深水钻井隔水管静态有限元求解器设计

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1、石油机械CHINAPETROLEUMMACHINERY2012年第4O卷第2期．．设计计算深水钻井隔水管静态有限元求解器设计王荣耀陈国明畅元江鞠少栋许亮斌(1．中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心2，中海石油研究中心)摘要借助仿真分析来确定钻井作业的最佳参数，对于降低钻井过程中隔水管系统失效危险性意义重大。在对深水钻井隔水管系统静态有限元求解研究的基础上，采用Madab程序设计深水钻井隔水管静态有限元分析求解器，以1500In水深某井为例进行实例分析，并对分析结果进行了验证。设计时隔水管单根采用二维

2、梁单元进行模拟，所支持的单元类型包括所有关键的隔水管部件，隔水管张力以恒定载荷的形式施加在隔水管系统顶部。研究结果表明，软件的计算结果与ABAQUS的计算结果吻合，二者形状规律一致，在数值上也很接近。关键词钻井隔水管静态有限元求解器ABAQUS中图分类号：TE951．02文献标识码：A文章编号：1001—4578(2012)02—0018—04(1)在二维空间中进行分析；0引言(2)在每个单元内几何特性和材料特性不变；(3)隔水管上端与浮式平台相连，作为位移在浮式钻井平台中，钻井隔水管是整个系统重边界考虑；要而又

3、薄弱的环节，对其正确使用直接关系到钻井(4)隔水管下端通过底部总成与防喷器组相作业的顺利完成，甚至整个钻井平台的安全。我国连，视为铰支；南海海域蕴藏着丰富的油气资源⋯，开发前景广(5)隔水管内充满钻井液，不考虑钻柱对隔阔。随着海洋钻井向深水进军，隔水管的长度增水管的影响；加，海况也变得恶劣和复杂2J。(6)通过相关参数的调整，考虑浮力块和附借助仿真分析来确定钻井作业的最佳参数，对属管线等的影响。于降低钻井过程中隔水管系统失效危险性意义重大。笔者在对深水钻井隔水管系统静态有限元求解研究的基础上，采用Matlab程序

4、设计深水钻井隔水管静态有限元分析求解器，以1500m水深某井为例进行实例分析，并对分析结果进行了验证。1深水钻井隔水管系统静态有限元模型深水钻井隔水管静态分析通常为隔水管整体性图1简化后的钻井隔水管系统分析模型能分析的第1步，也是后续特征值(模态分析)1．1静态平衡方程[4]’和动态分析的起点]。钻井隔水管受力十分复杂，深水钻井隔水管系统静态平衡方程为：为了处理问题方便，对实际隔水管进行抽象简化，硒=F(1)简化后的钻井隔水管系统分析模型如图1所示。在式中卜隔水管系统的整体刚度矩阵；进行隔水管整体分析时做如下假设

5、：一隔水管系统的整体位移矩阵；}基金项目：国家高技术研究发展计划(863)项目“深水钻井隔水管系统技术研究”(2008AA09A106)。2012年第40卷第2期王荣耀等：深水钻井隔水管静态有限元求解器设计一隔水管系统的整体载荷矩阵。、、——第个节点在方向的载隔水管在外载荷作用下属于小应变大变形问荷、Y方向的载荷及平面内的弯矩；题，需要进行几何非线性计算。求解平面梁单元的——隔水管单元单位长度上的海流力；几何非线性问题需要用到切线刚度矩阵，隔水管系m——单元单位长度质量；统的切线刚度矩阵K为：——单元长度；K=+

6、KG(2)g——重力加速度。式中——单元线性刚度矩阵；1．2位移边界处理——单元几何刚度矩阵。静态平衡方程在求解之前需要先应用边界条件单元刚度矩阵是在局部坐标系中得到的，它的将隔水管系统的实际边界条件反映到位移矩阵、刚坐标方向是由单元方向决定的。有限元方程的求解度矩阵和载荷矩阵中去。位移边界条件可以通过置是在整体坐标系下进行的，因此要将不同局部坐标大数法和划零置一法来处理。置大数法是近似方系下的单元刚度矩阵转换成具有统一形式的整体刚法，处理时只需要修改2个数值即可，简单方便；度矩阵。整体刚度矩阵可通过对局部坐标系

7、下的刚划零置一法是精确方法，处理上比置大数法要麻度矩阵中相同的整体自由度的部分相加得到。烦，但求得的是精确解。由于存在偏移和变形，各矩阵建立以后需要进假设隔水管系统t，自由度的位移已知，为A行坐标变换，将单元上的节点载荷、位移和刚度矩(A可以为0或者其他任意值)，2．种方法的边界处阵换算到整体坐标系，然后按迭加规则直接相加组理流程如图2所示。成整体载荷矩阵、位移矩阵和刚度矩阵。局部坐标将自由度相应对角线上的刚度保留相应主对角线上的元素例系数如换(成)换成)1个撰大的数，v)，其所在行(v)列(v)系转换到整体坐标

8、系需要用到转换矩阵，平面梁单×10上其他元素均改为0元的转换矩阵为：l将v自由度相应节点载荷lI在载荷向量中令F(v)=)xAIcos—sinotOO001．F(v)换成F)×10×lIF(i)=F()-K(i,v)xA(f≠v)Isinotc0s0000a．置大数法b．划零置一法O01000图22种边界处理方法流程000cos—．sint~01．3静态平衡方程求解O00