基于FTA定性的簡易水下井口設計可靠性分析

韋紅術，閆 晴，曹波波，楊玉成，羅文濤，楊鐘山

(1.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518067；2.中國石油大學(北京) 安全與海洋工程學院，北京102249；3.中國石油天然氣集團有限公司 紀檢監察組六中心，北京100724)

水下井口頭系統是海洋油氣開發的關鍵樞紐性水下裝備，主要起到鉆井過程中連通和支撐防噴器組形成鉆井液循環通道，完井后固定采油樹形成油氣輸送通道的作用。水下井口頭系統坐放于海底，一般高于泥線1.4 m，主要部件包括導向基座、高壓井口頭、低壓井口頭、導管、多層套管、套管懸掛器以及環形密封總成等，低壓井口頭下端與導管連接，高壓井口頭下端與表層套管連接，內部利用套管懸掛器懸掛多層技術套管，高壓井口頭上端用于連接BOP或采油樹等設備[1]。水下井口受到套管和防噴器懸掛重力、海底波流力等多力共同作用，這些作用力共同作用可能會引起井口下沉或傾斜，當井口承受的彎矩超出設計極限時，整個井口將會有坍塌的危險，造成重大安全事故。因此，提高水下井口的整體設計可靠性至關重要。

對水下井口裝置來說，井口的穩定性直接影響著井口的承載能力和壽命。隨著海洋油氣裝備的發展，國內外對水下井口穩定性的研究日益增多。Rocha、PatWatson、Johs Shaughnessy 等人[2-4]對導管和井口的穩定性問題進行了研究，并對影響井口穩定性的因素進行了定性分析，提出了水下井口概念及設計方法。關德等人[5]利用ANSYS管單元建立井口模型，利用非線性彈簧單元模擬土壤，研究了管-土受力與變形過程，對水下井口的橫向位移、井口轉角以及管身彎矩進行分析。姬景奇[6]考慮管土相互作用，以壽命周期內的水下井口為研究對象，分別開展鉆井、完井和修井工況下水下井口的波激和渦激疲勞損傷評估，研究并建立水下井口壽命周期內累積綜合疲勞損傷評估方法。陳國明、暢元江等人[7-8]建立了水下鉆井隔水管-井口系統的有限元模型，并針對該模型分別進行了靜態分析和準靜態分析，完成了井口穩定性分析和疲勞分析。經調研可得，大多數文獻集中研究水下井口系統的穩定性，對井口進行簡化的力學分析和有限元模擬，對井口設計過程提出具體理論模型及分析研究不多。

針對水下井口的風險分析，本文采用FTA分析法對水下簡易井口關鍵部件進行分析，通過分析基本事件失效概率對頂事件的影響程度，求得最小割集和關鍵部件的結構重要度，找出易失效的關鍵結構部位。依據風險分析結論，對其關鍵部件的設計參數提出優化建議，能夠有效地采取措施以提高井口整體穩定性。

1 事故樹分析法

事故樹分析法(FTA)通過研究引起系統失效這一事件的各種直接和間接因素，在這些因素之間建立邏輯關系，從而確定系統發生事故原因的各種可能組合方式或其他發生概率的一種安全性分析和風險評價方法[9]。其定性分析通過分析事件的發生規律及特點，找出控制該事件的從屬的子事件，按照邏輯門“與”和“或”進行總分排序，以基本事件發生概率為基礎，采用下行法劃分集合求出各基本事件的重要度，進而得出相應結構重要度，以便按照輕重緩急分別采取對策。事故樹的定性分析過程包括求解結構重要度、最小割集和最小徑集。

根據重要度分析得到的結果，能夠判斷出各個底事件對頂事件發生所產生的影響，根據影響因素、影響程度和影響環節，針對性地提出相應的預防措施和建議，降低風險。

2 水下簡易井口事故樹分析

2.1 水下簡易井口結構

淺水水下井口裝置是淺水水下油氣作業開發的關鍵技術裝備，主要由低壓井口頭(導管頭)、高壓井口頭、套管懸掛器和環空密封總成等主要部件組成，如圖1所示。高壓井口頭坐放在導管頭之內，用于承受內部高壓，下方通過焊接懸掛表層套管、套管柱，上方承受來自采油樹等設備的外部載荷。環形密封總成作為井口頭系統中的重要密封部件鎖緊于套管懸掛器外部和水下井口頭內腔之間，一般采用金屬對金屬密封，為各層套管和水下井口頭之間提供壓力封隔。套管懸掛器鎖定在高壓井口頭內，其下面懸掛和支撐套管柱。永久導向基座包括垂直導向柱、陽極塊和底部基座等部分，為井口系統提供結構支撐和安裝定位基準，并為導管頭提供基座和鎖緊。

