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(guó)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(duì)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(shí)別和損傷評(píng)估、壽命管理方法研究、監(jiān)測(cè)和檢測(cè)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(shí)別和損傷評(píng)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(duì)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(píng)估，這是壽命預(yù)測(cè)和管理的基礎(chǔ)。采用許用應(yīng)力法進(jìn)行腐蝕缺陷評(píng)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(shí)引入應(yīng)力集中系數(shù)，給出一種綜合評(píng)估兩種損傷的可行方法。疲勞損傷評(píng)估從波致疲勞和渦激疲勞兩方面展開，波致疲勞針對(duì)每一種典型海況分別討論然后加權(quán)累積，無(wú)缺陷單根和有缺陷單根的損傷評(píng)估分別采用S-N曲線法和裂紋擴(kuò)展理論；渦激疲勞評(píng)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(dòng)能量篩選出對(duì)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(píng)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(gè)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(cè)、單根適用性評(píng)價(jià)、作業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)、作業(yè)后檢測(cè)、建立隔水管信息數(shù)據(jù)庫(kù)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(cè)值。定義了一個(gè)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(cè)值對(duì)疲勞、腐蝕和磨損三種損傷模式劃分損傷等級(jí)，損傷等級(jí)高的管段應(yīng)在作業(yè)過(guò)程之中和之后給與重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和檢測(cè)

5、。對(duì)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(cè)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(shí)別和失效機(jī)理評(píng)價(jià)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(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)值是檢測(cè)和維修決策的重要依據(jù)。對(duì)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(wú)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(duì)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(cè)和檢測(cè)方法與技術(shù)分析 通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)/應(yīng)變監(jiān)測(cè)方法以及單機(jī)/實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分析，綜合考慮監(jiān)測(cè)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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行深水鉆井隔水管監(jiān)測(cè)，并對(duì)所需傳感器數(shù)量、監(jiān)測(cè)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(cè)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(shí)別對(duì)VIV疲勞貢獻(xiàn)最大的模態(tài)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象；對(duì)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(cè)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(dòng)力放大系數(shù)和軸向響應(yīng)分析的基

8、礎(chǔ)上，對(duì)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(guò)程中，要求在每個(gè)單根下放或回收之后整個(gè)隔水管柱均滿足無(wú)壓縮和軸向載荷條件。懸掛分析中討論有/無(wú)防噴器組兩種情況，根據(jù)無(wú)壓縮準(zhǔn)則確定最大允許加速度，計(jì)算此時(shí)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(duì)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(cuò)布置浮力單根的方