海洋载荷作用下的深水柔性管中管接触行为机理研究

Coiled tubing is now playing an important role on the deepwater oil and gas exploitation. And the deepwater flexible pipe-in-pipe system, including coiled tubing and deepwater riser, would swing forced by the marine loads. Therefore, changing this dynamic issue into static range, and using quasi-static method to solve this problem can not reflect the actual deepwater flexible pipe-in-pipe mechanics. By introducing marine loads into the quasi-static pipe-in-pipe mechanical model established by the applicants, the main content of this project is to reveal the lateral load distribution along axial direction at three dimensional, the form and the position of this pipe-in-pipe system; build the buckling differential equation of coiled tubing under 3D dynamic spline curve boundary condition; understand the contact condition of coiled tubing and deepwater riser; and eventually get the contact mechanical model of this particular deepwater flexible pipe-in-pipe system. The achievements of this project would fund the theoretical base for the mechanics of a coiled tubing injecting and working within a deepwater riser; predict the dynamic property of deepwater flexible pipe-in-pipe system and the tubular condition of coiled tubing; be helpful on the supplement and perfection of classic tubular mechanics; and provide theoretical support for coiled tubing deepwater operations.

连续油管技术已成为深海油气资源开发的重要技术手段。由于连续油管及深水柔性立管所组成深水柔性管中管系统在海洋载荷作用下会发生摆动，而目前对该特殊管中管系统的力学行为研究一般是以准静力学法将动态问题转化到静态范围后进行，所得结论并不能反映其真实力学特性。本项目旨在根据申请团队前期已建立的深水管中管准力学模型，通过引入动态海洋载荷，分析深水柔性管中管系统运动过程中立管形位变化特性及三维方向沿轴向的侧向载荷分布规律，建立三维动态样条曲线边界下的连续油管屈曲微分方程，明确连续油管与立管的接触状态，从而构建海洋载荷作用下的管中管接触力学模型，形成可用于指导连续油管在深水柔性立管内下入及作业时的深水柔性管中管力学理论基础，用于正确预判深水柔性管中管系统在海洋载荷作用下的运动特性及连续油管在深水柔性立管内的管柱状态，补充和完善经典管柱力学理论体系，为连续油管深水作业提供理论支撑。

连续油管已广泛应用于海洋油气资源开发。但对于连续油管力学行为的研究，目前集中在固定井筒环境下的管柱力学分析，对于海洋环境下的管柱力学也是通过将浮动边界转化为固定/半固定的形式，分析管柱的屈曲行为及管中管接触作用机理。但是由于实际深水立管在海洋载荷作用下处于摆动状态，准静态力学模型尚不能反映该特殊环境下的管中管真实力学特性。因此，本项目通过将动态海洋载荷引入深水管中管系统，对深水柔性立管边界下的连续油管屈曲行为及接触作用机理展开研究，揭示该特殊管中管力学行为规律，进一步丰富经典管柱力学。.项目在连续油管与立管的准静力学理论模型的基础之上，引入平台、风、浪、流等动态侧向扰动载荷，建立了管中管系统在横向载荷作用下的受力模型，对环空间隙、顶张力、注入力、海水深度、接触摩擦开展了多目标参数敏感性分析，发现环空间隙越小、注入力越大、海水深度越大、摩擦力越小，连续油管的轴向力传递效率越高，而顶张力系数对于连续油管轴向力传递效率影响不大。.此外，为模拟深水柔性管中管系统在海洋环境的真实工况，项目组搭建了室内模拟实验系统，通过将海洋载荷等效为外管最大位移的方式，研究了海洋载荷对于管中管系统力学特性的影响规律。实验结果表明，海洋载荷作用下，内管末端轴向力随注入力的增大而增大，轴向力随注入位移的增大而增大；内管在注入过程中，随轴向力不断增大，会出现三种过程，即初始状态、正弦屈曲状态及螺旋屈曲状态；当海洋载荷较小时，海洋载荷对于管中管系统的力学行为影响有限，内管的屈曲行为及轴向力传递特性基本保持不变。.本项目的研究成果可有效填补深水连续油管管柱力学理论空白，指导基于连续油管技术的深水油气资源开发作业，解决我国深水油气工程面临的科学问题与技术瓶颈，提高我国海洋资源开发作业实力。