CN106761678A - 一种深水钻井隔水管失效分析方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种深水钻井隔水管失效分析方法及装置。其中，所述方法包括：获取所述隔水管中每个单元的单元强度概率密度函数、所述隔水管中每个单元所受载荷以及所述每个单元所受载荷的概率密度函数；根据所述每个单元的单元强度概率密度函数，得到该单元正常工作的概率；根据各个单元所受载荷的概率密度函数和各个单元正常工作的概率，得到所述隔水管的失效概率计算公式；根据所述隔水管中每个单元所受载荷和所述失效概率计算公式，得到所述隔水管的失效概率；判断所述失效概率是否大于预设失效概率，若判断结果为是，则发出预警信号。本申请实施例所提的技术方案具有简单实用的优点。

Description

一种深水钻井隔水管失效分析方法及装置

技术领域

本申请涉及海洋石油开发技术领域，尤其是涉及一种深水钻井隔水管失效分析方法及装置。

背景技术

随着陆地油气资源的不断开采，开采难度越来越大，可采储量越来越少，为了满足日益增长的能源需求，海洋油气资源特别是深水油气资源越来越引起人们的关注，开采力度也不断加大，隔水管是海洋油气开采中必不可少的一种管状结构，本质上是连接海洋表面浮体和海底井口的导管结构。

隔水管系统在钻井和生产阶段起着多种作用，包括生产/注入、输入/输出或循环流体、钻井、完井和修井。随着深水油气资源的开发，深水隔水管的应用越来越广。在深水钻井中，随着水深的增加，隔水管的受力状态更加恶劣和复杂，将受到风、浪、流等长期随机环境力的作用，不断变化着的环境载荷引起深水钻井隔水管的疲劳和磨损，导致隔水管系统失效，钻井工作中断甚至失败，造成巨大的损失。为了确保深水钻井隔水管具有足够的安全性和耐久性，以防止隔水管系统在计划寿命期内发生失效，对深水钻井隔水管进行可靠性分析就变得非常重要。失效概率是隔水管系统可靠性设计中需要考虑的一个参数，当失效概率大于某个预设值时，可能会要求对隔水管系统进行重新设计，或者是限制其使用条件。目前，主要通过可靠性指标来计算隔水管的失效概率，计算过程复杂，涉及参数众多。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种深水钻井隔水管失效分析方法及装置，具有简单实用的优点。

为达到上述目的，本申请实施例提供了一种深水钻井隔水管失效分析方法，所述方法包括：

获取所述隔水管中每个单元的单元强度概率密度函数、所述隔水管中每个单元所受载荷以及所述每个单元所受载荷的概率密度函数；

根据所述每个单元的单元强度概率密度函数，得到该单元正常工作的概率；

根据各个单元所受载荷的概率密度函数和各个单元正常工作的概率，得到所述隔水管的失效概率计算公式；

根据所述隔水管中每个单元所受载荷和所述失效概率计算公式，得到所述隔水管的失效概率；

判断所述失效概率是否大于预设失效概率，若判断结果为是，则发出预警信号。

为达上述目的，本申请实施例还提供了一种深水钻井隔水管失效分析装置。所述装置包括：

获取模块，用于获取所述隔水管中每个单元的单元强度概率密度函数、所述隔水管中每个单元所受载荷以及所述每个单元所受载荷的概率密度函数；

概率获得模块，用于根据所述每个单元的单元强度概率密度函数，得到该单元正常工作的概率；

公式获得模块，用于根据各个单元所受载荷的概率密度函数和各个单元正常工作的概率，得到所述隔水管的失效概率计算公式；

失效概率获得模块，用于根据所述隔水管中每个单元所受载荷和所述失效概率计算公式，得到所述隔水管的失效概率；

判断模块，用于判断所述失效概率是否大于预设失效概率，若判断结果为是，则发出预警信号。

由上述本申请实施例所提供的技术方案可知，本申请实施例根据隔水管中每个单元的单元强度概率密度函数，得到了该单元正常工作的概率，再结合各个单元所受载荷的概率密度函数，得到了隔水管的失效概率计算公式，并依据该计算公式得到了隔水管的失效概率。本申请实施例在获得隔水管失效概率时，涉及参数少，计算简单，工程实用性强，对隔水管系统的设计和操作提供参考，具有一定的指导意义。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，构成本申请实施例的一部分，并不构成对本申请实施例的限定。在附图中：

