨ ＯＲ Ｅ Ｉ Ｏ ＯＩ Ａ ＮＤ ＧＡ Ｓ
ＶｏＩ ２ Ｎｏ．１ ＿２ Ｆｅ ２ Ｏ ｂ． Ｏ１
２１ ０ ０年 ２月
深水钻 井隔水导 管在 起 下作 业过程 中的 固有频 率研 究 ＊
姜 伟
（ 国海洋石油总公司） 中
管 的 最 下 部 连 接 有 水 下 防 喷 器 组 ， 就 是 受 到 一 个 也
集 中载荷 力 Ｐ的 作 用 。如 果 将 此 时 隔水 导 管 坐 在 卡盘 一端视 为嵌 固端 ， 并且 将 隔水导 管倒 过来 看 ， 由
于 隔水 导 管是坐 在 转 盘 面上 ， 整个 管 串受 到 提 升 且
但在 钻井作 业 中发 现 ， 水 钻井 隔水 导 管 起 下作 业 深 过程 中还有 许多 问题 需 要 进 行 深入 研 究 ， 特别 是 遇 到恶劣 海况 ， 会 严 重 影 响钻 井 隔 水 导 管 的 安 全 。 将 因此 ， 开展深 水钻 井 隔 水 导管 在 起 下 过 程 中 的动 力
由文 献［ ］ ４ 可知 ， 弹性 系统对其 平衡 位置作 一微
∑。１Ｃ（－）］ －Ｓｎ１ｘ Ｏ２ ￣
下 防 喷 器 的 重 量 产 生 的 集 中 载 荷 为 ， 作 用 于 隔 且
及 降低作业 成 本 ， 有 十分重 要 的意义 。 具
水 导管 的底 部 ； 不 考 虑 波 浪 流对 于 隔水 导 管 的横 ③ 向作用 力 。因此 ， 井 隔 水 导 管承 受 的横 向均 布 载 钻 荷 为 ｑｓｎ ， 向集 中载 荷 为 Ｐ ｓ ａ 均 布 载荷 产 生 ｉａ 横 ｉ ， ｎ 的轴 向载 荷 为 ｑＣ Ｓ ， 中载荷 产 生 的轴 向载 荷 为 Ｏ ａ 集 Ｃ Ｓ 。此时 ， Ｏａ 在横 向及 轴 向载荷 作 用 下 ， 钻井 隔水 导管相 当于在 纵横 弯 曲条 件 下 的悬 臂 梁 ， 载 荷 分 其 布如 图 ２所示 。
关键词 深 水钻 井 隔水 导 管 起 下作 业 固有频 率
深 水 钻 井 首 先 遇 到 的 是 钻 井 隔 水 导 管 的 问 题 。 由 于 深 水 钻 井 隔 水 导 管 是 连 接 钻 井 船 与 水 下 井 口 的 唯 一 通 道 ， 此 ， 展 深 水 钻 井 隔 水 导 管 在 因 开