深水钻井隔水管单根寿命管理方法.pdf

第 3 9 卷第 2期 2 0 1 i年 3月 石 油 钻 探 技 术 P ETROl E UM DRI LL I NG TE CHNI QUES Vo1 ． 39 No ． 2 M a r ．。 2 O11 ． _ 深水钻 井 技术专题 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ．i s s n． 1 0 01 0 8 9 0 ． 2 01 1 ． 0 2． 00 7 深水钻 井隔水管单根寿命管理方法 刘秀全 陈国明 彭 朋 畅元江 中国石油大学 华东海洋油气装 备与安全技术研究 中心 ， 山东 东营2 5 7 0 6 1 摘要 深水钻 井隔水 管面临多种失 效模 式 ， 对 隔水管单根 寿命进 行管理 有助 于提 高隔水管服役 的 可靠性。 基 于深水钻 井隔水管 系统完整性管理流程 ， 提 出了隔水管单根寿命 管理方 案 根据 隔水管 事故 统计结果识 别深水 钻井隔水 管的主要失效模式 ； 建立 隔水管单根 失效风 险矩阵 ， 详 细 阐述 深水钻 井隔水管单根 失效概率分析 和失效 后果分析的过程及方法 ； 最后确定隔水管单根 的检测要 求、 检 测方法与维修方 法。 关键词 深水钻 井；隔水管；寿命 ； 风险分析 中图分类号 TE 9 5 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 0 2 0 0 4 0 0 5 De e p wa t e r Dr i l l i n g Ri s e r J o i n t s Ma n a g e me n t L i u Xi u q u a n Ch e n Gu o mi n g P e n g P e n g Ch a n g Yu a n j i a n g Re s e a r c h C e n t r e f o r o} { s h o r e P e t r o l e u m Eq u i p me n t a n d S a f e t y， C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m ， Do ngyi n g， Sha ndo n g， 2 5 7 06 1， Ch i n a Ab s t r a c t Th e r e a r e a l o t o f wa y s f o r d e e p wa t e r d r i l l i n g r i s e r f a i l u r e ， a n d e f f e c t i v e ma n a g e me n t o f j o i n t r i s e r h e l p s i mpr o v e t he r e l i a bi l i t y o f r i s e r ．Ac c o r di n g t o t he i nt e g r i t y ma na ge m e nt pr o c e du r e o f de e p wa t e r d r i l l i n g r i s e r s y s t e m， t h e ma n a g e me n t me t h o d f o r r i s e r j o i n t wa s p r o p o s e d ． Th e r i s k ma t r i x wa s c r e a t e d a c c o r d i n g t o t h e d e e p wa t e r dr i l l i n g r i s e r f a i l u r e mo de i de n t i f i e d by r i s e r a c c i de nt s s t a t i s t i c s ．