深水鉆井隔水管與防噴器組風(fēng)險(xiǎn)分析

李白

摘要：本文對(duì)深水鉆井隔水管與防噴器組進(jìn)行可靠性分析，以風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論作為基礎(chǔ)，進(jìn)一步對(duì)深水鉆井隔水管防噴器組開展風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)。從隔水管失效、隔水管柱斷裂、隔水管柱磨損、隔水管柱擠毀、輔助設(shè)備失效等幾方面進(jìn)行理論分析。并對(duì)防噴器組各失效模式的影響機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步探討。最后從失效后果控制層面提出一些相應(yīng)的控制措施。

關(guān)鍵詞：鉆井隔水管 ?防噴器組 ?風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 ?失效模式 ?控制措施

一、深水鉆井隔水管與防噴器組風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估作為研究構(gòu)筑物失效風(fēng)險(xiǎn)的重要方法，正逐漸被引入到深水鉆井隔水管的失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中。深水鉆井隔水管的失效風(fēng)險(xiǎn)是對(duì)其長期服役過程中某種或某類風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)危險(xiǎn)的可能性以及后果嚴(yán)重程度的綜合分析。

通過研究深水鉆井隔水管長期服役狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性及后果嚴(yán)重程度，可以全面了解隔水管系統(tǒng)的工作狀態(tài)并根據(jù)評(píng)估結(jié)果采取必要的加固改造措施避免風(fēng)險(xiǎn)，為隔水管系統(tǒng)的長期安全服役提供保障。

二、深水鉆井隔水管與防噴器組風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別

（1）隔水管失效

1、隔水管意外脫離

隔水管意外脫離是經(jīng)常發(fā)生的事故，脫離位置主要發(fā)生在隔水管底部與防噴器組的連接處，連接處隨著平臺(tái)的移動(dòng)，會(huì)承受很大的彎矩，當(dāng)所承受彎矩超過極限值就會(huì)發(fā)生脫離。隔水管意外脫離的直接原因是平臺(tái)偏移量過大和人為操作失誤，而平臺(tái)偏移量過大主要是由于平臺(tái)動(dòng)力定位失效和環(huán)境風(fēng)浪大造成的。

2、隔水管柱斷裂

隔水管斷裂是非常嚴(yán)重的鉆井事故，會(huì)造成合成基鉆井液流失污染海洋。引起隔水管柱斷裂的直接原因包括平臺(tái)偏移量過大和隔水管工作強(qiáng)度超過其極限強(qiáng)度，在實(shí)際的情況中通常是由于平臺(tái)偏移量過大造成事故發(fā)生，正常工況下隔水管工作強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)控很少會(huì)發(fā)生超過極限強(qiáng)度的破壞。

3、隔水管柱磨損

隔水管柱磨損是由于鉆桿以一定鉆速和前進(jìn)速度通過隔水管時(shí)，鉆桿和隔水管內(nèi)壁發(fā)生過度摩擦造成的，其直接原因是平臺(tái)偏移量過大和海流作用為大引起的隔水管彎曲和偏移。

4、隔水管柱擠毀

1982年，某半潛式平臺(tái)進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)鉆井液溢出，沒有關(guān)閉防噴器，導(dǎo)致分流器泄漏導(dǎo)致隔水管擠毀事故。隔水管擠毀事故發(fā)生的直接原因是下部隔水管壁厚較薄和隔水管內(nèi)外壓差大。

5、隔水管腐蝕

隔水管腐蝕可能原因包括：腐蝕性的工作環(huán)境、飛濺區(qū)干濕交替及覆層失效、陰極保護(hù)失效、缺乏腐蝕檢測工具或檢測工具低效等，其中飛濺區(qū)干濕交替及覆層失效對(duì)于隔水管的失效尤其突出。飛濺區(qū)內(nèi)無覆層隔水管可能發(fā)生高腐蝕速率，飛濺區(qū)意外可能發(fā)生中等速率腐蝕

