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(tǒng)失效問(wèn)題為研究對(duì)象，分析了引起隔水管系統(tǒng)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(qiáng)度干涉理論和隔水管單元失效相關(guān)性，提出了一種隔水管系統(tǒng)失效概率的計(jì)算方法，為隔水管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作提供參考。

關(guān)鍵詞：深水鉆井 隔水管 失效

中圖分類號(hào)：TE95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）05（a）-0011-03

海洋深水鉆井作業(yè)是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)、高技術(shù)的系統(tǒng)工程，海水深度增加、作業(yè)環(huán)境惡劣、地下情況復(fù)雜等各種問(wèn)題對(duì)深水鉆井的技術(shù)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(tái)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(dǎo)鉆具、下放與撤回井口防噴器組等作用[1]。

近年來(lái)，我國(guó)加大了對(duì)深水油氣資源的開(kāi)發(fā)。在深水鉆井中，隨著水深的增加，隔水管的受力狀態(tài)更加惡劣和復(fù)雜，一方面由于長(zhǎng)期受到風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的作用，容易產(chǎn)生疲勞失效；另一方面鉆進(jìn)時(shí)鉆桿柱在隔水管內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)，極有可能與隔水管內(nèi)壁發(fā)生接觸和摩擦，甚至造成磨損失效[2]。海洋石油工業(yè)曾發(fā)生過(guò)多起隔水管系統(tǒng)失效事故，嚴(yán)重威脅海洋鉆井作業(yè)安全，并帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境損失。

目前，對(duì)深水鉆井隔水管系統(tǒng)失效問(wèn)題國(guó)內(nèi)還沒(méi)有足夠的重視，相關(guān)的研究也不是特別深入。隨著我國(guó)對(duì)深水油氣開(kāi)采力度的不斷加大，對(duì)深水鉆井隔水管系統(tǒng)失效問(wèn)題的研究越來(lái)越重要。

1 失效模式

深水鉆井隔水管系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程中承受的環(huán)境載荷和作業(yè)條件等復(fù)雜而多變，導(dǎo)致隔水管系統(tǒng)可能發(fā)生多種形式的失效。美國(guó)礦產(chǎn)管理局曾對(duì)墨西哥灣發(fā)生的3971起海洋管道失效事故進(jìn)行過(guò)統(tǒng)計(jì)，其中約有55%是由海水長(zhǎng)期腐蝕引起的[3]，可見(jiàn)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(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，在振動(dòng)載荷的長(zhǎng)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(duì)隔水管內(nèi)壁的磨損更加突出，更易引發(fā)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(zhǎng)期浸在海水中時(shí)，隨著氧的去極化過(guò)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(huì)對(duì)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(diǎn)蝕或孔蝕。淺水區(qū)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(qū)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(qū)海水的溶解氧、Cl-濃度和pH值差異有關(guān)。

隔水管的腐蝕有均勻腐蝕、局部腐蝕、沖蝕腐蝕、隙間腐蝕、臺(tái)面狀侵蝕、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等多種類型，設(shè)計(jì)中缺少腐蝕保護(hù)、陰極保護(hù)失效、飛濺區(qū)覆層失效、腐蝕性作業(yè)環(huán)境等各種因素均會(huì)造成隔水管腐蝕失效[4]。隔水管飛濺區(qū)處于干濕交替的環(huán)境中，一旦覆層產(chǎn)生缺陷很容易造成嚴(yán)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(huán)境，包括海洋波浪的直接作用、海流引起的渦激振動(dòng)、鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響。挪威船級(jí)社推薦做法中，將波浪載荷直接作用和波頻下的鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)歸納為波頻效應(yīng)，或稱為一階波浪效應(yīng)，鉆井平臺(tái)的二階運(yùn)動(dòng)稱為低頻效應(yīng)[5]。波頻效應(yīng)和低頻效應(yīng)引起隔水管的波致疲勞，二者機(jī)理相同可使用同樣的分析方法，而渦激振動(dòng)造成的隔水管渦激疲勞與波致疲勞機(jī)理不同。

波浪對(duì)隔水管的作用情況中，波浪水質(zhì)點(diǎn)以固定的圓頻率作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，同時(shí)波形以波速向前傳播。水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)橢圓，隨著水深的增加橢圓軌跡的周長(zhǎng)迅速減小。波浪水質(zhì)點(diǎn)做周期性往復(fù)振蕩運(yùn)動(dòng)，會(huì)有一個(gè)正負(fù)交替的水平速度，從而對(duì)隔水管產(chǎn)生一個(gè)時(shí)正時(shí)負(fù)的拖曳力，使得隔水管承受周期性的交變應(yīng)力，長(zhǎng)期作用時(shí)引起隔水管的波激疲勞。

