مدل‌سازی و تحلیل ارتعاشی بالا‌برنده کشتی‌های حفاری در راستای جریان و عمود بر آن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد، دانشکده فنی مهندسی مکانیک - کرمانشاه، دانشگاه رازی کرمانشاه

2 استادیار، - دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، پردیس فنی مهندسی شهید عباسپور، دانشگاه شهید بهشتی

چکیده

در سال‌های اخیر فعالیت‌های حفاری منابع نفت و گاز در میادین با عمق بالاتر از 3000 متر انجام می‌شود. برای هدایت مته حفاری و انتقال هیدروکربن به سطح دریا، بالا‌برنده بین کشتی حفاری و بستر دریا نصب می‌شود. یک سامانه کنترلی، وظیفه حفظ موقعیت کشتی حفاری را برای انجام عملیات بر عهده دارد. به واسطه نسبت بالای طول به سطح مقطع بالا‌برنده می‌توان آن را به صورت یک تیر شبیه‌سازی نمود. در این مقاله نیروهای هیدرودینامیکی وارد بر بالا‌برنده با استفاده از نظریه موریسون و تئوری امواج دامنه کوتاه تخمین زده شده است. در محل اتصال بالا‌برنده به کشتی حفاری یک سامانه جبران‌سازی در نظر گرفته شده که اثرات حرکت کشتی را بر بالا‌برنده کاهش داده و با اعمال یک کشش استاتیکی متناسب با وزن بالا‌برنده تغییرات تنش محوری در بالا‌برنده را کاهش می‌دهد.  با استفاده از این مفروضات روابط حاکم بر ارتعاش بالا‌برنده در دو راستای جریان و عمود بر آن به‌دست آمده و با استفاده از روش‌های عددی تفاضل محدود و رانج کاتا حل می‌گردد. در انتها اثر عوامل مکانیکی بر رفتار دینامیکی بالا‌برنده مطالعه خواهد شد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Modeling and Analysis of in Line and Cross Flow Vibration of Risers in Drill Ships

نویسندگان [English]

  • Amir Moghiseh 1
  • Abbas Rahi 2
  • Houmayon Riahi 1
چکیده [English]

In the last few years, drilling activities took place in water depths of more than 3000m. In order to convey the hydrocarbon to the sea level and do drilling operations, a steal pipe is installed between the wellhead in the seabed and drill ships. A control system keeps the drill ship in a safe area above the wellhead. Since the diameter of the riser is much less than its length, it can be simplified into the beam model. The fluid dynamic forces are expressed in Morison formula by using short wave theory. It is assumed that the riser is connected to the drill ship by means of a heave compensator. This device provides a large static tensile force at the top of the riser. In addition, it reduces the longitudinal stress variation induced by the relative vertical motion of the drill ship and the riser. With these assumptions, the equations of motion governing the transverse displacement of the riser in two directions are obtained. These equations are solved by using the finite difference method and Runga-Kutta method. At the end, the effects of environmental and mechanical parameters on the dynamic behavior of the riser are discussed. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Riser
  • Drill Ship
  • Compensator
  • Natural frequency

مراجع

[1] Sparpkaya, T. ,“Vortex-induced oscillation: a selective review”, Journal of Applied Mechanics,1979.
[2] Iwan, W. D. ,“The Vortex-induced oscillation of non-uniform structural system”, Journal of Sound and Vibration, 1981.
[3] Lyons, G. J.; Petal, M. H. ,“A prediction technique for vortex induced transverse response of marine riser and tethers”, Journal of Sound and Vibration, 1986.
[4] Yon-Qiu, D.; Geng, X.; Lou, J. Y. K, “Stability of vortex-induced oscillations of tension leg platform tethers”, Ocean Engineering Journal, 1992.
[5] Yan-Qiu, D. ,“Vortex-excited nonlinear vibration of tension leg of ocean platform in wave and current”, Acta Oceanologica Sinica, 1994.
[6] Chi, M.; Yan-Qiu, D.; Zhi-Min, H. ,“Vortex-induced nonlinear response of TLP”, Journal of Tianjin University, 2000.
[7] Tang, Y.G.; Zhang, S. X.; Yi, C. ,“Nonlinear vibration behaviors of casing pipe in the deep water”, Journal of Sound and Vibration, 2006.
[8] Chakrabarti, S. K. ,“Inline forces on fixed vertical cylinder in waves”, Journal of Waterway, 1980.
[9] Patel, H. H.; Sarohia, S. ,“Finite-element analysis of the marine riser”, Journal of Engineering Structure, 1984.
[10] Chung, J. S.; Cheng, B. R. ,“Effect of elastic joints on 3-D nonlinear responses of a deep-ocean pipe: Modeling and boundary conditions”, Journal of Offshore and Polar Engineering, 1996.
[11] Hong, S. ,“Three dimensional analysis behavior of mining pipe of deep seabed mineral resources”, Proc. ISOPE Ocean Mining Symposume, Japan, 1995.
[12] Vikestad, K.; Hlse, K. H. ,“VIV lift coefficients found from response build-up of an elastically mounted dense cylinder”,
[13] Proc. 10th Offshore and Polar Engineering, Seattle, 2000.
Bearman, B. W. ,“Vortex shedding from oscillating bluff bodies”, Journal of Fluids Structure, 1984.
[14] Parkinson, G. ,“Phenomena and modeling of flow-induced vibrations of bluff bodies”, Journal of Fluids Structure, 1989.
[15] Khalak, A.; Williamson, C. H. K. ,“Motion, forces and mode transitions in vortex-induced vibrations at low mass-damping”, Journal of Fluids Structure, 1999.
[16] Govardhan, R. , Williamson, C. H. K. , “Modes of vortex formation and frequency response of a freely vibrating cylinder”, Journal of Fluids Structure, 2000.
[17] Willden, R. H. J.; Graham, J. M. R. , “Numerical simulation of the flow about deep water riser pipe”, Ph.D. thesis, University of London, 2003.
[18] Suzuki, H.; Takano, K.; Enomoto, K.; Oka, N. ,“Axial and lateral response of a deep-sea riser for scientific drilling”, Proceedings of twenty third International conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, British Columbia, Canada, 2004.
[19] Chatjigeorgiou, I. K.; Mavrakos, S. A. , “Nonlinear resonances of parametrically excited risers-numerical and analytical investigation”, Journal of Computers and Structures, 2005.
[20] Kuiper, G. L.; Brugmans, J.; Metrikine, A. V. ,“Destabilization of deep-water risers by a heaving platform”, Journal of Sound and Vibration, 2007.
[21] Chakrabarti, S. K. ,“Handbook of Offshore Engineering”, Elsevier, 2005.
[22] George, D. R. ,“Water Wave Mechanics for Engineers and Scientists”, World Scientific Publishing Co., Singapor, 1984.
[23] Blevins, R. D. ,“Applied Fluid Dynamics Handbook”, Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1984.
[24] Naguleswaran, S. ,“Transverse vibration of an uniform Euler-Bernoulli beam under linearly varying axial force”, Journal of Sound and Vibration, 2004.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار