深水水下井口强度和疲劳寿命分析

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海洋油气资源储量丰富,其中深海石油和天然气资源的储量分别占全球海洋石油和天然气已探明储量的13.8%和27.9%,在能源市场复苏的大环境下,各国对深水油气资源的开采力度逐渐加剧。水下井口作为油气开采系统中的重要设备,其好坏将直接影响整个油气开采的进度。水下井口易受海洋环境交变载荷的影响,长期的交变载荷作用容易导致水下井口发生疲劳失效,进而导致油气泄漏等重大事故。为了确保水下井口的正常使用,在设计阶段对水下井口进行强度校核和疲劳寿命分析,对保障油气开采作业任务顺利完成有着重要意义。为此,本文针对国产某型号水下井口,对其进行1500m深水环境中,钻井、完井、生产、修井四种工况下水下井口强度和疲劳寿命分析。本文主要工作如下:(1)针对1500m水深的四种工况,给出水下井口等效力学分析模型。首先分析水下井口的组成,结合深水油气开采系统得到四种工况下水下井口的受力情况。然后分别确定作用在水下井口上的隔水管轴向力、波浪海流联合作用力、地层土反力等主要载荷的来源、组成及计算公式。最后针对1500m水深的四种工况,采用解耦法分别给出各个工况下水下井口等效力学分析模型。(2)针对1500m水深的四种工况,对水下井口进行强度分析。首先对水下井口几何模型进行简化,设置合理的边界条件和网格划分尺寸,给出水下井口有限元分析模型。然后对水下井口有限元分析模型进行网格无关性分析,确定较好的有限元分析模型。最后,对四种工况进行极端天气条件下强度分析和强度校核,确定其强度满足设计要求。(3)针对1500m水深的四种工况,对水下井口进行波致疲劳寿命分析。首先给出水下井口疲劳寿命分析思路,采用波浪谱生成随机载荷并用雨流计数法对随机载荷进行处理。然后根据线性疲劳累计损伤理论,结合处理后的随机载荷和重点关注部位材料的应力—寿命曲线,计算四种工况下水下井口长期波致疲劳损伤。最后,计算出水下井口全寿命周期下波致疲劳寿命,经校核,水下井口疲劳寿命满足设计要求。
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