一种基于隔水管-钻杆接触碰撞作用模型的动力特性分析方法

本发明涉及深海钻井，尤其涉及一种基于隔水管-钻杆接触碰撞作用模型的动力特性分析方法。

背景技术：

1、随着海洋油气开发向深海迈进，隔水管在深海油气开发中发挥着越来越重要的作用，主要用来连接钻井平台与海底防喷器，同时起到隔绝海水、循环钻井液的作用。深水钻井作业时隔水管受到的载荷非常复杂，先在海洋环境载荷的作用下发生变形，变形后会与内部钻杆发生接触碰撞，产生接触力。钻杆与隔水管内部长期发生接触作用，会导致钻杆与隔水管的磨损失效，严重时甚至会损坏设备，造成严重的安全事故。

2、目前，国内外对隔水管与钻杆之间的接触碰撞作用模型基本完善，可以利用哈密顿原理建立动力学模型，然后利用埃尔米特三次插值法进行离散，建立有限元模型，最后通过纽马克积分法对模型进行动态响应分析。然而对于隔水管-钻柱耦合的管中管模型的分析还处在研究初期阶段，由于隔水管会随着海洋环境载荷不断摆动，因此隔水管与钻柱的碰撞边界是自由移动边界，碰撞接触也是随机接触，所以碰撞接触状态很难判定。从现有的研究情况来看，有学者提出利用理论力学的撞理论，对管柱任一节点建立一套碰撞接触计算公式，假定弹性碰撞恢复系数，这样可以求得任一节点碰撞后的运动状态，但是碰撞力和碰撞时间都无法求得，而且隔水管与钻柱各节点的碰撞是相互影响的，产生的碰撞接触是耦合的，因此这样碰撞很难用一个统一的公式描述。综上，现有的技术大多没有考虑隔水管与内部钻杆的接触碰撞作用，不符合实际作业情况，一方面钻杆会影响隔水管的动力响应，另一方面钻杆与隔水管的接触碰撞会造成隔水管的磨损。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出了一种基于隔水管-钻杆接触碰撞作用模型的动力特性分析方法。

2、一种基于隔水管-钻杆接触碰撞作用模型的动力特性分析方法，所述基于隔水管-钻杆接触碰撞作用模型的动力特性分析方法通过建立考虑钻杆接触碰撞作用的隔水管动力学模型，采用有限元法结合newmark-β法进行求解，进而对隔水管动力特性进行分析，具体步骤包括：

3、步骤一：输入基本参数，设定钻杆、隔水管初始值{u0}，对时间和空间网格进行划分；

4、步骤二：基于步骤一内容形成隔水管和钻杆的刚度矩阵[k]，质量矩阵[m]，阻尼矩阵[c]；

5、步骤三：计算隔水管海洋环境载荷以及钻杆接触碰撞力；

6、步骤四：根据步骤三所计算的钻杆接触碰撞力得出钻杆有效刚度矩阵，根据钻杆接触碰撞力和隔水管海洋环境载荷得出隔水管有效刚度矩阵，并对钻杆和隔水管的有效刚度矩阵做三角分解；

7、步骤五：使用newmark-β法迭代求解，选择时间步长为δt，设置参数γ和β；

8、步骤六：计算t+δt时刻有效载荷，求解t+δt时刻的位移，然后求得速度与加速度，输出结果。

9、进一步，所述隔水管-钻杆接触碰撞作用模型将刚性的隔水管和钻杆圆管简化为弹性梁，不考虑剪切变形，建立z方向和y方向的二维坐标系，运动微分方程和受力平衡方程根据拉朗贝尔原理和应用力学平衡分析得到，包括：

10、隔水管y方向运动微分方程为：

11、

12、钻杆y方向运动微分方程为：

13、

14、流体微元段在z方向的受力平衡方程为：

15、

16、隔水管微元段在z方向的受力平衡方程为：

17、

18、隔水管轴向力计算公式为：

19、te＝t-aipi+aopo＝ttop-aiptop(1-2ε)-(mr+mf-ρao)g(l-z)；

20、其中，ei、ei'为隔水管、钻杆的弯曲刚度；mf、mf'为单位长度隔水管、钻杆内流体质，mr、mp为单位长度隔水管、钻杆质量，v为管内流体速度，f为环境载荷，fc为钻杆与隔水管的碰撞力，c为结构阻尼，a为立管截面积，t为截面上的张力；pi、po为隔水管内外流体的静压力，ttop为隔水管顶端张力，ptop为隔水管顶端压强，ai、ao为隔水管内外横截面积，ε为泊松比。

