深海蕴藏着非常丰富的油气资源,未来世界石油地质储量的44%将来自深海,我国也将未来油气勘探开发的战略目标转向深海。然而,开发深水油气资源,不仅需要钻井平台,隔水管系统也是关键设备之一。隔水管系统是连接海底防喷器与海面钻井平台的唯一通道,若隔水管出现事故将无法正常钻井,还可能导致严重的钻井事故,造成巨大的经济损失和人员伤亡。隔水管在海水中既要承受自重和顶张力,同时还要承受外部海洋环境载荷以及内部钻柱、钻井液等钻井工况的耦合作用。在这种复杂载荷及工况作用下,隔水管易发生失效事故。近几年,国内外均发生过隔水管断裂、挤毁等失效事故,造成了重大的经济损失。目前,相关学者对隔水管力学行为以及涡激振动特性做了大量的理论与实验研究。然而,基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为实验研究,非均匀流作用下隔水管涡激振动机理研究以及深水钻井隔水管三维涡激振动理论研究较少。为此,根据深水钻井隔水管系统工作环境特征,开展基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为实验研究,分析钻井工况以及海洋环境对隔水管力学行为影响规律,建立深水钻井隔水管动力分析以及三维涡激振动理论分析方法,对于确保隔水管的安全具有重要意义。本文主要完成的研究工作有以下几个方面:(1)国内外文献综述。分析了深水钻井隔水管配置的基本特征,广泛收集、分析了隔水管力学行为理论与实验研究现状,总结并分析了国内外在该研究领域已取得的成果和存在的问题,在此基础上提出了本文的研究方向及思路;(2)开展了海洋环境载荷理论计算方法研究。分析了涡激振动作用原理,利用修正的Van derPol方程,推导了尾流振子模型,确定了该模型的关键参数;根据风、浪、流的形成原因以及我国相关海域海洋环境参数特点,建立了风、浪、流联合作用下的浅海与深海海洋环境载荷计算方法,找到了海洋环境参数对海洋环境载荷的影响规律。(3)创建了基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为实验系统。基于相似理论设计了隔水管实验模型以及实验参数,创建了钻井液循环系统、钻柱旋转系统、张紧力系统、钻机系统、控制与采集系统等组成的深水钻井模拟实验装置,基于光纤光栅测试技术实现了隔水管实验参数的采集。(4)开展了隔水管涡激振动响应机理实验研究。开展了不同均匀流速与剪切流流速下的隔水管涡激振动响应机理研究,采用模态分析法以及快速傅里叶变换处理实验数据,得到了隔水管位移标准差空间分布、应变时间历程及对应的响应频谱以及运动轨迹等涡激振动特征参数;基于实验结果的分析,找到了均匀流、剪切流作用下隔水管涡激振动响应机理以及钻柱对隔水管涡激振动响应机理的影响规律,且通过实验发现钻柱能从一定程度上抑制涡激振动,但对隔水管涡激振动的响应频率无影响;剪切流作用下隔水管涡激振动“锁定”现象发生在涡泄频率对应的最大阶次固有频率附近且会以该阶次固有频率振动;实验结果也为后续理论模型的验证提供了依据。(5)开展了深水钻井隔水管动力学理论研究。根据力平衡原理,推导了深水钻井隔水管运动微分方程,建立了深水钻井隔水管动力学分析模型,采用有限单元法结合Newmark-β法对动力学模型进行求解,利用Fortran编制了隔水管动力学分析程序;分析了顶张力、海流、风速、平台偏移等因素对隔水管变形特征的影响规律;理论计算结果表明海流类型及其流速分布与大小是影响隔水管动力特性的重要原因;风速较低时,风速变化对隔水管的变形影响有限,而当风速增大到一定程度之后,随着风速的增大,隔水管位移显著增大;平台偏移对上部隔水管的转角以及变形影响显著。(6)开展了深水钻井隔水管三维涡激振动理论研究。根据弯曲梁横向振动基本方程,建立了深水钻井隔水管固有频率计算方法,分析了隔水管长度、顶张力、壁厚对其固有频率的影响规律;针对隔水管实际工况中受三维载荷的作用,基于漩涡动力学理论以及隔水管动力学分析模型,建立了深水钻井隔水管三维涡激振动分析模型,采用有限单元法对隔水管三维涡激振动模型进行求解,利用Fortran编制了隔水管三维涡激振动模拟计算程序,计算程序经实验结果验证具有良好的精度;模拟了不同海流流速下隔水管形态特征,运动轨迹及其三维空间形态;模拟结果表明:隔水管横向振动位移比流向振动位移大;隔水管振动的模态阶次随流速的增大而增大,横向变形以及流向变形联合作用,隔水管在空间中变得更加扭曲,这种扭曲的振动对隔水管的安全造成影响。通过本文的研究,基本建立了一套深水钻井隔水管力学行为实验模拟技术,形成了一套深水钻井隔水管动力学行为以及三维涡激振动理论分析方法,本文所建立的实验技术与理论分析方法具有很好的理论价值。