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作为新的化石能源,深水天然气水合物呈现巨大的潜力,将成为未来商业开采的重要目标。目前看来,在富集区域海床上建井开发,仍是埋设较深的天然气水合物开采的主要途径,但动用现有的深水钻井平台,构建千米深的隔水管组,去开采埋设不到500米的天然气水合物固态矿藏,在经济上显然难以满足商业开采的需要。针对天然气水合物建井开发“水深大,井深浅”的特点,一种专门用于天然气水合物井钻井的新型卷管式水下钻井系统得以提出。本论文借鉴神狐海域天然气水合物试采工艺,对该系统给出了具体设计,主要包括如下工作:(1)卷管式水下钻井系统布置设计参考神狐海域天然气水合物试采的井身结构,本文给出了水下卷管、卷轴及其防沉板、水下井口注入头等主要装置的基本结构和布置设计,提出了工程上可行的设计规格,并对卷管式水下钻井系统的功能作用和性能指标进行了详细阐述。(2)卷管式水下钻井系统的校核计算类比API SPEC 5ST-2010(R2015)陆上连续油管规范,论文对水下卷轴进行了详细设计并基于Abaqus有限元仿真实现了卷管的校核,讨论了卷轴直径、卷管管径和卷管壁厚的影响。对卷管水下“入卷-退卷-入卷”过程的应力应变进行了细致分析,得出了管材的应力循环滞回曲线,为材质设计提供了依据。(3)深水水下焊接卷管的疲劳分析水下卷管承担着深水外压载荷、内部钻井液载荷以及卷轴上卷-退卷的周期载荷,焊接位置的疲劳开裂将是其最可能的失效形式。论文应用具有网格不敏感特性的结构应变法对卷管环焊缝进行疲劳分析,验证了复杂载荷条件下该种方法的可行性,为以疲劳耐性作为重要指标建立水下焊接卷管设计准则提供了支持。