探析软弱夹层对深水采油管柱地震反应的影响

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1、探析软弱夹层对深水采油管柱地震反应的影响【摘要】本文结合深水采油管柱的结构特性，利用回传射线矩阵法理论建立了深水采油管柱的地震反应模型，着重分析和探讨了软弱夹层厚度及剪切波速这两个关键要素，对深水采油管柱稳定性的影响。【关键词】软弱夹层；深水采油管柱；地震反应1回传射线矩阵法的理论原理及应用本文所应用回传射线矩阵法的理论原理，是将需要分析的整个软弱夹层结构引入到坐标系中，再对每个结构单元逐一建立局部坐标系，然后通过波动方程及Fourier转换，建立适用于采油管柱分析的地震反应模型。在该地震反应模型中，

2、采油管柱被等效视为弹性地基梁，本文采用了经典的的弹性地基梁Timoshenko梁理论，在回传射线矩阵法理论的基础上分别对梁的剪切变形及弯曲变形所造成的转动惯量进行了计算，从而得出了深水采油管柱在软弱夹层各层交界面中，其剪力幅值和弯矩幅值的具体变化规律。2地震反应计算模型的建立2.1软弱夹层在地震反应下的计算模型建立以某软弱夹层为例，建立该场地内夹层的计算模型。该软弱夹层共分5层，各土层界面的编号由下至上分别为N、M、L、K、J，为便于计算假设各土层均为粘弹性土质。假设该软弱夹层的地震输入波为SH波，则

3、可以对整个夹层结构建立总坐标系（，，而对于任意一个土层结构单元KL，可建立局部坐标系为（，）。总体坐标系和局部坐标系均为右手系，局部坐标系的原点分别为K和L。在任意一个土层结构单元KL的局部坐标系下，所得出的动力平衡方程式如下：（1）在上式（1）中，是指该土层结构单元中土体的阻尼系数，其方程为，和分别是指土体阻尼比以及地震角频率;uf和Gs分别为土体的水平位移量和剪切模量；Ps则是指土层结构单元土体的密度值。2.2深水采油管柱和土体综合计算模型的建立深水采油管柱在钻探工作时，地震作用会沿着土层往下对管

4、柱轴线产生连续且均匀分布的作用力。由于采油管柱的底部截面积很小，因此管柱底部的对其承载力也较少，主要是依靠采油管管壁与周围土体的侧摩擦力来承受管柱的重量。为了便于计算分析，假设各土层均为粘弹性土质。同时，考虑到如果忽略采油管柱的剪切变形会带来很大的计算误差，因此将采油管柱被等效视为Timoshenko梁，计算中选取其微元段dx作受力分析。由上文可知，整个夹层结构的总坐标系为意一个土层结构单元的局部坐标系为（，）。根据Timoshenko梁理论，同时综合考虑梁的剪切变形及弯曲变形所造成的转动惯量影响，则

5、可建立采油管柱任意单元KL的动力平衡方程式为：（2）在上式（2）中，K是指深水采油管柱任意一单元KL的等效剪切刚度，其方程式为K=;M则是指单元KL的等效单位质量，其方程式为M=;I是指单元KL的等效抗弯刚度，方程式为1=以是指单元KL的等效转动刚度，方程式为R=;和分别是指采油管柱任意单元KL的截面面积和密度；、和则分别是指采油管柱任意单元KL的剪切模量、弹性模量以及惯性矩。3结合实例分析软弱夹层对深水采油管柱地震反应的影响3.1试验概况分析以某深海区域油气田开发为例，该深水采油管柱的长度为95m,

6、管柱通过井口和防喷器、管线相连接。在钻探过程中，需要经过海底软弱夹层，其厚度约为5m。采油管柱的内部结构，由里到外依次为生产套管、技术套管及表层套管，其结构剖面图详见下图1所示。其中，生产套管的内外径大小分别为381mm和406.4mm;技术套管的内外径大小分别为482.6mm和508mm;表层套管的内外径大小则分别为584.2mm和609.6mm。管柱的密度和弹性模量分别为7.85g/cm3和211GPa。1深水采油管柱内部结构剖对于KL段的深水采油管柱，对其各圈层等效系数进行计算和相加，即可得到采

7、油管柱的等效系数。计算结果为：等效剪切刚度K为1.06X1010N,等效单位质量M为1370kg/m,等效抗弯刚度I为1.52X109N-m2,等效转动刚度R为65.9N•m2。在试验过程中，对该软弱夹层输入的SH波，该波段的加速度幅值为0.5m/s2o然后从软弱夹层的厚度及剪切波速这两个角度出发，分析了深水采油管柱在软弱夹层各层交界面中，其剪力幅值和弯矩幅值的变化规律。3.2软弱夹层剪切波速的影响分析为分析软弱夹层剪切波速，对深水采油管柱地震反应的影响，试验中分别选取了剪切波速为60m/s、90m/

8、s>120m/s和150m/s的KL段土层进行计算分析，土层厚度为5m，密度为1.7g/cm3。根据计算可得出在不同剪切波速条件下，KL段采油管柱弯矩幅值和剪力幅值的频谱图，详见下图2所示。(a)弯矩幅值频谱(b)剪力幅值频谱2剪切波速对KL段采油管柱的影响从图2中可以看出，软弱夹层的剪切波速在低频段，对采油管柱的弯矩幅值和剪力幅值影响均相对较小，随着波速的减小，其变化幅值会相应增大；而剪切波速在中、高频段时，呈现为相反的规律。这也表明了，软弱夹层的剪切