一种布置有表面织构的浮力块及其安全控制方法技术

本发明专利技术公开了一种布置有表面织构的浮力块，该浮力块由多个基本单元顺次串联而成，基本单元由两半对称、轻质塑料半圆筒组合而成，半圆筒的外表面为波状柱面，波状柱面由周期性的正弦曲线构成，沿波状柱面的周向方向分布有数个凹坑(1)基本单元的外径与隔水管的外径D大致相当，基本单元的长度H为5D～20D，波长L为H/4，波的振幅a＝0.002D～0.15D，波状柱面曲线为周期性的正弦曲线，波面函数为Dz＝(Dmin+Dmax)/2+2acos(2πz/λ)，凹坑(1)的深度h为0.001D～0.05D，凹坑(1)的宽度s为0.001D～0.04D，凹坑(1)水平间距e为0.001D～0.06D。本发明专利技术的有益效果是：结构紧凑、不添加任何附属装置下与光滑圆柱相比阻力减小15％、能够有效抑制涡激振动。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及海洋隔水管柱系统力学行为控制领域，主要涉及布置表面织构浮力块对隔水管柱系统的受力影响，属于海洋油气开采安全控制领域，特别是一种布置有表面织构的浮力块及其安全控制方法。
技术介绍
深水是21世纪世界石油工业的主要接替区和科技创新的前沿，近5年来，全球重大油气发现中70％来自水深超过1000m的水域，全球各大石油公司逐步将战略重点转入深水油气资源勘探开发。我国深水油气资源十分丰富，南海海域石油资源总量300亿吨，约占中国资源总量1/3，开发潜力十分巨大，其中约70％蕴藏在深海，是我国油气资源的战略接替区之一(中国国土资源部)。周边国家每年从南海九段线内掠夺5000万吨油气当量，开发南海深水油气资源是建立海洋强国，维护我国海洋权益的战略举措。南海是世界上海洋环境最复杂和最恶劣的海域，开发深水资源面临诸多挑战，隔水管柱系统在复杂海况和钻井工况的耦合作用下的力学行为控制、提高钻井作业的可靠度就是其中最重要的环节之一。隔水管系统是连接钻井平台与海底防喷器的关键通道，隔水管在海水中既要承受自重和顶张力，同时还要承受风浪、海流载荷以及内部钻柱、钻井液等钻井工况的耦合作用，极易发生变形、磨损、断裂等失效。因此隔水管材料的性能有较高的要求，隔水管材料为X-80钢，其外径均为21\，壁厚有四种类型，分别为1\、0.9375\、0.875\、0.75\，长度为75ft(22.86m)；其配置的浮力块外径均为54\。隔水管上通常安装有节流管线、压井管线、液压管线、钻井液增压管线和化学剂注入管线等5根辅助管线，其材料也为X-80钢。隔水管系统设计方法：从平台到海底井口依次为分离器、上部挠性接头、适配短节、伸缩节、隔水管、适配器、LMRP、下部挠性接头、海底防喷器。隔水管系统在不同深度下的配置图版，如附图1所示，其配置特点如下：(1)顶部以及底部隔水管不安装浮力块，采用裸单根；(2)壁厚从海面到海底逐渐降低；(3)中间部分隔水管全部配置了浮力块；(4)隔水管海平面下方配置有填充阀。涡激振动机理：当流体质点流经圆柱体的前缘时，圆柱体表面会对流体产生阻碍，靠近前缘流体的高压促使正在形成中的附面层在圆柱体的两侧逐渐发展。但在高雷诺数情况下，由压力产生的力不足以把附面层推到包围住圆柱体背面，将在柱体断面宽度最大处产生分离点。流体由分离点向后扩展形成剪切层，在剪切层范围内，由于接近自由流区的外侧部分流速大于内侧部分，流体有发生旋转并分散成若干个漩涡的趋势，漩涡交替形成和脱落，此时圆柱体会受到横向及流向的脉动压力。隔水管可简化为细长弹性支撑杆件，脉动流体力引发隔水管振动，隔水管的振动反过来又会改变其尾流结构，这种现象被称作“涡激振动”。当漩涡泄放频率与隔水管系统的自然频率接近时，隔水管将发生强烈流固耦合振动，并将漩涡泄放频率锁定在振动频率上，称为“锁定”现象，导致隔水管疲劳失效甚至事故的发生。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种结构简单、在不添加任何附属装置下水平面内阻力减小15％且能有效抑制涡激振动的布置有表面织构的浮力块及其安全控制方法。本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：一种布置有表面织构的浮力块，所述的浮力块由多个基本单元顺次串联而成，基本单元由两半对称、轻质塑料半圆筒组合而成，半圆筒的外表面为波状柱面，波状柱面由周期性的正弦曲线构成，波面函数为沿波状柱面的周向方向分布有数个凹坑，所述的基本单元的外径与隔水管的外径D相当，基本单元的长度H为5D～20D，波长L为H/4，波的振幅a＝0.002D～0.15D，凹坑的深度h为0.001D～0.05D，凹坑的宽度s为0.001D～0.04D，凹坑水平间距e为0.001D～0.06D。