專利名稱:一種防止鉆井隔水導管與鉆柱產(chǎn)生諧振的方法
技術領域:
本發(fā)明涉及一種防止諧振產(chǎn)生的方法,特別是關于一種應用于海洋石油鉆井中的防止鉆井隔水導管與鉆柱產(chǎn)生諧振的方法。
背景技術:
在深水作業(yè)時,深水鉆井隔水導管是連接海底與水面鉆井裝置的唯一通道,具有連接海底水下防噴器與水面鉆井裝置控制設施等重要功能,在整個深水鉆井過程中的作用尤為重要。隔水導管不但要給在其內(nèi)部進行旋轉(zhuǎn)鉆井作業(yè)的鉆柱提供密閉環(huán)境,同時還是鉆井液的循環(huán)通道。在深水鉆井問題的研究中,對隔水導管的研究是一個必不可少的環(huán)節(jié)。如何合理的使用隔水導管,一直是鉆井工作中的重要問題之一。
從運動狀態(tài)方面考慮,隔水導管在海底一端的運動狀態(tài)受水下井口的約束,而在海面的一端受鉆井裝置的約束。隔水導管受到頂部張力,自重產(chǎn)生的橫向以及軸向分力,作業(yè)水域里海流的沖擊作用;另外,隔水導管還受到由于鉆井裝置運動所產(chǎn)生的耦聯(lián)運動的影響。由于在鉆井作業(yè)中,鉆柱本身在固有頻率下要發(fā)生橫向震動,同時隔水導管本身也有其固有頻率,當這兩個頻率達到一致時,整個隔水導管和鉆柱產(chǎn)生諧振。諧振現(xiàn)象產(chǎn)生時,隔水導管和鉆柱的震動幅度達到最大值,導致隔水導管和鉆柱之間的觸點發(fā)生劇烈摩擦。同時,由于鉆柱接頭上有硬質(zhì)合金的涂層,其硬度大于隔水導管的硬度,因此在摩擦過程中使隔水導管的內(nèi)部管體發(fā)生過度磨損。過度磨損直接導致隔水導管的承壓能力大大下降,使用壽命縮短,嚴重時甚至會影響到深水鉆井的安全。
由于深水鉆井作業(yè)中隔水導管和鉆柱運動的復雜性,諧振問題一直沒有得到很好的解決,更沒有一個合理的選擇鉆柱轉(zhuǎn)速的方法。常規(guī)觀點是將隔水導管視為是上、下端均為鉸支撐的固定方式,而它的缺陷在于,它沒有充分考慮到在深水作業(yè)中,海流運動對鉆井裝置產(chǎn)生的漂移影響。本發(fā)明就是針對深水隔水導管的運動特性和振動特性的研究,提出了對諧振問題的具體解決方案。
發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題,本發(fā)明的目的是提供一種充分考慮到在深水作業(yè)中,海流運動對鉆井裝置產(chǎn)生的漂移影響的防止深水鉆井隔水導管與鉆柱產(chǎn)生諧振的方法。
為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采取以下技術方案一種防止鉆井隔水導管與鉆柱產(chǎn)生諧振的方法,其包括以下步驟 1)假設隔水導管上端是由張力器懸掛在漂浮式鉆井平臺上且受漂移量限制的自由端,下端是由柔性接頭連接在防噴器以及水下井口上的鉸支端,進而形成一漂浮式鉆井模型; 2)根據(jù)漂浮式鉆井模型,建立隔水導管固有頻率的方程ω 3)帶入鉆井作業(yè)時鉆柱的轉(zhuǎn)速N,由隔水導管的固有頻率計算出鉆柱的諧振轉(zhuǎn)速Nn 4)避開鉆柱的諧振轉(zhuǎn)速Nn選擇鉆柱轉(zhuǎn)速。
