在深水钻井中,钻井隔水管-水下井口-浅层管柱的安全稳定性是工程设计和现场作业的重要考虑要素。结合国家自然科学基金面上项目“深水钻井隔水管-导(套)管力学特性研究与水下井口稳定性分析(51574261)”,对以下三个问题进行了系统研究:(1)考虑内孤立波和平台运动的钻井隔水管力学性能研究内孤立波在中国南海分布广发、发生频繁,但目前分析内孤立波和多种载荷共同作用对深水钻井隔水管力学性能影响的方法不够成熟。建立了考虑非均匀海流、表面波、内孤立波和钻井平台运动的深水钻井隔水管准静态分析方法和动态分析方法,在计算过程中以两层流的分层海水模型和KdV理论模拟内孤立波流场,以管体最大Von Mises应力为准静态极值判断依据,采用预条件的广义极小残值(GRMES)算法求解线性方程组。实例计算表明:内孤立波可对隔水管施加突然的冲击载荷和强剪切作用,使上层海水中的管体受力和变形幅度显著增大,使悬挂状态隔水管的底端侧向偏移扩大50%以上;内孤立波的波幅越大、上下两层海水的密度差异越大,内孤立波对钻井隔水管的性能影响越剧烈。计算方法和分析结果可为改进钻井隔水管分析软件及优化钻井隔水管的设计提供依据。(2)钻井隔水管紧急脱离后的钻井液下泄与反冲响应分析如果海况异常恶劣或浮式平台定位失效,需实施钻井隔水管紧急脱离程序。紧急脱离后,钻井液从管底下泄进入海水,隔水管体加速向上反冲。目前国内对钻井隔水管的紧急脱离与反冲响应研究处于起步阶段。系统总结了钻井隔水管紧急脱离的原因、脱离程序和脱离后的反冲响应过程;建立了两种新的模拟紧急脱离后钻井液从隔水管中下泄的计算方法并开发了MATLAB程序,为反冲响应提供了流速、摩阻力、液柱质量和压力等时变的数据;基于DeepRiser软件对深水钻井隔水管紧急脱离后的反冲响应进行了模拟计算。实例计算表明:钻井液下泄初始阶段管内液柱处于失重状态,加剧了隔水管向上反冲的过程,可导致伸缩节和张紧器外筒超出冲程而损坏装备,并可能使隔水管顶端冲撞钻台;钻井液加速下泄过程中,中深部局部管内的液柱压力迅速降低至真空状态并维持1~3 s,使壁厚较薄的隔水管体存在被管外海水静压力压溃的风险。软件模拟表明:钻井隔水管紧急脱离初始瞬间,隔水管底端迅速上升、张紧环及张紧器的有效轴力迅速降低,伸缩节和张紧器的冲程迅速缩小;在随后的反冲响应阶段,这些参数以振荡状态持续较长时间。(3)考虑砂土液化的水下井口-浅层管柱动态响应研究目前,分析水下井口-浅层管柱的稳定性以有限元软件为主,对其动态响应研究较少,且未考虑砂土液化的影响。建立了海底浅层管柱侧向运动非线性微分方程并采用有限元法进行离散;采用考虑弱化的双曲形式的p-y曲线法计算液化砂土对浅层管柱的地基反力;采用牛顿下山法和Newmark-β并自编MATLAB程序对浅层管柱侧向偏移进行时域非线性动态模拟。实例计算表明:完全液化土层的浅层管柱侧向偏移幅值比不考虑液化的砂土地层高出1倍以上,砂土强度越低,液化后的砂土对浅层管柱的支撑作用越弱;海水越浅,则浅层砂土受到的上覆海水压力越小,砂土对浅层管柱的支撑作用越弱;固井可以减少浅层管柱的侧向偏移和弯曲变形,但减小的程度有限;从增大地基反力的角度而言,选择大外径的36"导管有助于提高水下井口的稳定性,或者在泥线附近给导管安装限制水平运动的专门基盘。