The p a p e r de t a i l e d t h e me t h od f or a na l y z i ng t h e p r o ba b i l i t y a n d c o n s e q u e n c e o f r i s e r f a i l ur e ． The i ns pe c t i o n r e q u i r e me n t s a n d ma i n t e n a n c e me t h o d s f o r r i s e r j o i n t wa s d e t e r mi n e d ． Ke y wo r d s d e e p wa t e r dr i l l i n g；r i s e r p i p e；l i f e；r i s k a n a l y s i s 深水 钻 井 隔水 管 系统 由 多个 相 对 独 立 的 隔水 管 单 根连 接 而 成 ， 只 有 确 保 作 为 基 本 单 元 的 隔 水 管 单 根处 于 良好 状 况 ， 整 个 隔 水 管 系 统 的可 靠 性 才 有 保证 。为 了提 高 隔 水 管 单 根 寿命 和 服 役 的 可 靠 性 ， 需 要 一 种 行 之 有 效 的 隔 水 管 单 根 寿 命 管 理 方 案 。 目前 ， 国 外 已对 隔 水 管 系 统 的 完 整 性 管 理 进 行 了一 定 的 研 究 ] ， 而 国 内 在 该 方 面 的研 究 几 乎 还 处于 空 白状 态 。为 此 ， 笔 者 结合 国外 的隔水 管 完 整性管 理方 案提 出 了隔水 管 单 根寿 命 管 理流 程 ， 以对我 国海上 钻井 隔水管单 根 寿命 管理 有一定 的参 考 、 借鉴 作用 。 1 深水钻井隔水管单根寿命管理流程 隔水 管单 根寿 命管理 的 主要 目的是延长 隔水管 单根的使用寿命 ， 但也要考虑与结构完整性、 结构可 靠性 、 维 护 、 检测 以及规 范要 求相关 的直 接或 间接成 本 。借鉴 隔水 管完 整性 管 理 理论 ， 建 立 的隔 水管 单 根 寿命管 理流 程如 图 1 所示 l_ 2 ] 。 由图 1可 知 ， 隔水 管单 根 寿命 管 理 建立 在 两项 工作 基础 上 一 是确定 隔水管 单根 可能 的失效模 式 ； 二是 建立 风险 降低 策 略 ， 包括 隔水 管 单根 失 效风 险 收 稿 日期 2 0l 1 一 O 2 0 2； 改 回 日期 2 O 1 ] 一 O 2 1 7 基 金 项 目 国 家 高技 术 研 究 发 展 计 划 “ 8 6 3 ” 计 划 课 题 “深 水 钻 完井关键技术” 编号 2 0 0 6 AA0 9 A1 0 6 、 中央高校基 本科研 业务 费 专 项 资金 项 目“ 南 海 深水 油 气开 采 风 险 控 制技 术 应 用 基 础研 究 ” 编 号 0 9 C X 0 5 0 0 8 A 资助 作者简介 刘 秀全 1 9 8 7 ， 男， 山 东枣庄人 ， 2 0 0 9年毕业 于中 国石油大学 华 东 机械设计制造及其 自动化专业， 在读硕士研究生。 联 系方 式 0 5 4 6 8 3 9 1 1 l 3 ， 1 x q mc a e 1 6 3 ． c o rn 第 3 9卷第 期 刘秀全等 深水钻井隔水管单根 寿命管理方法 图i 深水钻井隔水管单根寿命管理流程 Fi g ． I Fl o w c ha r t of de e pwa t e r dr i l l i ng r i s e r j o i n t s ma n a g e me n t 分 析 、 制 定 检测 计 划 、 维修 高 风 险单 根 等 。