所述步驟1)中的隔水導管固有頻率的方程ω,采取以下步驟得出 ①基于漂浮式鉆井模型,建立隔水導管撓曲方程 其中,l為隔水導管的長度,an表示撓度系數(shù), 其中 T-軸向力N; E-彈性模量N/m2; I-極慣性矩, OD-隔水導管外徑m ID-隔水導管內(nèi)徑m g-重力加速度 K2=-64n4+128n3-96n2+32n-4 K3=-32n4+64n3-48n2+16n-2 K4=32n5-80n4+80n3-40n2+10n-1 K5=64n5-160n4+160n3-80n2+20n-2 K6=32n5-80n4+80n3-40n2+10n-1; ②根據(jù)隔水導管撓曲方程,計算隔水導管固有頻率公式固有頻率的平方為 則可知固有頻率ω 當n=1時, 即當x=l時,漂移量為 本發(fā)明由于采取以上技術方案,其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明從深水鉆井作業(yè)實際情況出發(fā),同時考慮到鉆井裝置由于海流運動產(chǎn)生漂移的因素,建立了隔水導管下端為鉸支撐,上端為一個由張力器懸掛在漂浮式鉆井平臺上的自由端的漂浮式鉆井模型,使其更適合深水鉆井作業(yè)中的實際工況。2、本發(fā)明通過能量法求得的隔水導管撓曲方程,考慮了隔水導管所受到的軸向力T、傾角α、自重q的軸向分力qcosα和垂向分力qsinα,通過它得出了隔水導管固有頻率的計算公式,以此來合理選擇鉆柱的轉(zhuǎn)速,有效的避免了隔水導管與鉆柱產(chǎn)生諧振。3、本發(fā)明的隔水導管固有頻率計算公式對隔水導管運動狀態(tài)的研究有了理論的指導,在實際應用中具有重大的實踐意義,同時該方法可用于在深水鉆井作業(yè)中,有效保護隔水導管,從而保證深水鉆井作業(yè)的安全進行。
圖1是本發(fā)明的漂浮式鉆井模型示意圖 圖2是本發(fā)明的隔水導管的受力示意圖
具體實施例方式 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的進行詳細的描述。
在研究隔水導管問題的過程中,可以發(fā)現(xiàn)其運動狀態(tài)有以下特點1)通常隔水導管最上端是跟鉆井裝置聯(lián)系在一起的,但考慮到在深水鉆井的實際工況中,海面上的鉆井裝置受到海流作用要產(chǎn)生漂移,因此帶動在水面井口固定的隔水導管上端也產(chǎn)生關聯(lián)漂移運動。2)隔水導管下端是連接在水下井口以及防噴器上的,顯然,可視其為固定的鉸支撐。3)隔水導管的頂部受到軸向力T的作用;隔水導管本身還具有自重q。
一、漂浮式鉆井模型 如圖1所示,基于以上運動狀態(tài)的分析,為了使隔水導管1的設計更符合實際,本發(fā)明的漂浮式鉆井模型是將隔水導管1上端由一個鉸支撐承固定的假設,置換成為一個由張力器2懸掛在漂浮式鉆井平臺上且受漂移量ymax限制的自由端的假設。而隔水導管下端仍由柔性接頭3連接在防噴器4以及水下井口5上,柔性接頭3的連接方式被視為鉸支撐。這樣漂浮式鉆井模型下的隔水導管1,由于其上端被視為自由端,使得隔水導管1的軸線與垂線之間存在傾角α。根據(jù)隔水導管1的實際使用情況,將其軸向作為橫坐標x軸的方向,將垂直于軸向的方向作為縱坐標y軸的方向,隔水導管1的長度為l。在產(chǎn)生傾角α的條件下,隔水導管1自重q將會產(chǎn)生在軸向分量qx=qcosα,以及在垂直于軸線方向的垂向分量qy=qsinα,這兩個正交分力都同時作用在隔水導管1上。
二、隔水導管撓曲變形方程 基于漂浮式鉆井模型的特點,對隔水導管建立撓曲方程,寫成三角級數(shù)的形式為 其中,an表示撓度系數(shù)。則隔水導管的撓曲變形能為 其中,E為隔水導管鋼材的彈性模量,通常情況下E=2.058×105MPa;I為慣性矩,I=3.14(OD-ID)/32,OD為隔水導管的外徑,ID為隔水導管的內(nèi)徑。因此,對(1)式進行二階求導后,代入(2)式積分得到 由于隔水導管在存在傾角α時,其彎曲弧度和弦長之差為 因此對(1)式求二階導數(shù)后代入(4)式可得 由λ對撓度系數(shù)an求導,得到的位移增量dλ為 由于此時軸向力T為軸向張力,由于它屬于拉伸力,因此做的是負功 隔水導管的自重q的垂向分量qy=qsinα做功為 隔水導管的自重q的軸向分量qx=qcosα做功為 (9) 由彈、塑性力學可知,彈性系統(tǒng)對于其平衡位置做一微小位移,此系統(tǒng)位能的增量就等于外力在該位移下所做的功。