一种考虑涡激振动的无隔水管开采天然气水合物钻柱动力学分析方法与流程

本发明属于天然气水合物开采及钻柱动力学分析领域，具体而言，尤其是关于一种考虑涡激振动的无隔水管开采天然气水合物钻柱动力学分析方法。

背景技术：

1、天然气水合物，因其外观类似冰且遇火可燃，常被称为“可燃冰”，是一种由天然气与水在低温高压条件下形成的类冰状结晶物质，其主要成分是甲烷。作为一种极具潜力的新型能源，天然气水合物在全球范围内储量巨大，广泛分布于深海沉积物以及陆地永久冻土带等区域。据估算，全球天然气水合物中的碳含量约为现有化石能源碳含量的两倍，其储量丰富程度可见一斑，这使其成为解决未来能源需求的重要研究方向。

2、然而，天然气水合物的开采面临着诸多挑战。一方面，开采环境复杂，多处于深海或极地等恶劣条件下，开采难度极大。例如，在深海区域，需要应对巨大的水压、低温以及复杂的海洋地质条件。另一方面，开采技术尚不成熟，现有的开采方法，如降压法、热激法、注剂法等，都存在一定的局限性。以降压法为例，虽然原理相对简单，即通过降低地层压力使天然气水合物分解为天然气和水，但在实际应用中，可能会导致地层坍塌、水合物再生成等问题，影响开采效率和安全性。

3、在深海天然气水合物开采中，无隔水管开采方式逐渐受到关注。这种开采方式相较于传统有隔水管开采，具有成本低、操作相对灵活等优势，尤其适用于浅层天然气水合物的开采。然而，无隔水管开采也带来了新的问题，如钻柱在海水段直接暴露于复杂的海洋环境中，更容易受到海流等因素的影响，引发涡激振动等复杂动力学问题，严重威胁钻柱的安全与开采的顺利进行。

4、钻柱动力学是研究钻柱在钻井过程中受力与运动特性的学科，对于保障钻井安全、提高钻井效率具有重要意义。目前，钻柱动力学研究在常规钻井领域已取得一定成果，建立了多种考虑钻柱与钻井液、井壁相互作用的力学模型，能够对钻柱的受力、变形和振动等进行一定程度的分析和预测。然而，在无隔水管钻柱动力学分析中，存在海水段与地层段动力学参数传递的精度不足的问题，导致地层段分析的初始条件误差累积，进而影响钻柱安全评估的可靠性，其问题的根源在于：

5、①参数格式不匹配：海水段（基于流体域切片与o型网格）与地层段（基于接触力学离散化网格）的模型网格划分方式不同，导致参数传递时需跨网格插值，易引入误差。

6、②动态响应数据同步性差：涡激振动与地层接触的时变特性要求参数传递需实时更新，而传统静态传递机制无法满足动态耦合需求。

7、③多物理场耦合效应未完全关联：海水段的海流力与地层段的接触力在传递过程中未充分耦合，导致钻柱整体动力学行为模拟失真。

8、综上所述，现有的无隔水管钻柱动力学分析方法在应对深海天然气水合物开采的复杂工况时，存在明显的不足，亟需一种能够提高海水段与地层段动力学参数传递精度、满足动态响应数据同步性要求以及充分关联多物理场耦合效应的新型分析方法，以保障无隔水管钻柱在深海天然气水合物开采过程中的安全与高效运行。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供了一种考虑涡激振动的无隔水管开采天然气水合物钻柱动力学分析方法。

2、为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种考虑涡激振动的无隔水管开采天然气水合物钻柱动力学分析方法，包括以下步骤：

3、基于钻柱几何参数及海洋环境参数，构建海水段钻柱动力学模型，并基于尾流振子理论对海水段钻柱进行涡激振动建模，计算海水段钻柱的振动幅值及频率，同时基于纳维-斯托克斯方程计算各流体域切片的海流力分量，获取海水段钻柱的轴向张力、扭矩及位移时程数据；

4、在泥线边界处建立参数传递接口，采用混合插值算法将海水段o型网格的动力学参数映射至地层段接触力学网格，并在泥线边界处生成自适应过渡层网格，同时在泥线边界建立双向反馈通道，实施双向耦合迭代计算，实现海水段与地层段动力学参数的动态同步与实时更新；