首 先 ， 根 据 国 内外 深水钻 井 隔水 管事 故统计 结果 识别 隔水 管 单 根主要 失效模式 ； 然 后 ， 对 隔水 管单 根可能 遭受 的 风 险进 行 系统性评 估 ， 分 析 每 种 失效 模 式 的 发 生概 率及 其后果 的严重 程 度 ， 从 而 确 定 每种 失 效 模式 的 风 险水平 ； 最后 ， 根 据 隔水管单 根风 险分 析结 果制定 风 险降低 策略 ， 包 括制定 低 中风险单 根 的检测 计划 、 维修 高风 险单 根等 。 2 深水钻井隔水管单根失效模式识别 深水 钻井 隔水 管 系统 作 业 环境 恶 劣 ， 承受 的作 业 载荷复 杂多 变 ， 可 能发生 多种失 效模 式 ， 通 过对 已 发 生 的隔水管事 故进 行分 析与统 计来识 别 主要 的失 效模 式 。首先 ， 根据美 国矿 产管理 局 MMS 的海 洋 管 线失 效 统 计 结 果 ， 3 0多 年 内 墨 西 哥 湾 发 生 的 3 9 7 1起 事故 中有 2 1 6 8起 占 5 5 是 由腐 蚀 引 起 的 ， 其 中外 部 腐蚀 占到 7 0 ～ 9 2 。 。， 可见 腐 蚀 已 成 为一 种 重 要 的隔 水 管 失 效 模 式 。其 次 ， 随着 钻 井水 深 的 增 加 隔 水 管 发 生 涡 激 振 动 的 可 能 性 增 大 ， 虽然 目前 尚无 涡 激 振 动 导 致 隔 水 管 失 效 的 案 例报 道 ， 但 涡 激 振 动 一 旦 发 生 将 在 很 短 时 间 内 给 隔水 管造 成 较 大 的疲 劳 损 伤 ； 其 他 环 境 载 荷 也 会 引起 隔水 管疲 劳 损 伤 ， 冈 此 应 将 疲 劳作 为 一 种 失 效 模式 纳 入 分 析 和评 估 当 中 。再 次 ， 随 着 作 业 水 深 的不 断 增 大 ， 钻 柱 对 隔 水 管 内壁 的磨 损 日益 突 出 。浅 水 中 影 响 磨 损 的 主 要 因 素 能 得 到 较 好 控 制 ， 但 深 水 中 钻 井 船 控 制 难 度 加 大 、 海 流 作 用 增 强 、 隔 水管 张力 变 化 加 剧 等 因素 均 造 成 磨 损 加 剧 ， 并 引发 了几 起 隔水 管 磨损 失 效事 故 。 3 深水钻井 隔水管单根失效风险评估 隔水管单 根 失效风 险评 估是 隔水管 单根 风险控 制 决策 的 基础 ， 为 隔 水 管 单 根 寿命 管 理 提 供 支 撑 。 隔水管 单根 失 效 风 险 评估 的 目标 包 括 以下 6个 方 面 1 在 进行 隔水 管完整 性评 价和 采取减 缓措施 时 ， 对 各单 根按 失效风 险 水平 高 低 进 行 排序 ； 2 评价 减 缓 措施 的效果 ； 3 对识别 到 的风险 ， 确定 最有 效 的减 缓 措施 ； 4 改 变检 测 周期 后 重 新 评 价 隔水 管 结 构 的 完 整性 ； 5 评价 检测 方法 的使 用情 况与必 要性 ； 6 进 行更 有 效 的检 测 与维护 。 3 ． 1 单 根失 效风 险分析 根 据完 整性 管 理 理论 ， 失 效 风 险取 决 于 失效 发 生概 率 P O F 和 失 效 后果 C O F 两 方 面 ， 通过 降 低 失效 概 率 或 减 轻 失 效 后 果 就 能 降 低 失 效 风 险 。 如果失 效 概率 和失 效后 果 的重 要 性 相 同 ， 认 为 可 以 将两者 相乘 计算 失效 风险 。如果 失效 概率 和失效 后 果 的重 要性 不 同 ， 应 分 别 对 两种 因素 进 行定 性 或 定 量评价 并 建立风 险矩 阵 ， 如图 2 所 示 。 图 2 风 险 矩 阵 Fi g． 2 Ri s k mat r i x 图 2中 ， 绿 色 范 围表 示 低 风 险 区 域 ， 其 失 效 概 率 和后 果 均较 低 ， 可 以认 为 系统 完 整性 状 态 良好 ， 安 全 、 经 济 、 环 境 后 果 均 能 够 接 受 ， 可 以 将 低 风 险 区域 作 为风 险 接 受 极 限 。低 风 险 区 域 只 需 要 最 基 本 的 检测 和 维 护 ， 但 应 保 证 损 伤 评 估 中 使 用 的 假 设 条 件在 操 作条 件 改 变 之后 仍 然 适 用 。