圖1 淺水水下井口頭結構

2.2 水下簡易井口事故樹建立

根據事故樹頂事件的確定原則，確定“簡易水下井口失效”作為頂事件，井口裝置的主要部件包括高壓井口頭部位、低壓井口頭部位、套管懸掛器、導向基座、防磨補芯裝置、環形密封總成等。根據主要結構分析，依次劃分基本事件，建立簡易水下井口失效的事故樹如圖2所示，其中中間事件有10個，基本事件有31個，如表1所示。

圖2 水下簡易井口失效事故樹

表1 事故樹基本事件

續表1

結合事故樹并參考國內外相關文獻和數據庫調研，對水下井口裝置結構各類基本事件進行大數據統計[10-12]，獲取各類事故發生概率及平均初次失效時間等重要信息，為井口安全預判提供參考依據。

2.3 水下簡易井口事故樹分析

根據所劃分的基本事件，用下行法求得水下井口失效的所有最小割集，可以求出基本事件的重要度為：

1、X9(0.940 7)，2、X24(0.941 6)， 3、

X8(0.941 3)，4、X23(0.941 2)，5、X12(0.941 1)

6、X30(0.941 1)，7、X25(0.940 1)，8、

X15(0.940 0)，9、X28(0.940 0)，10、X3(0.939 9)

11、X18(0.939 9)，12、X27(0.939 9)，13、

X31(0.939 9)，14、X14(0.939 8)，15、X6(0.939 7)

16、X21(0.939 7)，17、X13(0.939 5)，18、

X26(0.939 5)，19、X1(0.939 4)，20、X16(0.939 4)

21、X29(0.939 4)，22、X11(0.939 3)，23、

X7(0.939 2)，24、X22(0.939 2)，25、X2(0.939 1)

26、X17(0.939 1)，27、X10(0.938 9)，28、

X4(0.938 5)，29、X19(0.938 5)，30、X5(0.937 9)，31、X20(0.937 9)

進而可以求出基本事件的結構重要度排序為：

I(X9)=I(X8)=I(X6)=I(X7)=I(X10)>

I(X24)=I(X23)=I(X28)=I(X27)=I(X29)=

I(X15)=I(X14)=I(X13)=I(X11)>I(X18)=

I(X21)=I(X16)=I(X22)=I(X17)=I(X19)=

I(X20)>I(X5)=I(X4)=I(X3)=I(X2)=I(X1)

從基本事件概率重要度排序可得：低壓井口頭結構和環形密封總成在整個井口裝置中失效率較高；導向基座部分的結構重要度整體較低，發生事故的次數較少。

由事故樹分析結果表明，低壓井口頭和環形密封總成是造成水下井口裝置失效的主要因素。重要度排序依次為：低壓井口頭>環形密封總成>高壓井口頭>套管懸掛器>導向基座>防磨補芯裝置。

水下井口裝置的環形密封總成作為井口系統的關鍵部件，在下放和工作狀態時，由于高溫高壓、內部流體腐蝕等作用而產生密封失效，可能會產生嚴重的事故[13]。其次，高低壓井口頭和套管掛等其他裝置的失效概率也比較高，因此在其設計環節要著重對高低壓井口頭和環形密封等關鍵部件進行重點研究。

3 提高水下井口裝置可靠性的設計建議

3.1 高、低壓井口頭

低壓井口頭作為水下井口裝置中失效風險概率較大的部件之一，在承受高壓井口頭和外部支撐導向基座等載荷情況較復雜時，在井口頭的坐放臺肩處會產生較大的應力集中，在受到偶然載荷的作用下，如突然產生的巨大彎矩載荷，低壓井口頭的坐放臺肩可能由于擠損作用而產生塑性變形。

做大做強油菜產業、擴大山地油菜種植規模和水平是圍繞增收調結構的重要舉措。縣委、政府高度重視，在縣人大主任為組長的縣油菜產業發展工作領導小組的領導下，縣農業局成立了油菜高產創建活動領導小組，負責協調鄉鎮村及土地。抽調5名技術骨干成立高產創建技術組，負責高產創建的具體實施。各級領導經常深入油菜高產創建區協調督促、檢查指導工作，為該項目順利開展提供保障。