（2）輔助管線設(shè)備失效

節(jié)流/壓井管線失效是浮式鉆井裝置停工的主要原因之一，失效的直接原因包括外接頭內(nèi)接頭的密封失效、節(jié)流/壓井管線腐蝕和節(jié)流/壓井管線校準(zhǔn)水平。外接頭處容易出現(xiàn)劃痕和鑿孔，而內(nèi)接頭密封槽內(nèi)徑上的點(diǎn)蝕是壓力完整性損失的主要原因，內(nèi)端使用低合金鋼材料以及隔水管儲(chǔ)存時(shí)殘留于密封槽與密封圈內(nèi)的海水會(huì)加劇腐蝕。節(jié)流/壓井管線需要校準(zhǔn)外端與內(nèi)端的間隙，若間隙太小隔水管彎曲載荷傳遞到節(jié)流/壓井管線上會(huì)引起管線失效。

三、防噴器組各失效模式的影響機(jī)理

（1）柔性接頭

深水條件下需要在隔水管與防噴器組之間安裝柔性接頭，也稱撓性接頭。通過安裝柔性接頭，可以減少外力作用下的立管彎矩，允許深水鉆井隔水管能有一定的位移。

其工作機(jī)理是：柔性接頭的內(nèi)體與隔水管相連接，外體通過法蘭連接防噴器組。當(dāng)內(nèi)體及隔水管因?yàn)榕_(tái)風(fēng)海浪等外為作用下發(fā)生位移時(shí)，內(nèi)體通過柔性接頭中的橡膠裝置來吸收變形，以此保證柔性接頭下方的設(shè)備不會(huì)大幅度隨著平臺(tái)的移動(dòng)而移動(dòng)。如果柔性接頭發(fā)生破壞，那么深水鉆井隔水管板有可能在惡劣天氣條件下承受大的彎矩而發(fā)生破壞，影響系統(tǒng)安全。

（2）環(huán)形防噴器

環(huán)形防噴器主要通過膠芯來進(jìn)行封井動(dòng)作。封井時(shí)，高壓液壓油進(jìn)入內(nèi)腔，迫使膠芯向管子內(nèi)部靠擾;當(dāng)高壓液壓油離開內(nèi)腔時(shí)，膠芯又離開管子，完成開井動(dòng)作。環(huán)形防噴器具有以下特點(diǎn)：當(dāng)井內(nèi)無鉆具時(shí)，環(huán)形防噴器可以全封井口;當(dāng)井內(nèi)有鉆具、套管等時(shí)，可以用環(huán)形防噴器封閉井口環(huán)形空間;封井速度快，反應(yīng)時(shí)間短。當(dāng)環(huán)形防噴器發(fā)生關(guān)井失敗、無法完全打開等故障時(shí)，會(huì)使得鉆井液泄露，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生井噴事故。

（3）液壓連接器

液壓連接器是海洋鉆井設(shè)備中的重耍元件，在防噴器組、采油樹等部位大量應(yīng)用。它的主要功能是實(shí)現(xiàn)防噴器組與海底井口的快速連接與斷開，特別是在惡劣天氣或者緊急情況下需要撤離時(shí)，要求液壓連接器必須能夠迅速解鎖。液壓連接器發(fā)生故障時(shí)，會(huì)使得緊急情況下無法脫離井口，對(duì)隔水管與井口都會(huì)造成破壞。

（4）閘板防噴器

閘板防噴器目前使用的都是液壓防噴器，整個(gè)關(guān)井開井動(dòng)作都是靠液壓實(shí)現(xiàn)的。從上述分析中可以看出閘板防噴器開井關(guān)井的可靠性是很高的，最主要的失效是由于閘板防噴器的密封問題。密封問題主要來自4個(gè)方面：閘板前部與管子的密封、閘板頂部與殼體的密封、側(cè)門與殼體的密封和側(cè)門腔與活塞桿間的密封。閘板防噴器發(fā)生破壞時(shí)，將無法實(shí)現(xiàn)關(guān)井動(dòng)作，在緊急情況下還會(huì)發(fā)生井噴事故。密封失效時(shí)還會(huì)造成鉆井液外流等污染事故。