中 风 险 区 域 黄 色 范 围已经 超 过 了 风 险 的 可 接 受 水 平 ， 需 要对 隔 水 管 单 根 进 行 检 测 并 采 取 适 当 的 维 护 措 施 ， 通 过检 测 和 维 护将 系 统 风 险 降 至 可 接 受 水 平 。 通过检测降低 风险 的方法成 本较高 ， 最经 济 的方 法 是 进 行 故 障 检 修 。若 失 效 后 果 较 严 重 ， 则 应 将 重 点 放 在 维 持 低 失 效 概 率 方 面 ， 因为 作 业 条 件 的 改 变 可 能 引 起 失 效 概 率 增 大 从 而 引 起 风 险 加 剧 。 石 油 钻 探 技 术 高风 险 区域 红 色 范 围 的 作 业 风 险 过 高 ， 必 须 立 刻 采 取措 施 降低 ／ 控 制 风 险 ， 并 对 失 效 概 率 和 失 效 后 果 进行 详 细分 析 。 3 ． 2单 根失效概 率 分析 失效 概 率是 对 某一 损 伤发 生 概率 的度 量 ， 不 同 部 件对 同一失效模 式 的敏 感程 度 不 同， 通 过划 分失 效敏感性等级来评估失效概率。失效概率取决于作 业 载荷 ， 其 他决定 性 因素还包 括剩余 壁厚 、 缺 陷尺寸 和 材料性 能等 。此 外 ， 有些 失 效 机理 还 受控 于特定 因素， 如温度和环境酸碱性。所有的因素都可能发 生 变化 ， 全 面 的概 率 分析 应 将 每 一 因素 看作 一 随机 变量 。 深水 钻井 隔水管 单 根 面l 临多种 失 效模 式 ， 每种 失效模 式 的极 限状 态方程 为 Z D 一 D 1 式 中 Z 为第 i 种 失 效 模 式 的失 效 功 能 函数 ； D 为 第 i 种失 效模式 的临界 损 伤量 抗 力 ； D 为第 i 种 失效模式的损伤量 应力 。 为 了保证 隔 水管 单 根安 全 有效 ， 必 须保 证 隔水 管单根每种失效模式的损伤量都小于相应的临界损 伤量 ， 隔水 管 的失效概 率为 P f 一 1 一 P Z 1 0 U Z 2 0 U ⋯ U O 2 式 中 P f 为隔水 管单根 的失效 概率 ； 一1 ， 2 ， ⋯ ， 为第 i 种 失效模 式 的失效功 能 函数 。 在完 成 隔水 管单 根 失效 概 率计 算 的基 础上 ， 需 要对 隔水管 单根失 效 概 率进 行 等 级 划分 ， 一 般 参 照 以下标 准 进 行 等 级 划分 失效 概 率 1 O ／ a时 ， 失 效概率等 级为 5级 ； 1 0 ／ a 失效 概率 ≤ 1 0 ／ a 时 ， 失 效 概 率 等 级 为 4级 ； 1 0 ／ a 失 效 概 率 ≤ 1 0 ／ a时 ， 失 效 概 率 等 级 为 3级 ； 1 0 ／ a 失 效 概 率≤ 1 0 ／ a时 ， 失 效 概 率 等 级 为 2级 ； 失 效 概 率 ≤ 1 0 ／ a时 ， 失效 概率 等级 为 1 级l 6 ] 。 3 ． 3单根 失效后 果分析 失效 后果 根 据安 全 、 经济 和 环境 后 果 三方 面确 定 ， 可 以分 为 A、 B、 C、 D 4个等 级 ， 严重 性依 次递增 ， 见表 1 。安 全 性 后 果 的 评 价 一 般 针 对 能 够 导 致 失 火 、 爆 炸或泄 漏 的失 效模式 ； 经 济后果应 包括 受损装 备 造价 、 维修 成本 和停工 费用 ； 环境后果 除 了考虑需 要 进行 短期净 化之外 ， 长期 影 响也不容 忽视 ， 尤其 可 能会造成信誉损失_ 7 ] 。 表 1 失 效 后 果 评 估 Ta bl e 1 Ev a l u a t i o n o f f a i l ur e c on s e qu e n c e 3 ． 4算例 以在 南海应 用 的一隔水 管 系统 水 深 1 2 6 0 m 为 例 ， 参考 深水 钻井 隔水管 单根失效 风 险评估方 法 ， 进 行隔水 管单 根的波 激疲 劳失效 风险分 析 。