深水钻井隔水管动力作用下的套管柱与海底浅部软土间的相互作用机理研究

深水钻井作业时，隔水管在外部载荷的作用下产生复杂的非线性运动，导致与其连接的套管柱与海底浅部软土之间产生动力相互作用，在共振时将使水下井口及套管柱发生失稳。目前未见国内外相关系统理论分析，同时管柱和软土间的动力相互作用机理也有待进一步探索。本项目在前期深水钻井套管柱静态承载能力及稳定性研究基础上，拟采用理论分析和实验研究相结合的手段，针对深水海域浅部地层的特点，通过改进土体模型及修正p-y曲线等方法，推导合理的非线性迟滞模型以满足套管柱与土体接触面研究的需要，提出完善的基于p-y和t-z曲线的土体在管柱动力作用下的反作用力模型。在此基础上建立套管柱与海底浅部软土相互作用的非线性动力学模型，并结合隔水管动力学模型进行整体系统耦合分析，以便揭示深水钻井隔水管动力作用下的套管柱与海底浅部软土间的相互作用机理，为我国的深水钻井技术创新提供理论依据，同时进一步丰富饱和软土层中的桩基动力学理论。

海洋深水钻井作业时，钻井平台、钻井隔水管、水下井口、套管柱和海底软土是一个整体，由于隔水管在海洋环境载荷及钻井平台运动作用下产生复杂的非线性运动，从而导致与其连接的套管柱与海底浅部软土之间产生动力相互作用，在极端工况下将使水下井口及套管柱发生失稳破坏，其中套管柱与其周围软土之间的动力相互作用机理是研究重点之一。本项目采用理论分析、数值模拟和室内试验相结合的研究手段，主要完成了如下几个方面的工作：（1）建立了深水钻井隔水管动力学分析模型及数值求解方法，该模型综合考虑了钻井平台平均偏移、慢漂运动，隔水管阻尼系数，波浪及海流共同作用，隔水管底部铰接偏移的横向距离等多项因素，结合水下防喷器组的重力作用进行分析，得到了隔水管动力作用下的套管柱顶部的动态载荷。（2）自主设计了套管柱与海底浅部土体动力相互作用试验装置，针对饱和软粘土和砂土进行了模拟试验，通过试验结果拟合分析对动力p-y曲线进行了修正，修正后的曲线模型可以考虑循环加载幅值和加载次数等因素；（3）利用修正的动力p-y曲线，建立了套管柱与海底浅部土体相互作用的非线性动力学模型及其数值化求解方法，分析了动力作用下套管柱与其周围软土相互作用的基本规律；（4）根据确定的耦合分析连续性条件，建立了钻井平台-隔水管-套管柱-海底软土系统的耦合分析模型，利用有限差分法进行了自编程数值求解。该模型可以分析横向和竖向载荷共同作用、动力循环次数对管柱与土体之间脱离的影响、管柱截面变化等情况下的套管柱与周围软土间的相互作用机理。研究结果表明：对于泥线以下套管柱与其周围软土相互作用分析而言，不进行整体系统的动力耦合分析将产生较大的误差。钻井平台平均漂移距离、慢漂幅值增大使管土间的脱离现象越来越明显，易造成泥线以下套管柱的损坏。隔水管传递载荷的频率变化对套管柱变形、受力和周围土反力有一定影响，但影响程度不大。随着隔水管传递载荷循环作用次数的增加，套管柱变形及内力逐渐增加，且均大于静载情况，同时周围土反力逐渐减小。刚开始循环加载运动时，管柱变形、管柱内力、土反力等变化较大，然后随着循环次数的增加逐渐趋于稳定，基本呈指数曲线特征。海底浅部土层的类型及其土力学基本参数对套管柱与海底浅部软土间的相互作用影响很大。研究结果可为我国深水钻井技术自主创新提供理论依据，同时为海洋、河流等饱和软土中的桩基动力学分析提供新的思路。