考虑地震作用的深水水下井口-浅层管柱稳定性研究

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1、中图分类号：TE52单位代码：11414学号：2013312009题目考虑地震作用的深水水下井口-浅层管柱稳定性研究学科专业油气井工程研究方向油气井流体力学与工程博士生邓嵩指导教师樊洪海教授二○一七年三月ResearchonStabilityofSubseaWellhead-PipeStringinDeepwaterShallowunderEarthquakeExcitationsDissertationsubmittedtoChinaUniversityofPetroleum,Beijinginpartialfulfillmentoftherequir

2、ementsforthedegreeofDoctorofEngineeringByDengSong（Oil&GasWellEngineering）DissertationSupervisorProf.FanHonghaiMar,2017博士学位论文独创性声明郑重声明：本博士学位论文是作者个人在导师的指导下，独立进行研宄工作所取得的成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他个人和集体已经发表或撰写的研宂成果，也不包含为获得屮国石油大学或者其它单位的学位或证书所使用过的材料。对本研宄做出贡献的个人和集体，均已在论文中做了明

3、确的说明并表示了谢意。作者和导师完全意识到本声明产生的法律后果并承担相应责任。、ｙ’７］ｌ作者签名：日期：导师签名ｉ＾ｉＴ［银读日期：博士学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解中国石油大学（北京）学位论文版权使用的有关规定，使用方式包括但不限于：学校有权保留并向有关部门和机构送交学位论文的复印件和电子版；允许学位论文被杳阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论：可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索文。本学位论文作者如需公开

4、出版学位论文的部分或全部内容，必须征得导师书一面同意，且须以中国石油大学（北京）为第署名单位。ｖ／－７Ｍ作者签名：＾曰期：彳导师签名多日期：叫’Ｔ摘要摘要本文基于国家自然科学基金项目“深水钻井隔水管-导（套）管力学特性研究与水下井口稳定性分析（51574261）”，研究了考虑地震作用的深水水下井口-浅层管柱的稳定性。在浅层管柱组合研究时，提出一种考虑隔水管安全余量和浅层气安全余量的深水浅层钻井液安全密度窗口计算方法，得出使用双梯度钻井（Dual-GradientDrilling，DGD）的方法可解决窄钻井液安全密度窗口的问题，D

5、GD技术可以减少1~3层套管。基于深水水下井口-浅层管柱组合及受力分析，设计了水下井口-浅层管动态模拟试验，基于Bockingham-定理确定试验相似比，设计并制作了柔性剪切模型箱及试验用管柱模型，对试验井口加速度和浅层管柱的应变进行测量，根据试验结果得出：井口质量、地震的频率、振幅越大，井口加速度、管柱应变越大，系统稳定性越差；土质越疏松，系统越容易失稳；地震弱化后的土层会使系统更加不稳定。建立考虑系统质量力水平分量做虚功的水下井口-浅层管柱动态性能模型，编制Matlab程序对非线性方程组进行求解。实例分析得出考虑系统质量力做虚功的计算结果与试验值更

6、吻合，系统质量力在井口偏转过程中会使其产生更大的横向位移、偏转角度、弯矩及剪力。不均质土层交界处的弯矩和剪力较大，应注意在工程中不能把套管柱连接处与土层交界面设计在同等深度。提出了考虑海洋内孤立波效应影响的海底土层弱化模型，土层初始静应力计算时采用考虑上覆水压力的Duncan模型，提出弱化后土层性质改变对地震动加速度影响的计算方法，编写Matlab有限元数值模拟程序，运用Willson-法进行非线性方程组求解。实例分析得出海洋内孤立波对土体孔隙水压力的影响所占比例在总的8%~10%左右，地层的弱化程度越大，地震加速度变化率的改变量越大，但是变化率最大不

7、超过0.8。首先忽略井口-浅层管柱顶部动态力作用，基于Winkler梁模型，建立地震作用下深水水下井口-浅层管柱动态模型，并编写Matlab程序求出其动态结果。对比得出本文提出的计算方法与试验结果较吻合，得出地震和井口动态力共同作用下的井口-浅层管柱的横向位移、偏移角度。计算得出，三种地震波作用下，系统的横向位移、偏转角度、弯矩及剪力随深度的变化趋势大致相同，但是变化幅值不一，在工程设计中要使系统刚度能承受最大横向弯矩，同时提升系统的抗震性能。关键词：水下井口-浅层管柱；试验；土层弱化；系统质量力；地震作用-II-ABSTRACTResearchonSt

8、abilityofSubseaWellhead-PipeStringinDeep