考 虑到 实 际作业 中载荷 条 件 的不 确 定 性 ， 组成 隔 水 管柱 的 第 i 个单根的疲劳寿命 T 表示为 一 B 旦 m fL S 3 式 中 △为 隔水 管极 限损伤 量 ； A 和 为 SN 曲线 表 达 式 中 的参数 ； B 为描 述疲 劳 载 荷计 算过 程 中的 随机变量； ， 为应力范围作用的平均频率； s 为等 效 疲 劳应力 幅 。 假设 影 响隔 水管 单 根 寿命 的随 机 变量 △、 A、 B 都服 从对数 正态 分布 ， 则 隔 水 管单 根 的疲 劳失 效 概 率为 一 1 一 一1 一 声 二 4 、 C Y l n Tf 式 中 为第 i 个 隔水 管单 根 的失 效概 率 ； 为第 i 个 隔水管 单根 的可靠性 指标 ； T 为 第 个 隔水 管 单 根 的疲劳 寿命 ； T 。 为第 i 个 隔水管 单 根 的设 计疲 劳 寿命 ， 取 隔水管设 计寿命 为 2 O a 。 为 了得 到 隔水 管单 根 的 疲劳 寿命 ， 应对 隔水 管 系统进行 疲劳 分析 。在 AB AQUS中建 立 隔水管 动 态 响应分 析模 型 ， 以南 海 波浪海 况作 为环境 载荷 ， 同 时考虑隔水管顶部钻井船的波频和慢漂运动。动态 分 析完 成后通 过编写 的疲 劳后处 理模 块得 到隔水 管 单根的等效疲劳应力幅， 如图 3所示 ， 其中单根序号 第 卷 第 2期 刘 秀 全等 深 水 钻 井 隔 水 管 单根 寿命 管理 方 法 从 海面 至海底 依次递 增 。隔水 管单根 的失 效概率 如 图4 所示。 4 深水钻井隔水 管单根 的检测与维修 莹 ＼ 枨 耧 图3 隔水管单根的等效疲 劳应 力幅 E q u i v a l e n t f a t i g u e s t r e s s r a n g e o f r i s e r j o i n O 1 O 2 O 3 O 4 0 5 0 6 0 单根序号 图4 隔水管单根 的失效概率 F i g ． 4 F a i l u r e p r o b a b i l i t y o f r i s e r j o i n t 由图 4可知 ， 隔水 管单根 l ～7的疲 劳失效 概率 介 于 1 0 _ 。 ～1 O ／ a之 间 ， 其余 隔水 管单 根 的疲 劳失 效概 率小于 1 0 ／ a ， 根 据 隔水 管单 根 失效 概 率 等级 划分标 准可 知 ， 隔水 管单 根 1 ～7的失 效概 率等 级为 3 ； 其余 隔水 管单根 的失效 概率 等级 为 1 或 2 。 一 般 来说 ， 隔水 管发生 疲劳 失效 时会产 生裂 纹 ， 导 致轻微 的钻井 液 泄 漏 和很 小 的 经济 损 失 ， 根 据 隔 水 管单根 失效 后 果评 估 准则 见 表 1 可 知 ， 失 效 后 果 等级为 B 。 在得 出隔水 管疲 劳失效 概率等 级 和失效后 果等 级 的基 础上 ， 根据 图 2所 示 的 风 险矩 阵 对 单根 进 行 失效风 险等级 划分 。由图 2可知 ， 隔水 管 单 根 1 ～7 处于 中风险 区域 ， 其余 隔水 管单 根处 于低风 险 区域 。 基 于风 险的检 测 RB I 是测 量 隔 水管 单 根 失效 的主要 手段 ， 根据检 测结 果预 测风 险和剩 余寿 命 ， 检 测 之后按 要求 进行 维 护 和 维修 ， 从 而实 现 隔水 管 单 根 的风 险管理 。制 定 隔 水 管单 根 检 测计 划时 ， 首 先 要 明确 隔水管单 根 检 测要 求 ， 然 后 根 据 检测 要 求 选 取相 应 的检测 方法 进行 隔水管 单根检 测 。 4 ． 