摘 要

隔水导管是海洋钻井平台的重要组成结构，它连接着海上钻井平台和海底井口，同时它作为海上井口的持力结构，起着保护钻柱、隔离海水、抵抗冰荷载、为钻井液提供循环通道等作用。

冰荷载是某些海域的油田的控制荷载，传统单根的隔水导管不利于抵抗冰荷载，本文采用通用有限元软件ANSYS研究了包含水泥浆夹层的组合隔水导管在冰荷载作用下的静、动力响应和极限强度。

首先介绍了组合隔水导管的结构构造，简要叙述了ANSYS软件中静力分析和瞬态动力分析的基本理论和求解步骤，以及分析组合隔水导管所用到的单元类型和单元特性，此外还说明了静态冰荷载和动态冰荷载的简化方法。然后使用ANSYS软件建立了包含水泥夹层的组合隔水导管有限元模型，对管顶集中荷载及位移荷载、自重、简化静态冰荷载作用下的组合隔水导管进行静力分析，得出了组合隔水导管的整体变形图、节点位移云图、外管、内管、水泥浆的等效应力和等效应变分布图，确定了组合隔水导管的最大位移和发生位置，分别确定了外管、内管、水泥浆的最大等效应力和等效应变的大小和位置；接下来使用ANSYS将管顶集中荷载修改为集中质量单元，对管顶位移荷载、自重简化动态冰荷载作用下的组合隔水导管进行了瞬态动力分析，得出了典型节点的位移-时间曲线和典型单元的等效应力-时间曲线；再接下来使用ANSYS软件，按荷载步依次施加自重、管顶集中荷载及位移荷载、冰荷载作用位置处相应的位移荷载，对等效冰荷载作用下的组合隔水导管进行极限强度分析，得出了等效冰荷载-位移曲线，确定了组合隔水导管的极限冰荷载。最后对研究结果进行了分析总结。

关键词：冰荷载；组合隔水导管；静动力响应；ANSYS

Abstract

The riser is an important component of the offshore drilling platform, which connects the offshore drilling platform and the subsea wellhead. As the supporting structure of the offshore wellhead, it plays the role of protecting the drill string, isolating the sea water, preventing ice and forming the drilling fluid circulation channel.

In some sea areas,ice load is the control load of the offshore drilling platform. The traditional single riser is not good for resisting ice load.This paper studies the static and dynamic response, ultimate strength of composite riser under ice load.

Firstly, this paper introduces the structure of the combined riser, briefly introduces the basic theory and solution steps of static analysis and transient dynamic analysis in ANSYS. The element types and characteristics used in the analysis are also mentioned. In addition, the simplified methods of static ice load and dynamic ice load in this paper are explained. Secondly, general finite element software ANSYS is used to build the combined riser model. Based on the static analysis of the combined riser, the overall deformation diagram, isoline diagram of the structure, equivalent stress and equivalent strain distribution diagram of outer pipe, inner pipe and cement slurry are obtained. The maximum displacement and location of the structure are determined. The maximum equivalent stress and strain of the outer pipe, inner pipe and the cement slurry are determined respectively; Then,change the concentrated load on the top of pipe to concentrated mass unit with ANSYS. Based on the transient dynamic analysis of the combined riser, the displacement-time curve of typical node and the equivalent stress-time curve of typical element are obtained; Based on ultimate strength analysis of composite riser, the equivalent ice load-displacement curve is obtained, and the ultimate ice load of the structure is determined. Finally, the research results are analyzed and summarized.

key words: ice load; combined riser; static and dynamic response；ANSYS

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 主要研究内容及技术路线 3

1.3.1主要研究内容 3

1.3.2技术路线 4

第2章 基本理论与研究方法 5

2.1 组合隔水导管概述 5

2.2 静力分析基本理论 5

2.2.1 基本定义 5

2.2.2 静力分析中的荷载 6

2.2.3 静力分析的步骤 6

2.2.4 等效应力和等效塑性应变 6

2.3 瞬态动力分析基本理论 7

2.3.1 基本定义 7

2.3.2 基本运动方程 7

2.3.3 求解方法 7

2.3.4 求解步骤 7

2.4 冰荷载的简化 8

2.4.1简化静态冰荷载 8

2.4.2简化动态冰荷载 8

2.5 分析组合隔水导管所用到的ANSYS单元特性 8

2.5.1 SOLID45单元的特性 8

2.5.2 SHELL43单元的特性 9

第3章 组合隔水导管有限元模型的建立 10

3.1 几何和物理参数 10

3.2 模型简化 12

3.3 组合隔水导管模型建立 13

第4章 简化静态冰荷载作用下组合隔水导管的静力分析 19

4.1 施加荷载 19

4.2求解计算和结果分析 20

4.3 本章小结 28

第5章 简化动态冰荷载作用下组合隔水导管的瞬态动力分析 29

5.1 瞬态动力分析 29

5.2 求解计算 29

5.2.1集中质量单元 29

5.2.2 施加初始条件和边界条件 30

5.2.3 施加动态冰荷载并求解 30

5.2.4 时程后处理 32

5.3 本章小结 34

第6章 冰荷载作用下组合隔水导管的极限强度分析 35

6.1 等效冰荷载 35

6.2 定义边界条件并施加荷载 35

6.3 求解计算并绘制等效冰荷载-位移曲线 37

6.4 本章小结 39

第7章 总结 40

参考文献 41

致 谢 42

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

海冰覆盖着地球海域相当大的面积，尤其在南北两极，一年中几乎所有的时间海面都在海冰的控制之下。随着社会工业水平和生产制造技术的迅猛发展，汽车等交通工具的普及，人们对于油气能源的需求也迅速加大，然而，仅仅陆地板块的能源开发已渐渐不能满足日益增长的能源消耗，于是，海上的油气开采开始受到人们的重视。地球上海洋板块的石油和天然气储量极其丰富，据统计，地球石油资源的34%都蕴藏在海洋板块下，但被人类探明的只占其中一小部分，共有约1350亿吨石油储藏于海洋之下，其中被人类发现的有380亿吨；全世界海底蕴藏着大约140万亿立方米的天然气，已经被人类发现的约40万亿立方米。根据全国第三次石油资源评估结果，我国海底埋藏约246亿吨石油，占我国石油总量的23%；我国海洋天然气资源储量大约16万亿立方米，占全国总量的30%。海洋之下储藏着大量的“液体黄金”，开发前景不容小觑，近年来海洋资源的勘探与开采始终是国内外油气行业关注的焦点和发展的主要趋势。经过多年的勘探开发，全球浅海区域重大油气田的发现越来越少，深海区域的油气开采受到人们的重视。伴随着水深的增加，钻井开采的作业难度也大幅增加，对作业装备的要求也进一步提高。随着水深的增大，隔水导管的长度也越大，更加容易受到各种环境、作业荷载的影响，在存在冰期的海域作业时，冰荷载会对隔水导管的安全产生重要影响。

在我国，每年的11月到12月开始，渤海和黄海北部会出现冰期，持续三到四个月不等，海冰会对钻井平台的安全造成很大影响，历史上曾发生过海冰推倒钻井平台和钻井设备的惨痛事故，因此研究海冰荷载作用下隔水导管的静、动力响应就显得十分必要。本文研究冰载荷作用下海洋钻井组合隔水导管的静、动力响应和极限强度。对组合隔水导管在冰荷载作用下的强度、刚度和极限强度开展研究对海洋油气开采有着重要意义。