5、基于传递的初始条件建立地层段钻柱动力学模型，采用库伦摩擦模型结合赫兹接触理论计算地层段钻柱与井壁的动态接触力，并根据涡激振动频率动态调整摩擦系数，引入岩石脆性断裂模型模拟钻头切削过程中地层段钻柱的应力分布及轨迹偏移；

6、对海水段输入能量与地层段耗散能量进行对比分析，当能量误差超过设定阈值时动态调整传递参数的比例系数，并基于miner线性累积损伤理论计算钻柱疲劳损伤指数，当疲劳损伤指数超过设定阈值时触发参数优化指令。

7、作为优选：所述涡激振动建模的具体过程为：首先基于尾流振子理论，将海水段钻柱沿轴向划分为多个独立的流体域切片，每个切片采用o型网格进行离散化；然后利用斯特劳哈尔数关系式计算每个切片的漩涡脱落频率，并联立尾流振子方程求解顺流向与横流向海水段钻柱的振动幅值及频率；最后基于计算得到的漩涡脱落频率，构建尾流振子方程；

8、其中，斯特劳哈尔数关系式为：

9、

10、式中，为漩涡脱落角频率；为斯特劳哈尔数；为每个切片所在深度处的局部海流速度；为海水段钻柱外径；

11、尾流振子方程为：

12、

13、式中，为海水段钻柱的顺流向振动位移；为流体阻尼系数；为尾流振子耦合系数；为海水段钻柱的顺流向加速度。

14、作为优选：所述基于纳维-斯托克斯方程计算各流体域切片的海流力分量，获取海水段钻柱的轴向张力、扭矩及位移时程数据的具体过程为：基于纳维 - 斯托克斯方程，采用计算流体力学软件对海水段钻柱周围流场进行数值求解，以获取各切片的海流力分量，包括轴向力、径向力和扭矩分布，并结合海水段钻柱动力学模型计算海水段钻柱的轴向张力、扭矩及位移时程数据；

15、其中，纳维-斯托克斯方程的基本形式为：

16、

17、式中，

ρ为流体密度；

u为流速向量；

t为时间；

p为流体微元所承受的压力；

μ为流体动力粘度；

f为外部作用力。

18、作为优选：所述混合插值算法的具体过程为：先通过拉格朗日插值在海水段o型网格的每个切片内计算关键动力学参数的空间分布，再利用径向基函数将插值后的关键动力参数映射至地层段接触力学网格的节点，同时在过渡层网格引入残差反馈机制进行误差修正。

19、作为优选：所述通过拉格朗日插值在海水段o型网格的每个切片内计算关键动力学参数的空间分布的具体过程为：在每个流体域切片内选取关键节点，所述关键节点包括网格中心点以及沿边界均匀分布的控制点；通过流体力学软件计算每个关键节点的位移和应力信息，构成插值计算的已知数据点集；通过拉格朗日插值方法利用所述已知数据点集构造多项式插值函数，使得插值函数在每个已知数据点处精确匹配其对应的位移与应力值，得到海水段o型网格的每个切片内钻柱位移与应力的空间分布；

20、其中，插值函数的表达式为：

21、

22、式中，

x为待插值位置；为已知数据点的坐标；为已知数据点对应的物理量值，插值函数计算得到的值即为该待插值位置的预测结果。

23、作为优选：所述利用径向基函数将插值后的关键动力参数映射至地层段接触力学网格节点的具体过程为：明确地层段接触力学网格上所有节点的坐标，同时从海水段o型网格中提取海水段钻柱的位移与应力值，作为后续映射的输入信息；以高斯核函数作为径向基函数建立插值方程组，构造空间连续函数以描述已知数据点的分布规律；将构造好的空间连续函数应用于地层段接触力学网格的所有目标节点，计算出各节点对应地层段钻柱的位移与应力值；采用最小二乘法对权重系数进行优化，使映射后的数据与原始数据之间的误差最小化。

24、作为优选：所述在过渡层网格引入残差反馈机制进行误差修正的具体过程为：

25、在过渡层网格中计算插值误差，通过对比插值后的位移与应力值与参考值，计算局部插值误差：

26、

27、式中，为插值计算所得值；为参考数据；

28、若局部插值误差

r超过设定阈值，则触发网格自适应加密，在误差较大的区域增加计算节点并重新执行插值计算。

29、作为优选：所述双向耦合迭代计算的具体过程为：

30、首先，在每个时间步计算完成后，提取海水段钻柱的关键动力学参数，包括海水段钻柱的振动幅值、顺流向振动位移和轴向张力，并将这些数据封装为标准化格式后实时传输至地层段钻柱动力学模型；

