基于动态贝叶斯网络的水下井口系统RUL预测

为了及时发现水下井口服役期间的失效隐患,保证海洋油气资源的安全高效开采,提出了一种将马尔科夫过程与动态贝叶斯网络模型相结合的水下井口剩余使用寿命(Remaining Useful Life,RUL)预测方法。将水下井口系统全寿命周期的服役过程多级状态转移与时间相关联,考虑环境、装备及设计等疲劳损伤因素对井口系统性能的影响,预测水下井口系统全寿命周期不同工况、系统降级状态、不同维修状态下的RUL。以南海东方气田某水下井口系统为例开展分析,结果表明:不完美/完美维修可延长系统的剩余使用寿命;水下井口系统各部件中,临时导向基座对系统剩余使用寿命影响最大;防喷器(Blow-Out Preventer,BOP)质量和尺寸、大浪、隔水管设计缺陷、涡激振动事件是影响水下井口系统疲劳损伤程度的主要因素。

深水水下井口系统疲劳监测损伤评估研究进展

水下井口系统在钻完井和修井等连接作业过程中,受到波浪和海流引起的隔水管振动、平台运动以及作业性动载荷等传递而来的循环载荷作用,这些循环载荷使水下井口产生循环弯矩,导致水下井口疲劳损伤不断累积。为了促进深水水下井口系统技术进步,提高水下井口系统的安全利用水平,总结了深水水下井口系统特点,调研了水下井口在南海的应用现状和前景;分析了水下井口在损伤预测、疲劳监测、多源监测数据融合处理等疲劳损伤评估研究中的进展;总结了水下井口疲劳损伤评估研究难点,最后提出了水下井口疲劳损伤评估技术的发展方向及研究建议。水下井口疲劳损伤评估研究难点是水下井口疲劳监测水池试验待开展、缺乏多源监测数据融合的水下井口修正有限元模型。所得结论可为水下井口系统技术发展及深海应用提供参考。

水下井口系统密封技术研究和发展现状

针对海洋油气开发特点,总结了水下井口系统用主要密封装置,介绍水下井口系统密封技术及装置发展现状,分析水下井口系统密封区别于常规密封的特点,总结水下井口系统密封的关键技术,得出海洋油气发展方向决定了金属密封技术是水下井口系统密封未来发展的主要趋势的结论,并指出相关行业标准的制订将推动水下密封技术的发展。

基于流固耦合的水下井口系统拖曳系数研究

分析水下井口系统力学特性时,需要确定水下井口系统的拖曳系数。鉴于此,采用Hydril公司的防喷器组单元尺寸参数为建模标准,并基于Transocean公司防喷器组的选型依据进行建模。在ANSYS流固耦合模块中对适用于不同深度的防喷器组型号及该深度下海水水体环境进行数值模拟。研究结果给出了适用于不同环境下的水下井口拖曳系数,并表明拖曳系数与传统确定方法相比具有较大的偏差,其与防喷器组结构尺寸相关明显,与雷诺数关系较小,即在静水体环境下,防喷器组拖曳系数可近似于仅与其型号有关。研究结果可为水下井口力学分析提供一定的参考依据。

水下井口系统的波致疲劳方法分析

针对水下井口系统的波致疲劳寿命计算方法进行了研究。根据DNV标准规范进行了计算路线的梳理,并结合南海某海域波浪散点图,利用MATLAB进行了载荷谱的计算。最后,以钻井过程为例进行了水下井口系统的疲劳寿命计算,结果表明:水下井口系统在钻井工况下最危险的热点区域为高压井口头锁紧面和高压焊缝区域。本文针对水下井口的疲劳寿命技术方法进行了研究,以钻井工况下水下井口疲劳寿命为例进行了计算,得到水下井口零部件的疲劳寿命,以期为水下井口设计作为参考。

深水油气水下井口系统疲劳损伤影响因素

深水油气水下井口系统作为作业的安全屏障,长期承受由环境载荷引起的周期性疲劳载荷而产生疲劳,一旦井口发生疲劳失效将导致井喷等重大事故。通过系统总结水下井口系统疲劳损伤影响因素,定性、定量分析各种因素对水下井口疲劳损伤影响,初步探究水下井口疲劳损伤诱因的影响机理。影响水下井口系统疲劳损伤因素可分水下井口系统承受外部载荷和自身疲劳抗力,前者包括环境载荷、土壤载荷、作业环境和装备等因素,主要通过改变传递到井口系统动载荷和导管、套管承受弯矩载荷改变井口疲劳损伤;后者包括井口类型选择、井口设计和导管、套管选择等因素,主要通过改变导管、套管载荷分配和承受弯矩载荷能力以及井口系统承受动载荷能力对井口疲劳损伤产生影响。其中,环境载荷、防喷器尺寸重量、井口类型以及焊接质量和位置等是影响井口疲劳损伤的关键因素。

深水水下井口头系统紧锁机构分析

锁紧机构作为连接高低压井口头的重要部件,决定了深水井口头系统在多种外载条件下工作的稳定性和可靠性,对深水油气田作业安全至关重要。介绍了国内外几种典型水下高低压井口头系统及锁紧机构类型,对比分析了不同类型水下高低压井口头系统采用的锁紧机构及其锁紧原理和特点,并对Dril-Quip公司SS-15型井口头系统采用有限元进行了力学分析。结论表明,采取较大预紧力的锁紧机构,可以有效地提高低压水下井口头系统的抗疲劳能力。对深水作业时选择高低压井口头具有一定的指导意义。