因此,隔水導管的撓曲變形能u等于軸向力T做功、隔水導管軸向分量qx所做功以及垂向分量qy所做功之合。即為 u=WT+Wqx+Wqy(10) 將上述(7)式、(8)式和(9)式代入(10)式可以得到 由此可以解得 為了簡化(12)式,令 K1=64n3-48n2+16n-2-32n4(13) K2=-64n4+128n3-96n2+32n-4(14) K3=-32n4+64n3-48n2+16n-2(15) K4=32n5-80n4+80n3-40n2+10n-1(16) K5=64n5-160n4+160n3-80n2+20n-2(17) K6=32n5-80n4+80n3-40n2+10n-1(18) 因此,將(13)~(18)式代入(12)式可以得到 代(19)式入(1)式得出隔水導管的撓度方程為 (20) 由于級數(shù)方程有很好的近似,取級數(shù)的第一項的計算精度就足以滿足工程計算的需要,故選擇n=1。(20)式寫成 對(21)式進行分析,不難發(fā)現(xiàn)有以下特點 1、隔水導管的撓曲方程在考慮到自重q的軸向分量qx、垂向分量qy和軸向力T作用下,準確的反映了隔水導管的撓度y的特點。由(21)式可知,隔水導管的撓度y與隔水導管長度l、垂向分量qy成正比,與軸向力T、自重q的軸向分量qx成反比。這從另一方面告訴,增大張力器2上的軸向力T或者增加隔水導管自重q均可以降低撓度y。
2、求隔水導管上端的撓度y,即當x=l時,根據(jù)(21)式,此時在隔水導管上端有最大撓度為ymax。這樣的結(jié)果符合實際情況。
三、隔水導管固有頻率公式 隔水導管的固有頻率就是鉆柱的諧振頻率。因此,在求解得出隔水導管撓曲方程(21)以后,不難求得其固有頻率的平方為 其中,g為重力加速度。顯然,將撓度y的方程代入(23)式,即可以求得參數(shù) (24) 同理可得 (25) 將(24)式和(25)式代入(23)式中,可得出,固有頻率 將(12)式的撓度系數(shù)an代入(26)式又得到 對于如此繁雜的算式,雖然經(jīng)過簡化處理但使用起來仍感不便。由于在實際應用中,鉆柱的轉(zhuǎn)速有一個大致的范圍,對于超出這個范圍的計算都無實際意義。因此在上式中只取其前5階進行計算鉆柱的諧振轉(zhuǎn)速Nn,大大簡化了計算步驟。
當n=1時,為一階固有頻率 當n=2時,為二階固有頻率 當n=3時,為三階固有頻率 當n=4時,為四階固有頻率 當n=5時,為五階固有頻率 至此,本發(fā)明得出了計算固有頻率ω的計算公式,這樣就可以通過避開固有頻率,確定鉆柱的轉(zhuǎn)速N。觀察(26)式,可以發(fā)現(xiàn)其特點如下 1、固有頻率ω與軸向張力T隔水導管的彈性模量EI均成正比。
2、固有頻率ω與l4成反比,換言之也就是說隔水導管的固有頻率ω隨著其長度l的4次冪的增加而降低。
3、隨著振動階數(shù)的增加,前5階固有頻率明顯增加,并且增幅在3倍以上。
四、隔水導管的撓曲方程及其固有頻率的分析 當將隔水導管視為如背景技術中描述的,兩端鉸支撐的固定方式時,則采用隔水導管撓曲變形函數(shù)是 用該函數(shù)所得出的撓曲方程為 其中,各個參數(shù)的含義與(21)式相同。當n=1時有 當時,達到y(tǒng)′=y(tǒng)max′,則可知隔水導管的最大撓度發(fā)生在梁的中部,則有 直觀來講,這是不符合深水鉆井作業(yè)的實際情況的。
以上分析說明 1、將隔水導管視為兩端鉸支撐的固定方式下,其最大撓度必然是在上下兩端鉸支撐定點的中點處,且有最大值如(36)式所示的情況。