所述的浮力块的轴向方向上设置多个梯形沟槽，梯形沟槽沿周向均匀分布，浮力块外径D为0.9～1.5m，梯形沟槽的槽宽d为0.001D～0.1D，梯形沟槽的槽间距s为0.001D～0.04D，梯形沟槽的槽深h为0.001D～0.05D。所述的梯形沟槽的两侧腰上设置有凹坑，所述的凹坑深度h为0.001D～0.01D，宽度d为0.001D～0.01D，凹坑行距s为0.001D～0.01D。所述的梯形沟槽也可由U型槽代替。所述的布置有表面织构的浮力块的安全控制方法，它包括以下步骤：S1、假设隔水管为均质柔性管，属于小应变大变形问题；规定来流方向与隔水管变形位于同一垂直平面xoz内，且ox轴正向与来流方向一致，取隔水管微元长度ds，建立数学模型；S2、根据数学模型建立竖直方向平衡方程、水平方向平衡方程并对隔水管中心点S取矩，其中竖直方向平衡方程为： ( V - d V 2 ) sin ( θ - d θ 2 ) - ( V + d V 2 ) sin ( θ + d θ 2 ) 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种布置有表面织构的浮力块，其特征在于：所述的浮力块由多个基本单元顺次串联而成，基本单元由两半对称、轻质塑料半圆筒组合而成，半圆筒的外表面为波状柱面，波状柱面由周期性的正弦曲线构成，沿波状柱面的周向方向分布有数个凹坑(1)，所述的基本单元的外径与隔水管的外径D相当，基本单元的长度H为5D～20D，波长L为H/4，波的振幅a＝0.002D～0.15D，波状柱面曲线为周期性的正弦曲线，波面函数为Dz＝(Dmin+Dmax)/2+2acos(2πz/λ)，凹坑(1)的深度h为0.001D～0.05D，凹坑(1)的宽度s为0.001D～0.04D，凹坑(1)水平间距e为0.001D～0.06D。

【技术特征摘要】
1.一种布置有表面织构的浮力块，其特征在于：所述的浮力块由多个基本单元顺次串联而成，基本单元由两半对称、轻质塑料半圆筒组合而成，半圆筒的外表面为波状柱面，波状柱面由周期性的正弦曲线构成，沿波状柱面的周向方向分布有数个凹坑(1)，所述的基本单元的外径与隔水管的外径D相当，基本单元的长度H为5D～20D，波长L为H/4，波的振幅a＝0.002D～0.15D，波状柱面曲线为周期性的正弦曲线，波面函数为Dz＝(Dmin+Dmax)/2+2acos(2πz/λ)，凹坑(1)的深度h为0.001D～0.05D，凹坑(1)的宽度s为0.001D～0.04D，凹坑(1)水平间距e为0.001D～0.06D。2.根据权利要求1所述的一种布置有表面织构的浮力块，其特征在于：所述的浮力块的轴向方向上设置多个梯形沟槽(2)，梯形沟槽(2)沿周向均匀分布，浮力块外径D为0.9～1.5m，梯形沟槽(2)的槽宽d为0.001D～0.1D，梯形沟槽(2)的槽间距s为0.001D～0.04D，梯形沟槽(2)的槽深h为0.001D～0.05D。3.根据权利要求2所述的一种布置有表面织构的浮力块，其特征在于：所述的梯形沟槽(2)的两侧腰上设置有凹坑，所述的凹坑深度h为0.001D～0.01D，宽度d为0.001D～0.01D，凹坑行距s为0.001D～0.01D。4.根据权利要求2所述的一种布置有表面织构的浮力块，其特征在于：所述的梯形沟槽(2)也可由U型槽代替。5.根据权利要求1～4中任意一项所述的布置有表面织构的浮力块的安全控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1、假设隔水管为均质柔性管，属于小应变大变形问题；规定来流方向与隔水管变形位于同一垂直平面xoz内，且ox轴正向与来流方向一致，取隔水管微元长度ds，建立数学模型；S2、根据数学模型建立竖直方向平衡方程、水平方向平衡方程并对隔水管中心点S取矩；其中竖直方向平衡方程为： ( V - d V 2 ) sin ( θ - d θ 2 ) - ( V + d V 2 ) sin ( θ + d θ 2 ) - ( T - d T 2 ) cos ( θ - d θ 2 ) + ( T + d T 2 ) cos ( θ + d θ 2 ) - F w + F z s = 0 ... ( 1 ) ]]>水平方向平衡方程为： - ( V - d V 2 ) cos ( θ - d θ 2 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国荣，钱权，刘清友，何霞，周守为，廖崇吉，付强，楚飞，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51