31、然后，地层段钻柱接收到海水段传递的数据后，结合当前地层段钻柱与井壁的接触状态，计算出该时间步的地层段钻柱与井壁的动态接触力并反馈给海水段钻柱动力学模型；

32、海水段将接收到的接触反作用力作为外部载荷项，加入海水段钻柱动力学模型中，得到修正后的海水段钻柱动力学模型：

33、

34、其中，为流体作用力；为海水段钻柱的质量矩阵；为海水段钻柱的阻尼矩阵；为海水段钻柱的刚度矩阵；

k为海水段钻柱的刚度矩阵；

x为海水段钻柱在修正外部载荷后的位移向量。

35、作为优选：所述对海水段输入能量与地层段耗散能量进行对比分析，当能量误差超过设定阈值时动态调整传递参数的比例系数具体为：对海水段输入能量与地层段耗散能量进行对比分析，确保整体能量守恒：当能量误差超过5%时，动态调整传递关键动力参数的比例系数，直至能量误差小于5%；

36、其中，海水段输入能量由海流力对海水段钻柱做功计算得出，主要包括轴向张力与涡激振动导致的能量输入；地层段耗散能量则包括摩擦能量损失和岩石破碎过程中产生的能量消耗，且摩擦能量损失采用下式计算得出：

37、

38、式中，

ef为摩擦能量损失；

ff为摩擦力；

v为相对滑移速度。

39、作为优选：所述基于miner线性累积损伤理论计算钻柱疲劳损伤指数具体为：提取泥线处及钻头连接处的应力时程数据，基于miner线性累积损伤理论计算钻柱疲劳损伤指数d，当d超过0.8时触发参数优化指令，所述参数优化指令包括降低钻柱转速或调整钻井液密度；

40、其中，miner线性累积损伤理论的表达式为：

41、

42、式中，

d为钻柱疲劳损伤指数；为循环次数；为材料在特定应力幅值下的疲劳寿命。

43、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

44、1、提高跨网格参数传递精度：

45、本发明开发了一种混合插值算法，结合拉格朗日插值与径向基函数（rbf），能够将海水段切片网格的动力学参数精准映射到地层段接触力学网格的节点上，确保参数在空间分布上的一致性。同时，在泥线边界处设置自适应过渡层网格，利用局部加密和网格变形技术，实现海水段与地层段网格的平滑过渡，有效减少插值误差。这一改进显著提高了跨网格参数传递的精度，为后续的动力学分析提供了更准确的初始条件。

46、2、实现动态数据同步与实时更新：

47、本发明采用双向耦合迭代算法，在泥线边界处建立双向反馈通道。海水段每完成一个时间步的计算后，立即将更新后的参数（如涡激振动幅值）传递至地层段，同时接收地层段的接触反作用力数据，修正海水段模型中的钻柱运动方程。这种动态数据同步与实时更新机制，能够有效解决传统静态传递机制无法满足动态耦合需求的问题，确保钻柱动力学分析的时效性和准确性。

48、3、增强多物理场耦合关联性：

49、在参数传递接口中嵌入涡激振动-接触力耦合方程，将海水段的振动响应幅值作为地层段接触摩擦力的动态激励项，并修正库伦摩擦模型中的摩擦系数表达式，使其随振动频率变化。通过全局能量守恒验证，对比海水段输入能量与地层段耗散能量，动态调整传递参数的比例系数，确保耦合模型整体能量平衡。这一改进增强了海水段与地层段多物理场耦合的关联性，使钻柱整体动力学行为的模拟更加真实可靠。

50、4、为钻柱安全评估提供可靠技术支撑：

51、通过高精度跨网格传递、动态数据同步及多物理场耦合增强，本发明有效解决了海水段与地层段参数传递的精度与实时性问题。这不仅提高了钻柱动力学分析的可靠性，还为无隔水管钻柱在深海天然气水合物开采中的安全评估提供了坚实的技术支撑，有助于降低开采过程中的安全风险，保障开采作业的顺利进行。