图1为本申请实施例的深水钻井隔水管失效分析方法流程示意图；

图2为本申请实施例的深水钻井隔水管失效分析装置示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本申请实施例做进一步详细说明。在此，本申请实施例的示意性实施例及其说明用于解释本申请实施例，但并不作为对本申请实施例的限定。

下面结合附图，对本申请实施例的具体实施方式作进一步的详细说明。

图1是本申请实施方式中，深水钻井隔水管失效分析方法流程示意图。如图1中所示，该方法可以包括以下几个步骤。该方法可以用来获得隔水管失效的概率，并与预设失效概率进行比较，从而达到预警的目的。所述隔水管为海洋油气开采中必不可少的一种管状结构，本质上是连接海洋表面浮体和海底井口的导管结构。

步骤S101，获取所述隔水管中每个单元的单元强度概率密度函数、所述隔水管中每个单元所受载荷以及所述每个单元所受载荷的概率密度函数。

所述单元可以指组成隔水管的各个零部件和子系统。所述概率密度函数是一个描述随机变量的输出值，在某个确定的取值点附近的可能性的函数。通常，所述概率密度函数的形式与随机变量所满足的分布规律有关。所述载荷指使结构或构件产生内力和变形的外力及其它因素，或习惯上指施加在工程结构上使工程结构或构件产生效应的各种直接作用，常见的有：结构自重、楼面活荷载、屋面活荷载、屋面积灰荷载、车辆荷载、吊车荷载、设备动力荷载以及风、雪、裹冰、波浪等自然荷载。具体的，在本实施例中，所述载荷可以为所述隔水管单元所承受的载荷，具体可以包括波浪载荷和海流载荷等。

在本申请的一个实施例中，所述隔水管单元所受载荷s为波浪载荷和海流载荷之和。其中波浪载荷f_H与海流载荷f_x分别可以通过以下公式计算得到。

C_D为垂直于隔水管轴线方向的拖曳力系数，该系数反映由海水的粘滞性引起的黏滞效应；ρ为当前海域的海水密度，kg/m³；A为垂直于波浪传播方向单位隔水管高度的投影面积；u_x为隔水管轴线位置任意高度处波浪水质点的水平速度，m/s；C_M为惯性力系数，该系数与隔水管形状和海水流态有关；V₀为单位隔水管高度的排水体积；为隔水管轴线位置任意高度处波浪水质点的水平加速度，m/s²；d为隔水管的直径，m；D为浮力块的直径，m；u为不同水深下的海流速度，m/s；a为安装浮力块的深度，m；b为浮力块底端的深度，m；H为隔水管底端的深度，m。

在本实施例中隔水管所承受的载荷主要包括了海流和波浪两个部分，考虑载荷时就综合两者的作用效果。

步骤S102，根据所述每个单元的单元强度概率密度函数，得到该单元正常工作的概率。

在本申请的一个实施例中，根据以下公式，整理得到单元正常工作的概率。

式中，所述β(s)为每个单元正常工作的概率，s表示载荷，f(N)表示单元强度概率密度函数。

步骤S103，根据各个单元所受载荷的概率密度函数和各个单元正常工作的概率，得到所述隔水管的失效概率计算公式。

在本申请的一个实施例中，隔水管每个单元强度的概率密度函数均相同，且隔水管各个单元所受载荷也相同，这就意味着每个单元所受载荷的概率密度函数也相同，公式(1)计算得到的每个单元正常工作的概率也相同。此时，可以通过以下步骤得到所述隔水管的失效概率计算公式。