2、而在本發(fā)明的漂浮式鉆井模型中采用下端為鉸支撐,上端為自由端的結(jié)構(gòu)。直觀上講,隔水導管的最大撓度ymax發(fā)生在上端x=l處,即為限制隔水導管自由端的漂移量。而如(22)式所示,本發(fā)明得出的結(jié)論與實際情況是相符合的。
3、當漂移量ymax很小時,取撓曲方程(34)式及其固有頻率的計算方式是合理的。但如果隔水導管有較大的漂移量時,則應按照本發(fā)明的撓曲方程(20)式計算隔水導管的撓度y,其固有頻率ω應按照(27)式計算為宜。
4、考慮到深水鉆井作業(yè)時,需要合理選擇鉆柱的轉(zhuǎn)速N,此時將隔水導管的固有頻率換算成鉆柱的諧振轉(zhuǎn)速Nn,則有 至此,本發(fā)明將隔水導管的固有頻率ω與鉆柱的諧振轉(zhuǎn)速Nn建立了內(nèi)在的聯(lián)系。以此可以指導在選擇鉆柱的轉(zhuǎn)速N時,充分考慮到隔水導管的固有頻率ω。從而盡量避開選擇柱的轉(zhuǎn)速N在諧振轉(zhuǎn)速Nn的范圍之內(nèi),這樣就可以有效的減少和避免隔水導管的磨損和損壞。本發(fā)明的固有頻率計算公式對隔水導管運動狀態(tài)的研究有了理論的指導,在實際應用中具有重大的實踐意義,同時該方法可用于在深水鉆井作業(yè)中,有效保證深水鉆井作業(yè)的安全進行。
五具體實施例方式 下面對本發(fā)明的具體實施過程舉例說明如下 實施例1 已知,深水鉆井隔水導管外徑OD=0.609m,內(nèi)徑ID=0.58m,其單位長度在空氣中的重量為q=232.4kg/m。試求其在水深500m-3000m時隔水導管的固有頻率是多少? 解按照管內(nèi)泥漿密度為1.3g/cm3計算,同時考慮到導管內(nèi)泥漿和海水密度差別引起的浮力作用,按照(28)-(32)式可以求解,得出在不同水深條件下,固有頻率的變化規(guī)律,詳細數(shù)據(jù)見表1。
表1609.6mm(24″)隔水導管前5階固有頻率計算結(jié)果
上述表格中加粗字體為諧振轉(zhuǎn)速Nn范圍,應設法予以避免。
實施例2 已知,深水鉆井隔水導管外徑OD=0.762m,內(nèi)徑ID=0.7239m,其單位長度在空氣中的重量為q=349kg/m。試求其在水深500m-3000m時隔水導管的固有頻率是多少? 解同理,本發(fā)明可以按照泥漿密度為1.3g/cm3計算其重量和浮力,并按照(28)-(32)式求解,得到不同水深條件下,固有頻率的變化規(guī)律,詳細數(shù)據(jù)見表2。
表2762mm隔水導管前5階固有頻率計算結(jié)果
上述表格中加粗字體為諧振轉(zhuǎn)速Nn范圍,應設法予以避免。
觀察表1和表2可以發(fā)現(xiàn) 1、在同樣的長度l和同樣的導管尺寸OD、ID條件下,隔水導管傾角α越小,固有頻率ω就越高。如表1中,隔水導管水深在2000m的條件下,當傾角α=3°時,其三階固有頻率ωn=3為0.02sec-1,而在傾角α=5°時,其三階固有頻率ωn=3減小至0.01sec-1。
2、在同樣長度l和同樣的傾角α條件下,導管幾何尺寸增大,固有頻率ω增大。如表1和表2中,同樣在水深2000m傾角α=1°條件下,當采用φ609.6mm隔水導管時,其三階固有頻率ωn=3為0.07sec-1,而此時當采用φ762mm隔水導管時,其三階固有頻率ωn=3卻增加至0.089sec-1。
3、在同一幾何尺寸,同一階數(shù)的固有頻率的條件下,隨著長度l的增加,其固有頻率ω是降低的。如表1中φ609.6mm隔水導管傾角α=1°,三階固有頻率條件下,500m水深時固有頻率為3.64sec-1,而在水深為3000m時,固有頻率降低到0.1sec-1。表2中φ762mm隔水導管傾角為1°,500m長度時固有頻率ωn=3為4.484sec-1,而在水深為3000m時,固有頻率ωn=3降低到0.126sec-1。