（5）節(jié)流/壓井閥口與管線

節(jié)流管線與壓井管線在作業(yè)過程中互為應(yīng)急情況備份，以防止發(fā)生堵塞或泄露。同時(shí)在深水作為靜態(tài)管線通過壓力傳感器檢測防噴器的壓力，以確定需要補(bǔ)償管線的摩阻。在剪切閘板關(guān)閉、懸掛鉆柱的情況下，兩條節(jié)流壓井管線可實(shí)現(xiàn)壓井;在防噴器半封的情況下，兩條管線可實(shí)現(xiàn)循環(huán)壓井。

（6）控制系統(tǒng)

防噴器組控制系統(tǒng)主要由液壓動(dòng)力裝置、液壓管線絞盤、絞盤控制板等組成，防噴器控制系統(tǒng)由平臺(tái)發(fā)出控制信號(hào)，信號(hào)通過電纜傳遞到水下閥門進(jìn)行操作，從而打開相應(yīng)的液壓控制閥，將高壓液壓油倒入相應(yīng)的防噴器腔，使得防噴器能在幾秒內(nèi)關(guān)閉。該控制系統(tǒng)在緊急情況下能將外部防噴器組與井口及時(shí)脫開，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下防噴器組和地面設(shè)備的準(zhǔn)確控制。

四、失效后果風(fēng)險(xiǎn)控制

（1）對(duì)于閘板防噴器

我們認(rèn)為閘板防噴器密封失效是由于一級(jí)密封部位與二級(jí)密封部位失效造成的。其中一級(jí)失效部位是指關(guān)井后直接承受井壓的密封部位，包括：防噴器殼體與側(cè)門的密封、閘板體與鉆具之間的密封、閘板體與殼體頂部形成的密封、閘板軸與売體之間的密封;二級(jí)密封部位是指不直接接觸井內(nèi)壓力但是影響開關(guān)閘板和液壓油滲漏的密封部位，包括：閘板軸與液缸之間的密封等。

因此，防噴器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)單位是控制防噴器密封最重要的環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)與生產(chǎn)必須由具有相應(yīng)等級(jí)資質(zhì)的單位進(jìn)行，同時(shí)應(yīng)購置精密儀器進(jìn)行全過程質(zhì)量控制;特別要研究防噴器在高溫環(huán)境下的密封可靠性，制造適合高溫工作的防噴器組。

（2）對(duì)于控制箱

首先對(duì)于藍(lán)箱與黃箱內(nèi)的部件應(yīng)選用可靠性高的零件，并加強(qiáng)日常檢修與測試，及時(shí)更換有故障的零件;其次，由于目前的設(shè)計(jì)多是黃箱與藍(lán)箱的雙重冗余設(shè)計(jì)，可以考慮采用吳成杰等設(shè)計(jì)的三重冗余控制方案。

（3）對(duì)于液壓連接器

應(yīng)定期安排檢測液壓連接器的解鎖性能，確保解鎖系統(tǒng)處于可用狀態(tài);同時(shí)，應(yīng)設(shè)置應(yīng)急預(yù)案，在液壓連接器不能解鎖時(shí)安排ROV等其它水下設(shè)備進(jìn)行解鎖。

五、結(jié)束語

本文主要通過對(duì)深水鉆井隔水管及放噴器組進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，通過風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別進(jìn)一步探究相應(yīng)得失效機(jī)理。結(jié)合失效機(jī)理進(jìn)行失效后果控制的探討，針對(duì)性對(duì)閘板防噴器、控制箱、液壓連接器等的風(fēng)險(xiǎn)控制提出相應(yīng)的建議。

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