1) 抗彎能力與坐放臺肩位置、井口頭長度、壁厚、直徑等結構設計參數有關，通過改進坐放臺肩的結構形式，可提高低壓井口頭的承載能力。典型的井口頭坐放臺肩形式有擋環固定式、螺紋旋合固定式和過盈配合固定式3種形式[14]。

2) 低壓井口頭的坐放臺肩處會承受較大作用力，如圖3所示。適當改變傾斜角度、調整井口頭坐放臺肩與井口頭之間的距離，會對其承載能力有一定的提升。

圖3 低壓井口頭結構

3) 低壓井口的危險部位有2處，其一是與承載環的接觸面，會受到來自高壓井口的載荷，其二是與導向基盤的接觸面，導向過程中發生碰撞，會受到來自導向基盤的載荷。可增加承載環與高低壓井口間的接觸面面積并減小應力集中，低壓井口外部采用彈性約束進行導向固定，緩解導向過程中發生碰撞等因素造成的沖擊影響。

在鉆完井工況下，高壓井口連接BOP/采油樹，會有極大的剪切力和彎矩作用于高壓井口頭頂，如圖4所示。同時套管掛下方連接幾十甚至上百噸的套管，會給高壓井口頭施加較大的重力載荷。因此高低壓井口的接觸面、高壓井口頂部以及高壓井口與套管懸掛器的接觸面是應力集中的地方。

圖4 高壓井口頭結構

4) 在井口頭與坐放環之間增設承載環，能有效提高井口頭的承載能力。承載環的作用是傳遞高壓井口與低壓井口之間的載荷，尤其是彎矩載荷。當彎矩載荷過大時，由于力的傳遞作用，承載環會首先發生塑性變形以抵消部分力，從而減小低壓井口的損傷。承載環更換容易，更換成本低，在工程上具有更好的經濟性。

5) 可通過增加高低壓井口間的接觸面的面積和高壓井口與套管掛接觸面的面積，增大井口頭壁厚，增大坐放環與扶正環之間的距離，以及采用上部壁厚為上大下小的變壁厚套管等措施，減少高壓井口的應力集中。

3.2 環形密封總成

水下井口的密封總成主要包括金屬密封和非金屬密封，如圖5～6所示。密封總成的密封性能關系到整個水下生產系統的作業安全性，因此，密封總成的設計極為重要。

圖5 金屬環空密封總成

在環形密封設計過程中，應考慮的問題主要有[15]：①環形密封結構除了需要保障良好的密封性能之外，還需要足夠的結構強度；②密封件的密封性能受密封結構形式和密封材料參數等因素的影響，考慮到內部油氣壓力與酸性腐蝕環境，密封材料需要具備良好的綜合力學性能和耐腐蝕性；③水下溫度變化范圍大，設計時應滿足相應的溫度等級要求。

圖6 應急環空密封總成

1) 在不改變密封材料的其它性能參數的條件下，密封圈的Mises應力和接觸壓力與材料的彈性模量成正相關，可選用橡膠類高分子密封材料作為基體以增大密封體的彈性變形系數。

2) 在密封環的內部開設1個環形槽，正常情況下開環卡環一直處于壓縮狀態，當環形密封總成的密封環槽進入后，開環卡環通過激勵套筒的環形槽帶動，下移至密封環槽內，使激勵套筒始終處于壓縮密封圈狀態，保證密封的可靠性。

3) 設計時采用軸向坐封與解封形式，凸脊作為密封環的關鍵部位，在很大程度上影響密封總成的密封性能，其結構設計和分布形式需要重點考慮[16]。在設計密封體時要考慮密封體與內外密封面之間的摩擦因數，以增加密封效果。

4) 高壓井口頭內壁和套管懸掛器外壁一般用環形密封的鎖緊凹槽的開口鎖環實現鎖緊，在鎖緊套筒外壁需設計與高壓井口頭內壁匹配的鎖緊凹槽[17]。鎖緊套筒在液壓作用下向下移動，內鎖緊環在擠壓作用下會直接卡入套管懸掛器的鎖緊凹槽。由于此處的受力較大，需要在鎖緊凹槽處增加1個弧形抬肩，防止密封裝置發生移動引起解封，導致密封失效。

