深水鉆井隔水管失效分析及概率計算

許磊 周英操 連志龍 蔣宏偉 溫欣

摘 要：文章以深水鉆井隔水管系統失效問題為研究對象，分析了引起隔水管系統失效的主要模式，包括腐蝕失效、疲勞失效和磨損失效，基于載荷-強度干涉理論和隔水管單元失效相關性，提出了一種隔水管系統失效概率的計算方法，為隔水管系統的設計和操作提供參考。

關鍵詞：深水鉆井 隔水管 失效

中圖分類號：TE95 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）05（a）-0011-03

海洋深水鉆井作業是一項高風險、高技術的系統工程，海水深度增加、作業環境惡劣、地下情況復雜等各種問題對深水鉆井的技術和裝備提出了更高的要求。深水鉆井隔水管是深水鉆井裝備中必不可少的一部分，主要用于連接海洋鉆井平臺和海底井口，從而起到隔絕海水、提供鉆井液往返的通道、支持輔助管線、引導鉆具、下放與撤回井口防噴器組等作用[1]。

近年來，我國加大了對深水油氣資源的開發。在深水鉆井中，隨著水深的增加，隔水管的受力狀態更加惡劣和復雜，一方面由于長期受到風、浪、流等環境載荷的作用，容易產生疲勞失效；另一方面鉆進時鉆桿柱在隔水管內部高速旋轉，極有可能與隔水管內壁發生接觸和摩擦，甚至造成磨損失效[2]。海洋石油工業曾發生過多起隔水管系統失效事故，嚴重威脅海洋鉆井作業安全，并帶來巨大的經濟和環境損失。

目前，對深水鉆井隔水管系統失效問題國內還沒有足夠的重視，相關的研究也不是特別深入。隨著我國對深水油氣開采力度的不斷加大，對深水鉆井隔水管系統失效問題的研究越來越重要。

1 失效模式

深水鉆井隔水管系統在現場作業過程中承受的環境載荷和作業條件等復雜而多變，導致隔水管系統可能發生多種形式的失效。美國礦產管理局曾對墨西哥灣發生的3971起海洋管道失效事故進行過統計，其中約有55%是由海水長期腐蝕引起的[3]，可見腐蝕是隔水管失效的主要模式；其次，隔水管在海流和波浪中會產生振動，在振動載荷的長期作用下容易造成疲勞損傷，因此疲勞也是隔水管失效的主要模式；再次，隨著鉆井水深的增加，鉆桿柱對隔水管內壁的磨損更加突出，更易引發磨損失效事故。

1.1 腐蝕失效

海水中含有大量的溶解氧，其pH值在7.2～8.6之間不等。隔水管長期浸在海水中時，隨著氧的去極化過程而逐漸被腐蝕，腐蝕速率由陰極極化控制。海水中高濃度的Cl-會對隔水管表面形成的鈍化膜造成破壞，尤其是隔水管外部，從而加速隔水管的腐蝕，造成點蝕或孔蝕。淺水區隔水管的腐蝕速率明顯高于深水，各海域的深水腐蝕速率很接近，而淺水區附近的腐蝕速率差異較大，為0.1～0.6 mm/a不等，這主要與淺水區海水的溶解氧、Cl-濃度和pH值差異有關。

隔水管的腐蝕有均勻腐蝕、局部腐蝕、沖蝕腐蝕、隙間腐蝕、臺面狀侵蝕、應力腐蝕開裂等多種類型，設計中缺少腐蝕保護、陰極保護失效、飛濺區覆層失效、腐蝕性作業環境等各種因素均會造成隔水管腐蝕失效[4]。隔水管飛濺區處于干濕交替的環境中，一旦覆層產生缺陷很容易造成嚴重的腐蝕情況。影響腐蝕性能的因素，包括海水的含氧量、鹽度、溫度、流速和pH值等，其中含氧量的影響程度最為顯著，腐蝕速率與含氧濃度、鹽度、溫度、流速均成正比。

1.2 疲勞失效

隔水管疲勞主要是源于所在的外部環境，包括海洋波浪的直接作用、海流引起的渦激振動、鉆井平臺運動的影響。挪威船級社推薦做法中，將波浪載荷直接作用和波頻下的鉆井平臺運動歸納為波頻效應，或稱為一階波浪效應，鉆井平臺的二階運動稱為低頻效應[5]。波頻效應和低頻效應引起隔水管的波致疲勞，二者機理相同可使用同樣的分析方法，而渦激振動造成的隔水管渦激疲勞與波致疲勞機理不同。

波浪對隔水管的作用情況中，波浪水質點以固定的圓頻率作簡諧振動，同時波形以波速向前傳播。水質點的運動軌跡是一個橢圓，隨著水深的增加橢圓軌跡的周長迅速減小。波浪水質點做周期性往復振蕩運動，會有一個正負交替的水平速度，從而對隔水管產生一個時正時負的拖曳力，使得隔水管承受周期性的交變應力，長期作用時引起隔水管的波激疲勞。

