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本论文以中国海洋石油总公司综合科研项目“深水张力腿平台立管系统钻完井安全作业技术研究”为依托,针对我国南海石油钻采的需要,在国内首次开展张力腿平台钻井、生产立管系统关键技术研究,系统研究张力腿平台丛式立管系统力学行为。在张力腿平台立管系统静力学分析方法、动力学分析方法、局部力学特性分析方法和波致疲劳分析方法等方面取得较大的进展,为南海张力腿平台立管系统的安全管理提供技术支持和作业指导,具有良好的学术价值和工程应用前景。主要研究进展和成果总结如下:(1)张力腿平台立管系统静力学研究建立张力腿平台串行立管系统静力学分析方法及流程,结合DNV-RP-F203规范和Huse尾流模型提出下游立管来流速度计算方法;考虑立管遮蔽效应,采用ABAQUS建立串行立管系统有限元模型,进行立管常规模型和立管-导管模型对比研究,系统开展张力腿平台立管系统静力学特性分析,研究立管初始间距、海流重现期、顶部偏移和顶张力对立管系统静态性能的影响。(2)张力腿平台立管系统动力学研究采用ANSYS建立张力腿平台分析模型,研究平台在风浪流联合作用下的动力响应,得出平台运动响应幅值因子和运动时程曲线。考虑平台纵荡和垂荡运动对立管性能的影响,系统开展正常钻井工况下生产立管和钻井立管的动态力学性能,研究弯矩、应力和立管间距的变化规律,重点研究生产立管在极端工况下发生碰撞时的力学性能,确定串行立管发生碰撞的位置及碰撞处的碰撞力。(3)张力腿平台立管局部力学特性性能研究基于极端工况下串行生产立管整体碰撞分析结果,开展立管局部碰撞力学特性研究。考虑作业情况下防喷器(Blowout Preventer,简称BOP)和采油树晃动情况,研究防喷器单根和采油树单根的应力变化规律。建立锥形应力短节有限元分析模型,识别锥形应力短节危险部位。在生产立管系统整体分析的基础上进行生产立管螺纹接头温度-应力耦合分析,研究温度场对螺纹接头力学性能的影响规律。(4)张力腿平台立管系统波致疲劳研究建立张力腿平台立管系统时域内波致疲劳分析方法,进行平台运动和波流联合作用下立管的非线性动力分析,基于Miner准则计算生产立管和钻井立管疲劳寿命,进行浮体运动与波浪载荷对立管疲劳寿命影响的对比研究,开展立管波致疲劳损伤敏感性研究。提出锥形应力短节局部疲劳分析方法和流程,主要包括立管系统动态响应分析、立管接头端部等效疲劳应力计算、锥形应力短节局部有限元分析、锥形应力短节多轴疲劳分析。