深水鉆井隔水管壽命管理技術(shù)研究.pdf

1、本論文結(jié)合國家高技術(shù)研究發(fā)展（863）計(jì)劃海洋技術(shù)領(lǐng)域重大項(xiàng)目“深水鉆完井關(guān)鍵技術(shù)”部分內(nèi)容展開，對深水鉆井隔水管系統(tǒng)壽命管理技術(shù)作了較系統(tǒng)的研究，采用理論分析、數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真等方法，在深水鉆井隔水管失效模式識別和損傷評估、壽命管理方法研究、監(jiān)測和檢測方法與技術(shù)分析、壽命管理體系應(yīng)用等方面取得一定的研究進(jìn)展。主要研究進(jìn)展總結(jié)如下： 1.深水鉆井隔水管失效模式識別和損傷評估 深水鉆井隔水管系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境和載荷復(fù)雜多變，

2、面臨多種失效可能，首先對腐蝕、疲勞和磨損三種主要失效模式分別進(jìn)行機(jī)理分析和定量損傷評估，這是壽命預(yù)測和管理的基礎(chǔ)。采用許用應(yīng)力法進(jìn)行腐蝕缺陷評估；考慮腐蝕缺陷造成的管壁應(yīng)力集中，在計(jì)算系統(tǒng)疲勞壽命時引入應(yīng)力集中系數(shù)，給出一種綜合評估兩種損傷的可行方法。疲勞損傷評估從波致疲勞和渦激疲勞兩方面展開，波致疲勞針對每一種典型海況分別討論然后加權(quán)累積，無缺陷單根和有缺陷單根的損傷評估分別采用S-N曲線法和裂紋擴(kuò)展理論；渦激疲勞評估則是基于隔水管系

3、統(tǒng)的模態(tài)分析，根據(jù)流剖面和振動能量篩選出對疲勞損傷貢獻(xiàn)最大的響應(yīng)模態(tài)，確定其應(yīng)力幅和應(yīng)力范圍用于損傷計(jì)算。磨損評估中采用偏心圓筒模型模擬隔水管磨損，以管壁磨損最深處內(nèi)壁的環(huán)向應(yīng)力達(dá)到某種強(qiáng)度極限作為失效判斷條件，進(jìn)行磨損剩余強(qiáng)度計(jì)算。 2.深水鉆井隔水管壽命管理方法研究 提出了隔水管系統(tǒng)在一個鉆井作業(yè)周期內(nèi)的壽命管理策略，包括系統(tǒng)損傷和壽命預(yù)測、單根適用性評價、作業(yè)過程監(jiān)測、作業(yè)后檢測、建立隔水管信息數(shù)據(jù)庫等部分。含缺陷

4、單根的使用壽命取決于缺陷臨界尺寸和損傷發(fā)展速率兩方面：首先按照缺陷類型分析單根的臨界缺陷尺寸，裂紋型缺陷的臨界深度取為隔水管壁厚或更小尺寸，腐蝕和磨損缺陷的臨界尺寸根據(jù)管壁缺陷位置的應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則確定：則臨界尺寸與缺陷發(fā)展速率的比值為隔水管壽命的預(yù)測值。定義了一個5，000ft鉆井隔水管系統(tǒng)，以其為目標(biāo)進(jìn)行作業(yè)周期壽命管理，并根據(jù)壽命預(yù)測值對疲勞、腐蝕和磨損三種損傷模式劃分損傷等級，損傷等級高的管段應(yīng)在作業(yè)過程之中和之后給與重點(diǎn)監(jiān)測和檢測

5、。對于使用含缺陷單根的實(shí)際隔水管系統(tǒng)，缺陷單根應(yīng)布置在損傷預(yù)測最低的位置以獲得最大系統(tǒng)可靠性。 借鑒完整性管理理論初步建立單根壽命管理策略，在缺陷類型識別和失效機(jī)理評價的基礎(chǔ)上分析失效概率和失效后果，由此確定單根的失效風(fēng)險，風(fēng)險評價值是檢測和維修決策的重要依據(jù)。對隔水管單根進(jìn)行疲勞、腐蝕和磨損可靠性分析：疲勞可靠性分析分為無缺陷單根和含裂紋型缺陷單根兩種情況，分別由損傷關(guān)系和裂紋擴(kuò)展壽命關(guān)系建立極限狀態(tài)方程；最大腐蝕深度認(rèn)為服從

6、Ⅰ型極大值分布，根據(jù)腐蝕深度準(zhǔn)則計(jì)算可靠度：磨損可靠度則為磨損值低于臨界磨損量的概率。認(rèn)為隔水管屬于串聯(lián)系統(tǒng)，但單根之間具有一定相關(guān)性，采用區(qū)間估計(jì)法對目標(biāo)隔水管系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)可靠度計(jì)算。 3.隔水管系統(tǒng)監(jiān)測和檢測方法與技術(shù)分析 通過對運(yùn)動/應(yīng)變監(jiān)測方法以及單機(jī)/實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的分析，綜合考慮監(jiān)測成本、安裝情況、線路可靠性等因素，確定采用分布式單機(jī)運(yùn)動監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行深水鉆井隔水管監(jiān)測，并對所需傳感器數(shù)量、監(jiān)測覆蓋范圍以及傳感

7、器最佳安裝位置進(jìn)行了分析。提出了一種深水隔水管VIV監(jiān)測位置優(yōu)化方法：基于隔水管有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，識別對VIV疲勞貢獻(xiàn)最大的模態(tài)作為監(jiān)測對象；對于每一階主要模態(tài)，考慮隔水管傾斜和重力影響，尋找使響應(yīng)加速度幅值達(dá)到最大的所有位置；從中確定最佳位置安裝監(jiān)測裝置，使該位置處的其他模態(tài)響應(yīng)為最小。 4.深水鉆井隔水管壽命管理體系應(yīng)用 深水隔水管系統(tǒng)的懸掛模式需給于足夠重視，在懸掛固有頻率、軸向動力放大系數(shù)和軸向響應(yīng)分析的基

8、礎(chǔ)上，對目標(biāo)隔水管系統(tǒng)的硬懸掛模式進(jìn)行案例討論。起下作業(yè)過程中，要求在每個單根下放或回收之后整個隔水管柱均滿足無壓縮和軸向載荷條件。懸掛分析中討論有/無防噴器組兩種情況，根據(jù)無壓縮準(zhǔn)則確定最大允許加速度，計(jì)算此時的懸掛系統(tǒng)軸向載荷，若載荷值大于支撐裝置承載能力應(yīng)考慮采用軟懸掛方式，或回收一定數(shù)量單根直至軸向載荷滿足條件。 結(jié)合目標(biāo)系統(tǒng)討論了隔水管損傷減緩措施，對于隔水管渦激疲勞采用改變頂張力和內(nèi)部泥漿密度以及交錯布置浮力單根的方