(1)获取所述隔水管单元的数量。

获取所述单元的数量可以为获取构成隔水管的各个零部件和子系统个数之和。

(2)将所述数量、所述载荷的概率密度函数和所述单元强度的概率密度函数，代入以下式中整理得到所述隔水管的失效概率计算公式。

式中，表示隔水管的失效概率，s表示载荷，N表示单元的强度，h(s)表示载荷的概率密度函数，f(N)表示单元强度的概率密度函数，n表示隔水管的单元数量。

步骤S103，根据所述隔水管中每个单元所受载荷和所述失效概率计算公式，得到所述隔水管的失效概率。

上述实施例中得到的公式(2)是该隔水管的失效概率一般计算公式。该计算公式是关于载荷s的一个表达式，因此针对某一个具体的载荷s₀可以将s₀代入公式(2)计算得到此时隔水管的失效概率。

步骤S104，判断所述失效概率是否大于预设失效概率，若判断结果为是，则发出预警信号。

所述预设失效概率可以为隔水管可靠性分析中事先根据作业情况确定的极限失效概率，当计算得到的失效概率大于等于所述预设失效概率，就会要求对隔水管系统进行重新设计，或者是限制其使用条件。

由图1所示实施例可知，本申请实施例根据隔水管中每个单元的单元强度概率密度函数，得到了该单元正常工作的概率，再结合各个单元所受载荷的概率密度函数，得到了隔水管的失效概率计算公式，并依据该计算公式得到了隔水管的失效概率。本申请实施例在获得隔水管失效概率时，涉及参数少，计算简单，工程实用性强，对隔水管系统的设计和操作提供参考，具有一定的指导意义。

在本申请的一个实施例中，隔水管中共有n个单元，隔水管中各个单元强度均为N，所受载荷均为s，且N和s均为随机变量。“隔水管系统处于正常工作状态”这一事件A_s与其中各个“隔水管单元处于正常工作状态”的事件A_i(i＝1，2…n)之间的关系可以用下式表示。

A_s＝A₁∩A₂∩...∩A_n (3)

在强度失效的意义上，隔水管单元失效的概率可以等于隔水管单元的强度N小于所述单元所受载荷的s的概率，即：

p＝P(N＜s) (4)

式中，p表示单元失效的概率。

单元失效的概率可以看成是载荷的函数，在载荷与单元强度均为随机变量的条件下，载荷与单元强度单元的条件失效概率可以用下式计算：

式中，α(s)表示单元条件失效的概率，s表示载荷，f(N)表示单元强度的概率密度函数。

那么，由上式(5)可以得出，隔水管单元正常工作的概率为：

式中，β(s)表示单元正常工作概率。

对应某一个特定的载荷样本，由于隔水管各个单元强度和载荷均相同，所以隔水管系统中的n个单元同时正常工作的概率可以为：

进一步可以得出，隔水管系统在随机载荷的作用下正常工作的概率等于[β(s)]ⁿ的数学期望，其计算表达式为：

式中，表示隔水管系统在随机载荷的作用下正常工作的概率，h(s)表示载荷的概率密度函数。

根据上式(8)可以得出，包含n个单元的隔水管系统的失效概率的计算表达式为：

式中，表示所述隔水管的失效概率。

在本实施例中，将深水隔水管看作是一个由多个单元构成的串联系统，系统中任何一个单元失效都会导致隔水管系统失效。本申请实施例计算了当隔水管系统处于一个随机载荷的环境下的失效概率，计算过程简单实用，对隔水管系统的设计和操作提供参考，具有一定的指导意义。

在本申请的一个实施例中，每个单元所受载荷的概率密度函数根据所述每个单元所受载荷满足的分布类型确定。

在本申请的一个实施例中，所述每个单元的单元强度的概率密度函数根据所述每个单元的单元强度所满足的分布类型确定。

上述两个实施例中，根据载荷和单元强度满足的分布类型，确定了载荷和单元强度的概率密度分布函数。

在本申请的一个实施例中，隔水管中各个单元强度均为N，所受载荷均为s。隔水管单元强度N和所受载荷s均为随机变量，且服从正态分布，则可以得出单元强度的概率密度函数为：

式中，σ_N为强度的标准差，σ_N为强度的均值，二者均可由统计数据求得。

载荷的概率密度函数为：

式中，σ_s为载荷的标准差，μ_s为载荷的均值，二者均可由统计数据求得。

在本实施例中，隔水管系统的n个单元在随机载荷s的作用下同时正常工作的概率是[β(s)]ⁿ的数学期望，是在全部可能的载荷区间0＜s＜+∞上的统计平均值，其计算表达式为：