4、由表1和表2可以發(fā)現(xiàn),在本例假定條件下,要盡量避免常用的鉆柱轉(zhuǎn)速N與隔水導管發(fā)生共振。此時在φ609mm和φ762mm的隔水導管中,多發(fā)生在500m長度時,而在φ762mm的導管中共振轉(zhuǎn)速Nn的范圍更廣。在鉆井作業(yè)中,隨著隔水導管長度的增加,其避免諧振的情況也就越復雜。因此應該盡量選擇鉆柱轉(zhuǎn)速避免的范圍,否則難以保證鉆柱和隔水導管的安全。
本發(fā)明研究深水隔水導管固有特性的意義,很重要的一點就是為在進行鉆井作業(yè)時,對鉆井作業(yè)參數(shù)的選擇提供了決策依據(jù),應當盡量避開固有頻率附近選擇鉆柱的轉(zhuǎn)速,從而最大限度避免了鉆柱和隔水導管之間發(fā)生諧振,而損壞隔水導管,從而盡可能保證隔水導管的安全和鉆井作業(yè)的順利進行。
權利要求
1、一種防止鉆井隔水導管與鉆柱產(chǎn)生諧振的方法,其包括以下步驟
1)假設隔水導管上端是由張力器懸掛在漂浮式鉆井平臺上且受漂移量限制的自由端,下端是由柔性接頭連接在防噴器以及水下井口上的鉸支端,進而形成一漂浮式鉆井模型;
2)根據(jù)漂浮式鉆井模型,建立隔水導管固有頻率的方程ω
3)帶入鉆井作業(yè)時鉆柱的轉(zhuǎn)速N,由隔水導管的固有頻率計算出鉆柱的諧振轉(zhuǎn)速Nn
4)避開鉆柱的諧振轉(zhuǎn)速Nn選擇鉆柱轉(zhuǎn)速。
2、如權利要求1所述的一種防止鉆井隔水導管與鉆柱產(chǎn)生諧振的方法,其特征在于所述步驟1)中的隔水導管固有頻率的方程ω,采取以下步驟得出
①基于漂浮式鉆井模型,建立隔水導管撓曲方程
其中,l為隔水導管的長度,an表示撓度系數(shù),
其中
T-軸向力N;
E-彈性模量N/m2;
I-極慣性矩,
OD-隔水導管外徑m
ID-隔水導管內(nèi)徑m
g-重力加速度
K2=-64n4+128n3-96n2+32n-4
K3=-32n4+64n3-48n2+16n-2
K4=32n5-80n4+80n3-40n2+10n-1
K5=64n5-160n4+160n3-80n2+20n-2
K6=32n5-80n4+80n3-40n2+10n-1;
②根據(jù)隔水導管撓曲方程,計算隔水導管固有頻率公式
固有頻率的平方為
則可知固有頻率ω
3、如權利要求2所述的一種防止深水鉆井隔水導管與鉆柱產(chǎn)生諧振的方法,其特征在于當n=1時,
4、如權利要求3所述的一種防止深水鉆井隔水導管與鉆柱產(chǎn)生諧振的方法,其特征在于即當x=l時,漂移量為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種防止鉆井隔水導管與鉆柱產(chǎn)生諧振的方法,其包括以下步驟1)假設隔水導管上端是由張力器懸掛在漂浮式鉆井平臺上且受漂移量限制的自由端,下端是由柔性接頭連接在防噴器以及水下井口上的鉸支端,進而形成一漂浮式鉆井模型;2)根據(jù)漂浮式鉆井模型,建立隔水導管固有頻率的方程ω(見右下式);3)帶入鉆井作業(yè)時鉆柱的轉(zhuǎn)速N,由隔水導管的固有頻率計算出鉆柱的諧振轉(zhuǎn)速Nn,Nn=30ω/π;4)避開鉆柱的諧振轉(zhuǎn)速Nn選擇鉆柱轉(zhuǎn)速。本發(fā)明通過計算隔水導管固有頻率,以此來合理選擇鉆柱的轉(zhuǎn)速,有效的避免了隔水導管與鉆柱產(chǎn)生諧振。
文檔編號E21B7/12GK101324174SQ20081011775
公開日2008年12月17日 申請日期2008年8月5日 優(yōu)先權日2008年8月5日
發(fā)明者偉 姜 申請人:中國海洋石油總公司, 中海石油研究中心