海流以一定速度經(jīng)過(guò)非流線型的隔水管圓柱體時(shí)，會(huì)在隔水管兩側(cè)交替產(chǎn)生脫離隔水管表面的旋渦，交替發(fā)放的漩渦又會(huì)在隔水管柱體上生成順流向及橫流向周期性變化的脈動(dòng)壓力。隔水管在此脈動(dòng)流體力的作用下做周期性振動(dòng)，隔水管周期性振動(dòng)反過(guò)來(lái)又會(huì)改變其尾流的漩渦發(fā)放形態(tài)。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(tái)浮在海水表面，必然會(huì)受到波浪的擾動(dòng)，可能圍繞其原始位置作高自由度的搖蕩運(yùn)動(dòng)，連接在下部的隔水管也將同時(shí)受到周期性載荷作用，產(chǎn)生波激疲勞，鉆井平臺(tái)與隔水管之間的耦合作用使得影響結(jié)果更加復(fù)雜；另外，鉆井平臺(tái)的升沉運(yùn)動(dòng)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(yè)時(shí)，鉆桿柱以一定速度在隔水管內(nèi)部旋轉(zhuǎn)，與隔水管可能發(fā)生接觸和摩擦。鉆桿柱在軸向力作用下對(duì)與之接觸的隔水管產(chǎn)生正壓力，互相摩擦造成隔水管內(nèi)壁磨損，當(dāng)磨損程度超過(guò)一定極限后，就會(huì)造成隔水管磨損失效。此外，渦激振動(dòng)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(nèi)壁磨損。

隔水管底部是磨損發(fā)生的另一個(gè)主要區(qū)域，包括下部撓性接頭、BOP、井口等都有可能發(fā)生磨損。下部撓性接頭角度對(duì)底部隔水管磨損至關(guān)重要，一般要求鉆進(jìn)時(shí)平均角度不超過(guò)2°，但水深增加使角度控制變得復(fù)雜。

2 失效概率

隔水管系統(tǒng)的響應(yīng)取決于環(huán)境載荷、邊界條件、剛度及質(zhì)量特性等多個(gè)不確定因素，只有在可接受的可靠性程度范圍內(nèi)滿足性能的設(shè)計(jì)需求時(shí)，才認(rèn)為危險(xiǎn)部位的應(yīng)力、共振頻率等系統(tǒng)響應(yīng)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(nèi)，計(jì)算和預(yù)測(cè)極限狀態(tài)函數(shù)超出邊界條件的概率。一旦確定了隔水管失效事件發(fā)生的概率，下一個(gè)目標(biāo)是選擇能夠提高隔水管可靠性、減小失效概率的最佳設(shè)計(jì)方案。

對(duì)于工程實(shí)際中的絕大多數(shù)系統(tǒng)，組成系統(tǒng)的各單元多處于同一隨機(jī)載荷環(huán)境下，它們的失效一般不是相互獨(dú)立的，即存在失效相關(guān)性[6]，隔水管系統(tǒng)也是如此。這種失效相關(guān)性的存在會(huì)明顯削弱隔水管系統(tǒng)的可靠性，使得隔水管系統(tǒng)的失效概率計(jì)算變得更為困難。

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

隔水管系統(tǒng)中各單元的失效相關(guān)程度是由載荷的概率分布特性與單元性能（強(qiáng)度）的概率分布特性共同決定的。隔水管系統(tǒng)承受的環(huán)境載荷的隨機(jī)性是導(dǎo)致失效相關(guān)性的根本原因。在絕大多數(shù)情況下，環(huán)境載荷和單元性能都是隨機(jī)變量，因而隔水管系統(tǒng)中各單元的失效一般既不是相互獨(dú)立的，也不是完全相關(guān)的，系統(tǒng)失效的相關(guān)性來(lái)源于載荷的隨機(jī)性，各單元性能的分散性則有助于減輕失效相關(guān)程度。

將隔水管系統(tǒng)視作一個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的任何一個(gè)單元失效都導(dǎo)致系統(tǒng)失效，如圖2所示，組成系統(tǒng)的n個(gè)單元用Xi表示，i = 1，2，…，n。

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

3 結(jié)語(yǔ)

（1）海洋深水鉆井中，隔水管系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境更加惡劣，失效問(wèn)題也更加突出。深水鉆井隔水管系統(tǒng)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(shí)際生產(chǎn)中的隔水管系統(tǒng)可以看作是一個(gè)由多個(gè)單元構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)中任一個(gè)單元失效都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效。隔水管系統(tǒng)中各單元多處于同一隨機(jī)載荷環(huán)境下，各單元的失效存在失效相關(guān)性?；谳d荷-強(qiáng)度干涉理論和隔水管單元失效相關(guān)性，提出了一種隔水管系統(tǒng)失效概率的計(jì)算方法，為隔水管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作提供參考。

參考文獻(xiàn)

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