一种适用于水下井口力学分析的新型砂土p-y模型

深水海底浅层土壤是影响水下井口系统动态响应的重要因素,对井口系统的疲劳评估至关重要。目前水下井口动态分析时常采用API推荐的p-y模型模拟导管—土壤相互作用,但该模型没有考虑水下防喷器组(Blowout Preventors,简称BOPs)竖向重载对管土交互的影响,导致水下井口动态分析存在较大计算误差。为此,首先根据常规和新型p-y曲线的理论模型进行数值计算,然后采用ABAQUS软件建立实尺寸水下井口管土相互作用模型,加载计算得到BOPs重载下导管变形—土壤抗力仿真结果并与理论模型进行对比,最后采用缩尺土箱实验验证新型p-y模型在水下井口动态响应分析的正确性。研究结果表明:①采用新型p-y模型得到的导管弯矩、土抗力等数值计算结果与ABAQUS仿真和缩尺实验均吻合良好;②相对于常规管土模型,采用新p-y模型得到的水下井口弯矩、位移响应幅值等降低15%左右,得到的导管弯矩、位移响应幅值等降低幅度介于25%~30%;③新型砂土p-y模型充分考虑了BOPs竖向重载对管土相互作用的影响,在隔水管—水下井口系统力学分析中具有更好的适用性。结论认为,考虑到BOPs竖向重载对管土交互的影响,通过数值模拟及缩尺试验研究了新型p-y模型,并验证了其适应性,新模型有效提高了水下井口疲劳载荷计算的准确性,为水下井口系统疲劳评估提供了理论计算依据,为深海油气的开发提供了保障。

海洋深水钻井井口头系统下放工具研究

介绍了Vetco和Dril-Quip公司的几种典型水下井口头系统下放工具,即临时导向基座(TGB)下放工具、762 mm导管头下放工具以及套管挂和密封总成下放工具。对这几种下放工具的结构特点和作用过程进行分析和总结,提出了改进意见和改进方案———应采用反推的原则设计井口头系统下放工具,明确下放工具与要下放的原件之间的配合方式,确定配合方式后,对下放工具中间部件的连接方式进行设计。这对我国自主开发井口头系统下放工具具有参考价值。

深水石油装备疲劳寿命预测及定制软件研制

利用Visual Studio软件平台以及C++语言开发水下井口疲劳寿命预测软件,实现了通过海况以及材料参数对水下井口疲劳寿命进行预测,并将随机载荷谱、雨流计数法结果以及模型寿命结果进行了可视化等功能。不仅基于线性波浪叠加法、PM谱以及波流联合作用力公式对随机载荷谱进行计算,还通过线性累积损伤模型对模型寿命进行了预测。结果表明,对水下井口的疲劳寿命预测非常必要,因此,该软件的开发对水下装备寿命自动预测具有指导价值。

考虑温度影响的水下井口疲劳损伤计算方法

水下井口系统与隔水管系统共同构成连接平台与地下油藏的通道。钻井、完井、修井作业过程中泥浆循环导致井筒温度发生变化,并且平台运动、波浪等产生的循环动载荷通过隔水管作用于水下井口,造成水下井口疲劳损伤。首先建立深水井筒温度场计算模型,将温度场计算得到的井筒温度分布施加于水下井口精细有限元模型,采用局部等效方法得到水下井口的等效梁模型,把等效梁模型作为子模型代入隔水管-井口耦合模型中进行水下井口动态响应和疲劳损伤计算,研究泥浆循环作业过程中井筒温度对水下井口疲劳热点处疲劳损伤的影响,并研究不同水泥环返高对水下井口疲劳损伤的影响。结果表明,对于水泥环返高无缺陷的水下井口,50h内不考虑温度影响时最大疲劳损伤发生在导管接头处,其值为1.00×10^(-2);考虑温度影响时最大疲劳损伤发生在套管接头处,其值为3.59×10^(-2)。当水泥环返高缺陷分别为-2 m和-5 m时,与水泥环返高无缺陷相比,套管(接头和焊缝)的疲劳损伤减小,而导管(接头和焊缝)的疲劳损伤增加,最大损伤均发生在套管接头处,其值分别为3.55×10^(-2)和3.48×10^(-2)。

环形金属密封总成密封机制及性能分析

环形金属密封总成是水下井口头系统重要组成部分,其性能直接影响到水下井口头系统的安全性,甚至整个水下油气系统的可靠性。分析环形金属密封总成的密封机制和工作原理,结合有限元分析结果,从密封环在密封过程中的变形情况来分析其密封性能。结果表明:密封环在弹性变形阶段可以实现密封,但对密封环的表面粗糙度和表面质量有很高的要求,在环形密封总成工况条件下无法保证,应避免在此阶段实现密封;密封环在塑性变形阶段能够填补环表面存在的缺陷,实现良好的密封;在塑性变形阶段,密封环接触面的变形情况成为影响密封性能的唯一因素。