3.3 套管懸掛器

套管懸掛器通過螺紋連接套管柱，固井前螺紋需要承受所有套管的自重載荷。圖7為?244.475 mm(9英寸)套管懸掛器，用于懸掛?244.475 mm(9英寸)套管，套管懸掛器的尺寸是由公稱外徑決定的，理論上應與對應套管頭法蘭的公稱尺寸相匹配[18]。

圖7 ?244.475 mm(9英寸)套管懸掛器結構

在下放過程中，套管懸掛器上部連接下放工具，對其有1個向上的提升力；同時，下部懸掛套管柱的自重力對套管懸掛器有一個向下的拉力；最后，下放工具進行液壓鎖緊時會對套管掛有1個徑向載荷。在套管掛下放工具回收過程中，下放工具會對套管掛產生扭矩作用，其配合面受到徑向載荷作用，同時會承受底部懸掛的套管柱自重力。

1) 下放過程中套管掛的外壁流體通道處和套管掛下部的應力值最大，在進行設計時需要對套管掛的壁厚進行校核，在應力值允許的范圍內適當增加壁厚，對流道處的截面形式進行改進，以防止產生應力集中。

2) 套管懸掛器在回收時，其流道、內壁處和鍵槽處會產生較大應力，識別為較危險工況。設計過程中要對流道的內徑，內壁厚度和鍵槽的寬度和高度進行重點校核。

3.4 導向基座和防磨補芯裝置

永久導向基座設計有在同一圓周上呈90°均勻分布的垂直導向柱，通過與導向繩連接至上部平臺，起引導其他設備進行下放安裝和固定導向作用，如圖8所示。

圖8 導向基座

根據GB/T 21412.4—2008《石油天然氣工業水下生產系統的設計與操作》標準規定[17]，設計PGB時，應考慮導管重力、導管頭重力、導向繩張力等載荷，導向柱應采用外徑為?219 mm(8英寸)的管子或管材制造，導向柱的底部可以開放，以允許剪斷的錨落到海底。鉆井所用的導向柱的長度最小應為2 500 mm，導向柱可以加長，給立管下部組件或采油樹帽提供導向。

1) 在導向立柱的內孔孔壁設置為“豎-橫-豎”型彎折導槽，座筒內孔配置壓套，壓套的下方外周可以設有導向凸塊，導向凸塊與彎折導槽相配置，能夠更好地實現水下采油樹導向基座與井口的鎖緊。

2) 鎖緊環中的彈性鎖環的一側切口為C形，內壁設計成有阻尼環紋，井口端頭外周也要設計成與阻尼環紋相嚙合的止擋環紋，在壓套下端的鎖緊孔孔口要設計成導入錐孔，以便C形彈性鎖環能順利導入，在提高鎖緊性能的同時也便于安裝和拆卸。

在套管懸掛器下入井口后，要安裝相應尺寸的耐磨襯套保護裝置，以保護鉆井作業時套管頭內表面和套管掛內徑面不受鉆柱的摩擦損傷[19]。耐磨襯套的外表面的尺寸規格與高壓井口頭內表面相配合，同時為提高下放、回收和測試的作業效率，其與下放工具與套管掛下放工具通用。

1) 在下放套管懸掛器時，容易在對接面的鍵槽部位和流道孔處發生失效，為了防止套管掛磨損和泄漏，防磨補芯裝置結構的下放銷釘掛接面在設計時一定要預留一定空隙，并且掛接面部要設計有相應的阻尼環紋。

2) 大多數的套管懸掛器發生偏磨的原因是耐磨補芯和套管懸掛器內徑發生突變，套管懸掛器內壁某處成為鉆具轉動的支點，而鉆具轉動則對套管懸掛器及其連接短節造成嚴重偏磨[20]。因此在設計時防磨補芯內徑要與套管內徑相同或更小，可降低套管懸掛器成為磨損支點的概率。

4 結論

1) 本文對簡易水下井口結構和關鍵部件進行國內外調研和分析，基于故障樹模型對簡易水下井口的結構重要度進行定性分析和設計可靠性評估。

2) 以基本事件概率為基礎，采用下行法劃分子系統最小割集，得到簡易水下井口關鍵部位重要度排序，重要度由高到低依次為低壓井口頭、環形密封總成、高壓井口頭、套管懸掛器、導向基座和防磨補芯裝置。

3) 根據重要度分析結果，重點對高低壓井口頭、環形密封總成、套管掛的關鍵結構設計和易失效部位進行了分析，并提出了具體的設計建議，為提高水下井口頭系統的總體可靠性提供參考依據。