1单根 的检 测要 求 制定 隔 水 管单 根 检测 要 求 时 ， 需保 证 对存 在 失 效风 险及 经历关 键 作业 后 的单 根 进行 检 测 ， 否 则 可 能会 因没 能 及 时 检 测 发 现 并 修 复 缺 陷导 致 单 根 失 效 ， 造 成一定 的安 全 、 经济 和环境后 果 。详细 的 隔水 管检测 要求 见表 2 l 7 j 。 表 2 隔水 管 单 根 的检 测 要 求 T a b l e 2 I n s p e c t i o n r e q u i r e me n t f o r r i s e r j o i n t 由表 2可 知 ， 隔水 管 加 工 后 、 第 一 次 使 用 和安 装 ／ 回收后需 要对 所有 的单根 进行 检测 ， 同时 对处于 风 险状 态下 的单根 进行 周期性 检测 。 4 ． 2单 根的检 测 方法 检测 的有效 性取 决 于所用 检测 技术 的敏感性 和 精度 ， 若检 测技 术精 度 不 高则 不 能 检 测 出不 可 接 受 的损伤 水平 ， 那 么 应选 择 其 他 检测 技 术 。基 于 风 险 的检测 可 以是 定性 或 定 量 的 ， 两 种 检测 方 法 的优 缺 点 和适 用范 围见 表 3 。实践 中二 者 并 无 严 格 区分 ， 大 部分基 于风 险 的检测是 定性 和定 量的结 合体 ] 。 表 3定 性 和 定 量 检 测 方 法 对 比 Ta bl e 3 Compa r i s o n o f qu a l i t a t i v e a nd qu an t i t at i v e i np e c t i o n ； 6 5 4 3 2 1 O _l ＼ 瓣鞋蓑 4 4 石 油 钻 探 技 术 2 0 1 1年 3月 4 ． 3单根的维 修方 法 隔水 管单根 维修 的主要 目标是 通过 维修有 缺陷 的隔水管单根使隔水管系统达到规定的安全水平， 保证 隔水 管单根 的正 常工作 。深水 钻井 隔水管单 根 的维修 主要包括 两 个方 面 ， 即隔 水 管单 根 的修 复 和 隔水 管单 根 的置 换 ， 常规 的 隔水 管单 根 维修 方 法 见 表 4 。 表 4隔水管单根的维修方 法 T a b l e 4 Ma i n t e n a n c e me t h o d f o r r i s e r j o i n t 5 结束语 隔水管 完 整性 管 理是 一 个持 续 的评 估 过程 ， 涵 盖 了设计 、 制造 、 安装 、 操作 和维 护的各 个阶段 ， 具有 较 强 的现 场 指 导 意 义 。 国外 的 MC S公 司 、 B P公 司 、 2 H公 司 和挪 威船 级 社 D NV 等 都 进 行 了相 关 方面的研究， 并取得了一定的成果 ， 而我国几乎仍处 于空 白状 态 。笔者参 考 国外 的深 水钻 井隔水 管完整 性 管理 流程 ， 提 出了隔水管 单根 寿命管 理方案 ， 从深 水 钻井 隔水管失 效 模式 识 别 、 深 水 钻井 隔 水 管单 根 失效 风 险评估 和深水 钻井 隔水管 的单根 检测 与维修 三 个方 面进行 了详 细 介绍 ， 对 我 国深水 钻 井 隔水 管 单 根寿命 的管 理具有 一定 的借鉴 作用 。 参 考 文 献 [ 1 ] C o o k H H， D o p j e r a D E， Th e t h i R， e t a 1 ． Ri s e r i n t e g r i t y ma n 6 僚 棠 ’ 僚 索 ≈ 采 采 ； 欢迎订 阅 2 0 1 1年 石油与装备 杂志 石 油 与装备 杂志是 由香 港振威 国际能 源传媒 集 团出版 、 中 国图书进 出 口 集 团 总公 司在 国内发行 中 国图书编 号 8 1 7 Y0 0 0 3 ， 国际连续 出版物 号 I S S N1 9 9 0 5 9 7 4 的～本 石油装 备业 专业性 综合 期刊 ， 是 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