[发明专利]深水顶张式立管全耦合动力分析方法

说明书

本发明涉及油气开发工程管道分析技术领域，尤其涉及深水顶张式立管全耦合动力分析方法。其分别建立油管、内层立管和外层立管的有限元模型；分别计算每根管模型的质量矩阵和刚度矩阵元素，形成每根管模型的质量矩阵阵和刚度矩阵，计算每根管的固有频率和振型，根据实际工程海域的海洋环境条件下计算涡激升力和脉动拖曳力的频率。本发明正确地描述了顶张式立管横向振动的实际受力和变形状态，提出了正确的分析方法。

技术领域

本发明涉及油气开发工程管道分析技术领域，尤其涉及深水顶张式立管全耦合动力分析方法。

背景技术

深水顶张式立管是一种由三根不同直径的钢管套装在一起的同心管中管结构，最内层的是油管、中间的和最外层的为立管。

目前常用的顶张式立管其油管为4.5英寸，中间立管为8～9英寸，外层立管为12～13英寸。水深越大，中间和外层立管的直径越大。对于这样的管中管结构，波浪和海流是直径作用在外层立管表面的，而内层立管和油管则通过分别设置在两层管之间的导向环而受到外部荷载的作用。

深水顶张式立管在深水油气开发中的作用是采油，其中的油管用于将井下的原油输送至平台上，因此，在承受其他外部荷载(与内、外层立管承受的荷载类型相同)的同时还承受原油的压力作用。为了原油的正常输送，油管的直径与井下的井管相同，而井管的直径受抽油泵的限制，尺寸较小，因此，油管的尺寸较小。

采油的同时，伴有天然气的产生，因此，内层立管是作为气举线使用的，即它与油管之间形成的环形空间输送井下的天然气。

现阶段，顶张式立管的设计分析采用等效管模型，采用弯曲刚度等效的原则将三根管等效为一根管。而这种设计分析方式存在着拉压刚度不等效、压力不等效、动力响应不等效的分析缺陷，严重影响立管使用的安全性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何克服现有技术的不足，提供一种深水顶张式立管全耦合动力分析方法

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：深水顶张式立管全耦合动力分析方法，包括以下步骤:

(1)分别建立油管、内层立管和外层立管的有限元模型；由下列公式1分别计算每根管模型的质量矩阵和刚度矩阵元素，形成每根管模型的质量矩阵阵[M]和刚度矩阵[K]：

式中：M,K分别为单元质量矩阵和刚度矩阵的元素；

为管单元单位长度的质量；

EI为截面抗弯刚度；N为单元插值函数；

i,j为结点自由度，当i,j取值为1时，表示轴向变形自由度；当i,j取值为2、3时，表示截面两个主轴方向的变形自由度,所述变形自由度为弯曲变形引起的挠度；当i,j取值分别为4、5、6时，表示绕x、y、z轴的转动自由度，所述转动自由度为转角变形；

n＝1,2,3分别表示油管、内层立管和外层立管；

(2)由下列公式2分别计算每根管的固有频率ω和振型{φ}：

([K]-ω²[M]){φ}＝{0}

(3)根据实际工程海域的海洋环境条件下由下列公式3计算涡激升力和脉动拖曳力的频率：

式中：f_L,f_D分别为涡激升力和脉动拖曳力的频率；

St为斯托哈尔数，范围为0.18～0.2；U_w为海水流速；D_outer为外层立管直径；

(4)分别找出三根管与波浪力频率和涡激力频率最相近的频率及振型，所述涡激力包括升力和拖曳力；