21、进一步，一种基于隔水管-钻杆接触碰撞作用模型的动力特性分析方法，所述接触碰撞力的计算将隔水管与钻杆接触碰撞定义为弹性小变形、小范围接触的集中力，包括：

22、

23、其中，k为接触刚度系数，为钻杆与隔水管的间隙，为钻杆与隔水管相对速度，cf为碰撞阻尼系数。

24、进一步，动力特性分析方法中还包括边界条件的表示，边界条件包括隔水管边界条件和钻杆边界条件，包括：

25、隔水管边界条件为：

26、钻杆边界条件为：

27、其中，ei为隔水管的弯曲刚度，l为隔水管、钻杆长度。

28、进一步，所述海洋环境载荷的计算采用莫里森方程，具体为：

29、

30、其中，cd为拖曳力系数，ρ为海水密度，cm为惯性力系数，ux为波浪水质点水平速度，为波浪水质点水平加速度，a为垂直于波浪传播方向单位柱体高度的投影面积，v0为单位柱体高度的排水体积，u为海流流速，d为隔水管或浮力块外径。

31、进一步，有效刚度矩阵的表达式为：

32、[k*]＝[k]+a0[m]+a1[c]；

33、对有效刚度矩阵[k*]做三角分解，具体为：

34、[k*]＝[l][d][l]t；

35、进一步，所述newmark-β法迭代求解步骤中，采用时域分析方法对隔水管动力响应进行求解，包括：

36、t+δt时刻有效载荷满足：

37、t+δt时刻位移满足：

38、t+δt时刻加速度为：

39、t+δt时刻速度为：

40、其中，为t+δt时刻有效载荷；加速度位移ui+1与速度之间的关系为：计算积分常数γ≥0.5，β＝0.25(0.5+γ)2。

41、本发明的有益效果：本发明提出了一种基于隔水管-钻杆接触碰撞作用模型的动力特性分析方法，建立了考虑钻杆接触碰撞作用的隔水管动力学模型，采用有限元法结合newmark-β法对位移，速度，加速度进行求解。整个过程执行多个迭代过程，对隔水管和钻柱在碰撞后的运动过程进行分析，进而对隔水管动力特性进行分析。通过分析实际作业过程中各种因素对隔水管动力学特性的影响，对隔水管做出调整，保证隔水管处于安全范围内。

技术特征：

1.一种基于隔水管-钻杆接触碰撞作用模型的动力特性分析方法，其特征在于，所述基于隔水管-钻杆接触碰撞作用模型的动力特性分析方法通过建立考虑钻杆接触碰撞作用的隔水管动力学模型，采用有限元法结合newmark-β法进行求解，进而对隔水管动力特性进行分析，具体步骤包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于隔水管-钻杆接触碰撞作用模型的动力特性分析方法，其特征在于，所述隔水管-钻杆接触碰撞作用模型将刚性的隔水管和钻杆圆管简化为弹性梁，不考虑剪切变形，建立z方向和y方向的二维坐标系，运动微分方程和受力平衡方程根据拉朗贝尔原理和应用力学平衡分析得到，包括：

3.根据权利要求1所述的一种基于隔水管-钻杆接触碰撞作用模型的动力特性分析方法，其特征在于，所述接触碰撞力的计算将隔水管与钻杆接触碰撞定义为弹性小变形、小范围接触的集中力，包括：

4.根据权利要求1所述的一种基于隔水管-钻杆接触碰撞作用模型的动力特性分析方法，其特征在于，所述动力特性分析方法中还包括边界条件的表示，边界条件包括隔水管边界条件和钻杆边界条件，包括：

5.根据权利要求1所述的一种基于隔水管-钻杆接触碰撞作用模型的动力特性分析方法，其特征在于，所述海洋环境载荷的计算采用莫里森方程，具体为：

6.根据权利要求1所述的一种基于隔水管-钻杆接触碰撞作用模型的动力特性分析方法，其特征在于，所述有效刚度矩阵的表达式为：

7.根据权利要求1所述的一种基于隔水管-钻杆接触碰撞作用模型的动力特性分析方法，其特征在于，所述newmark-β法迭代求解步骤中，采用时域分析方法对隔水管动力响应进行求解，包括：

技术总结
本发明提出了一种基于隔水管‑钻杆接触碰撞作用模型的动力特性分析方法，通过建立考虑钻杆接触碰撞作用的隔水管动力学模型，采用有限元法结合Newmark‑β法进行求解，进而对隔水管动力特性进行分析。通过本发明提出的一种基于隔水管‑钻杆接触碰撞作用模型的动力特性分析方法执行多个迭代，计算有效载荷、速度、加速度等，对隔水管和钻柱在碰撞后的运动过程进行分析，进而对隔水管动力特性进行分析。通过本发明的特性分析方法分析实际作业过程中各种因素对隔水管动力学特性的影响，对隔水管做出调整，保证隔水管处于安全范围内。

技术研发人员：毛良杰,罗杰飞,曾松,蔡明杰,黄鑫,付强
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13