式中为隔水管系统的正常工作概率；

在本实施例中，根据隔水管单元的强度和数量、隔水管单元所受载荷以及强度和载荷的概率密度函数，得到了隔水管的失效概率，具有简单实用的优点。

在本申请的一个实施例中，隔水管中各个单元强度均为N，所受载荷均为s。隔水管单元强度N和所受载荷s均为随机变量，且服从正态分布。根据统计数据获得隔水管单元强度的标准差和均值分别为σ_N＝40MN，μ_N＝200MN，载荷的标准差和均值分别为σ_s＝2MN，μ_s＝30MN，则

则有，隔水管系统单元的失效概率α(s)为：

式(15)为关于载荷s的函数。

隔水管单元正常工作的概率β(s)为：

式(16)同样是关于载荷s的函数。

则，隔水管系统正常工作的概率 同样为关于载荷s的函数，具体为：

式(17)同样为关于载荷s的函数，针对某一个具体的载荷s0，可以将载荷s0代入式(17)中计算得到在具体的载荷s0作用下，隔水管系统的失效概率。

在本实施例中，根据隔水管单元以及载荷的概率密度函数，得到了计算隔水管失效的一般计算公式，这样针对某一个具体载荷，就可以代入公式计算得到具体的失效概率数值。

本申请实施例中还提供了一种深水钻井隔水管失效分析装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与一种深水钻井隔水管失效分析方法相似，因此该装置的实施可以参见一种深水钻井隔水管失效分析方法实施，重复之处不再赘述。

如图2所示为一种深水钻井隔水管失效分析装置，该装置可以包括：

获取模块201，用于获取所述隔水管中每个单元的单元强度概率密度函数、所述隔水管中每个单元所受载荷以及所述每个单元所受载荷的概率密度函数。

概率获得模块202，用于根据所述每个单元的单元强度概率密度函数，得到该单元正常工作的概率。

公式获得模块203，用于根据各个单元所受载荷的概率密度函数和各个单元正常工作的概率，得到所述隔水管的失效概率计算公式。

失效概率获得模块204，用于根据所述隔水管中每个单元所受载荷和所述失效概率计算公式，得到所述隔水管的失效概率。

判断模块205，用于判断所述失效概率是否大于了预设失效概率，若判断结果为是，则发出预警信号。

由上述本申请装置实施例所提供的技术方案可知，本申请实施例根据隔水管中每个单元的单元强度概率密度函数，得到了该单元正常工作的概率，再结合各个单元所受载荷的概率密度函数，得到了隔水管的失效概率计算公式，并依据该计算公式得到了隔水管的失效概率。本申请实施例在获得隔水管失效概率时，涉及参数少，计算简单，工程实用性强，对隔水管系统的设计和操作提供参考，具有一定的指导意义。

本本申请实施例中所描述的方法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的软件模块、或者这两者的结合。软件模块可以存储于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于ASIC中，ASIC可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。

在一个或多个示例性的设计中，本申请实施例所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储与电脑可读的媒介上，或以一个或多个指令或代码形式传输于电脑可读的媒介上。电脑可读媒介包括电脑存储媒介和便于使得让电脑程序从一个地方转移到其它地方的通信媒介。存储媒介可以是任何通用或特殊电脑可以接入访问的可用媒体。例如，这样的电脑可读媒体可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储装置，或其它任何可以用于承载或存储以指令或数据结构和其它可被通用或特殊电脑、或通用或特殊处理器读取形式的程序代码的媒介。此外，任何连接都可以被适当地定义为电脑可读媒介，例如，如果软件是从一个网站站点、服务器或其它远程资源通过一个同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或以例如红外、无线和微波等无线方式传输的也被包含在所定义的电脑可读媒介中。所述的碟片(disk)和磁盘(disc)包括压缩磁盘、镭射盘、光盘、DVD、软盘和蓝光光盘，磁盘通常以磁性复制数据，而碟片通常以激光进行光学复制数据。上述的组合也可以包含在电脑可读媒介中。

