开发深海油气需要钻探大量超深井、大位移井,井下油管需要承受水下复合载荷的综合作用,这对气密特殊螺纹油管接头的密封性能提出挑战。以99.25 mm×6.45 mm气密油管特殊螺纹接头为研究对象,以密封面最大接触压力为考核指标,依据ISO 13679标准A系试验载荷包络线对正交优化试验结果进行密封性能分析。分析结果表明:密封面最大接触压力影响因素敏感性由大至小的顺序为:密封面角度>扭矩台肩角度>螺纹承载面角度>螺纹锥度>螺纹螺距;气密特殊螺纹油管接头参数最优组合为密封面角度10°、扭矩台肩角度-12°、螺纹承载面角度12°、螺纹锥度1∶18、螺纹螺距4.8 mm;优组后油管接头在ISO 13679标准A系试验载荷下各加载点密封性能良好。所得结果对气密特殊螺纹油管结构的进一步优化设计具有指导意义。

基于虚位移原理,建立了异锥度气密特殊螺纹接头(简称接头)的连接控制方程,并建立三维有限元模型,分析其在不同的机紧转矩和井下复杂工况条件下的力学响应特性。结果表明:在常见的工况下,接头的最大应力均小于材料的屈服应力;对于接头的密封结构,其主密封面的密封性能优于次密封面的密封性能;随着机紧转矩的增加,接头密封结构的平均接触压力与机紧转矩呈线性关系;轴向拉力和弯矩对接头密封结构的主、次密封面有不同程度的影响,但当机紧转矩值大于一定值后,其影响力将缓慢减弱并最终趋于稳定。分析结果对于接头的现场应用具有参考意义。

水下采油树是深海油气开发的关键设备,油管悬挂器作为采油树核心部件,其传热计算关系到后期油气的流动安全。以传热学理论为基础,分析水下采油树稳态和非稳态条件下传热控制方程及边界条件,对混合天然气比热容、导热系数以及对流换热系数等进行计算。采用数值传热方法建立水下采油树油管悬挂器传热的有限元模型,对油管悬挂器在稳态生产阶段和非稳态停机阶段的温度场分布进行数值模拟。稳态计算结果显示:油管悬挂器内壁温度关于X=0截面对称分布,最高为57℃,为生产的油气温度,最低温度出现在油管悬挂器顶部位置,为21.672℃;停机8 h后,油管悬挂器温度下降到21.66℃;在停机0.5 h内,温降幅度最大,油管悬挂器温度降到25℃,说明内部产出流体在关机初期和采油树本体间的热量交换剧烈;2 h后温度逐渐接近海水温度,最终达到稳态。

运用相似性原理,将脐带缆管路液压传输特性与电路电力传输特性进行类比分析,建立了脐带缆液压传输特性液阻、液容、液感数学计算模型,提出了脐带缆液压传输特性等效方法,运用细管等效液阻、蓄能器等效液容、液压马达和飞轮组合等效液感,并分析了等效参数的计算方法.运用AMESn软件,通过无负载泄压,比较脐带缆与等效脐带缆仿真的压力一时间特性;过开启单个和2个执行器,比较脐带缆与等效脐带缆仿真开关阀的时间及开阀时水下蓄能器压力特性,仿真结果表明脐带缆等效装置能较好地模拟脐带缆开关阀特性.开展了脐带缆等效装置无负载泄压和操作单个执行器实验验证,结果表明等效脐带缆实验泄压时间与脐带缆仿真泄压时间基本一致,泄压曲线较为接近;水下蓄能器的压力变化和开关阀门时间均与仿真结果一致,说明脐带缆等效装置能较好地模拟脐带缆

该研究以设计适用于深水环境并能满足水平连接器工作需求的液压系统为目的，采用双干路差动式液压设计的方法，着重介绍了深水水平连接器的工作原理及其主要零部件的组成、液压系统的控制流程和原理图，并借助液压仿真软件AMESim对所设计的液压系统进行了功能性仿真，证明了该液压系统应用于深水水平连接器的可行性。

分析脐带缆液压管线传输特性，提出等效方法。应用AMESim建立脐带缆液压管线液压仿真系统，进行仿真模拟，分析仿真结果，研究脐带缆的液压传输特性，并与相似性原理下脐带缆液压传输特性参数进行相对分析，确定脐带缆液压特性参数液阻、液容、液感在液压系统中的表现形式。根据分析结果，确定脐带缆液压传输特性的等效模型的形式，确定液阻、液容、液感的具体等方式，应用AMESim仿真分析了等效方法的等效性，确定了一种脐带缆液压管线的等效模型搭建形式。仿真结果可做为脐带缆液压等效装置搭建的理论参考。

复合电液控制是目前深水油气田开发应用较多的控制方式。对水下液压控制系统进行分析对主要的液压参数如操作压力HPU蓄能器、水下蓄能器容积进行计算;依据南海某油气田工程实际应用AMESim建立水下电液复合控制系统充压仿真模型仿真模拟不同脐带缆管径对系统充压和ESD的影响并利用AMESim仿真软件对南海某油田液压控制系统典型工况进行建模和动态仿真。仿真结果表明该液压系统的各项性能指标均满足相应标准规范和工程的要求。该仿真研究为脐带缆管径选择提供参考对水下液压控制系统的关键元部件选择分析有很好的参考和指导作用。

为了保证深水水平连接器能够完成海底管道的连接任务，需采用4个动作同步的液压缸来驱动连接器执行对接动作。为了确保4个液压缸在进给和收缩时始终保持活塞杆的位移同步，设计了分流集流阀同步回路来控制4个液压缸的动作，并利用AMESim软件对同步回路模型进行仿真，得到了4个液压缸的位移同步曲线和流量同步曲线。仿真结果表明：采用分流集流阀进行流量控制，可以有效提高4个液压缸在有偏载情况下的同步精度。