海流以一定速度經過非流線型的隔水管圓柱體時，會在隔水管兩側交替產生脫離隔水管表面的旋渦，交替發放的漩渦又會在隔水管柱體上生成順流向及橫流向周期性變化的脈動壓力。隔水管在此脈動流體力的作用下做周期性振動，隔水管周期性振動反過來又會改變其尾流的漩渦發放形態。海流與隔水管之間的這種相互作用引起隔水管的渦激疲勞。

鉆井平臺浮在海水表面，必然會受到波浪的擾動，可能圍繞其原始位置作高自由度的搖蕩運動，連接在下部的隔水管也將同時受到周期性載荷作用，產生波激疲勞，鉆井平臺與隔水管之間的耦合作用使得影響結果更加復雜；另外，鉆井平臺的升沉運動引起隔水管軸向載荷變化，改變其固有頻率，從而影響隔水管的渦激疲勞。

1.3 磨損失效

鉆井作業時，鉆桿柱以一定速度在隔水管內部旋轉，與隔水管可能發生接觸和摩擦。鉆桿柱在軸向力作用下對與之接觸的隔水管產生正壓力，互相摩擦造成隔水管內壁磨損，當磨損程度超過一定極限后，就會造成隔水管磨損失效。此外，渦激振動引起隔水管橫向彎曲，造成鉆柱和隔水管之間的大幅高頻接觸載荷，加劇隔水管內壁磨損。

隔水管底部是磨損發生的另一個主要區域，包括下部撓性接頭、BOP、井口等都有可能發生磨損。下部撓性接頭角度對底部隔水管磨損至關重要，一般要求鉆進時平均角度不超過2°，但水深增加使角度控制變得復雜。

2 失效概率

隔水管系統的響應取決于環境載荷、邊界條件、剛度及質量特性等多個不確定因素，只有在可接受的可靠性程度范圍內滿足性能的設計需求時，才認為危險部位的應力、共振頻率等系統響應是滿足要求的。隔水管失效概率主要用于研究在隔水管全壽命周期范圍內，計算和預測極限狀態函數超出邊界條件的概率。一旦確定了隔水管失效事件發生的概率，下一個目標是選擇能夠提高隔水管可靠性、減小失效概率的最佳設計方案。

對于工程實際中的絕大多數系統，組成系統的各單元多處于同一隨機載荷環境下，它們的失效一般不是相互獨立的，即存在失效相關性[6]，隔水管系統也是如此。這種失效相關性的存在會明顯削弱隔水管系統的可靠性，使得隔水管系統的失效概率計算變得更為困難。

在隔水管單元失效之間存在相關性的情況下，隔水管系統失效概率隨單元數量增加而增大，如圖1所示。而增大的速率不僅與單元數量有關，還在很大程度上取決于單元之間失效相關的程度。

隔水管系統中各單元的失效相關程度是由載荷的概率分布特性與單元性能（強度）的概率分布特性共同決定的。隔水管系統承受的環境載荷的隨機性是導致失效相關性的根本原因。在絕大多數情況下，環境載荷和單元性能都是隨機變量，因而隔水管系統中各單元的失效一般既不是相互獨立的，也不是完全相關的，系統失效的相關性來源于載荷的隨機性，各單元性能的分散性則有助于減輕失效相關程度。

將隔水管系統視作一個串聯系統，該系統中的任何一個單元失效都導致系統失效，如圖2所示，組成系統的n個單元用Xi表示，i = 1，2，…，n。

“隔水管系統處于正常工作狀態”這一事件As與其各“隔水管單元處于正常工作狀態”的事件Ai之間的關系用下式表示：

3 結語

（1）海洋深水鉆井中，隔水管系統作業環境更加惡劣，失效問題也更加突出。深水鉆井隔水管系統的失效模式主要包括：海水腐蝕引起的隔水管腐蝕失效、海流和波浪引起的隔水管疲勞失效和鉆桿、下部撓性接頭引起的隔水管磨損失效。

（2）實際生產中的隔水管系統可以看作是一個由多個單元構成的串聯系統，系統中任一個單元失效都會導致整個系統失效。隔水管系統中各單元多處于同一隨機載荷環境下，各單元的失效存在失效相關性。基于載荷-強度干涉理論和隔水管單元失效相關性，提出了一種隔水管系統失效概率的計算方法，為隔水管系統的設計和操作提供參考。

參考文獻

[1]暢元江，陳國明，許亮斌，等.超深水鉆井隔水管設計影響因素[J].石油勘探與開發，2009，36（4）：523-528.

[2]劉洋，段夢蘭，庹鑫，等.鉆井隔水管動力響應及疲勞損傷分析[J].石油機械，2014，42（4）：25-29.

[3]Lozev M G，Smith R W，Grimmett B B. Evaluation of methods for detecting and monitoring of corrosiondamage in risers[J].Journal of Pressure VesselTechnology，2003，127（3）：244-254.

[4]彭朋，陳國明.深水鉆井隔水管多模式損傷評估[J].石油礦場機械，2009，38（7）：10-14.

[5]路寶平.深水鉆井關鍵技術與裝備[M].北京：中國石化出版社，2014：93-96.

[6]謝里陽.可靠性設計[M].北京：高等教育出版社，2013：38-52.