以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请实施例的具体实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种深水钻井隔水管失效分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取所述隔水管中每个单元的单元强度概率密度函数、所述隔水管中每个单元所受载荷以及所述每个单元所受载荷的概率密度函数；

根据所述每个单元的单元强度概率密度函数，得到该单元正常工作的概率；

根据各个单元所受载荷的概率密度函数和各个单元正常工作的概率，得到所述隔水管的失效概率计算公式；

根据所述隔水管中每个单元所受载荷和所述失效概率计算公式，得到所述隔水管的失效概率；

判断所述失效概率是否大于预设失效概率，若判断结果为是，则发出预警信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述每个单元的单元强度概率密度函数，得到该单元正常工作的概率，具体为：

根据以下公式，得到单元正常工作的概率，

$\mathrm{\β}\left(s\right)={\∫}_s^{+\mathrm{\∞}}f\left(N\right)dN$

式中，所述β(s)为每个单元正常工作的概率，s表示载荷，f(N)表示单元强度概率密度函数。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述每个单元的单元强度概率密度函数均相同；所述隔水管中每个单元所受载荷均相同；所述每个单元所受载荷的概率密度函数均相同。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据各个单元所受载荷的概率密度函数和各个单元正常工作的概率，得到所述隔水管的失效概率计算公式，具体为：

获取所述隔水管单元的数量；

将所述数量、所述每个单元所受载荷的概率密度函数和所述每个单元正常工作的概率，代入以下公式中得到所述隔水管的失效概率计算公式，

$p_s^n=1-{\∫}_0^{+\mathrm{\∞}}h\left(s\right)\·{\[\mathrm{\β}\left(s\right)\]}^{n}ds$

式中，表示隔水管的失效概率，h(s)表示载荷的概率密度函数，n表示隔水管的单元数量。

5.如权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，所述每个单元所受载荷的概率密度函数根据所述每个单元所受载荷所满足的分布类型确定。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述每个单元的单元强度的概率密度函数根据所述每个单元的单元强度所满足的分布类型确定。

7.一种深水钻井隔水管失效分析装置，其特征在于，所述装置包括：

获取模块，用于获取所述隔水管中每个单元的单元强度概率密度函数、所述隔水管中每个单元所受载荷以及所述每个单元所受载荷的概率密度函数；

概率获得模块，用于根据所述每个单元的单元强度概率密度函数，得到该单元正常工作的概率；

公式获得模块，用于根据各个单元所受载荷的概率密度函数和各个单元正常工作的概率，得到所述隔水管的失效概率计算公式；

失效概率获得模块，用于根据所述隔水管中每个单元所受载荷和所述失效概率计算公式，得到所述隔水管的失效概率；

判断模块，用于判断所述失效概率是否大于预设失效概率，若判断结果为是，则发出预警信号。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述概率获得模块具体用于，根据以下公式，得到所述每个单元正常工作的概率，

$\mathrm{\β}\left(s\right)={\∫}_s^{+\mathrm{\∞}}f\left(N\right)dN$

式中，所述β(s)为每个单元正常工作的概率，s表示载荷，f(N)表示单元强度的概率密度函数。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述每个单元的单元强度概率密度函数均相同；所述隔水管中每个单元所受载荷均相同；所述每个单元所受载荷的概率密度函数均相同。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述公式获得模块具体包括：

数量获取子模块，用于获取所述隔水管单元的数量；

公式获取子模块，用于将所述数量、所述每个单元所受载荷的概率密度函数和所述每个单元正常工作的概率，代入以下公式中整理得到所述隔水管的失效概率计算公式，

$p_s^n=1-{\∫}_0^{+\mathrm{\∞}}h\left(s\right)\·{\[\mathrm{\β}\left(s\right)\]}^{n}ds$

式中，表示所述隔水管的失效概率，h(s)表示载荷的概率密度函数，n表示隔水管的单元数量。

11.如权利要求7至10任一所述的装置，其特征在于，所述每个单元所受载荷的概率密度函数根据所述每个单元所受载荷所满足的分布类型确定。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述每个单元的单元强度的概率密度函数根据所述每个单元的单元强度所满足的分布类型确定。