深水钻井隔水管与防喷器组风险分析

李白

摘要：本文对深水钻井隔水管与防喷器组进行可靠性分析，以风险评估理论作为基础，进一步对深水钻井隔水管防喷器组开展风险辨识。从隔水管失效、隔水管柱断裂、隔水管柱磨损、隔水管柱挤毁、辅助设备失效等几方面进行理论分析。并对防喷器组各失效模式的影响机理进行进一步探讨。最后从失效后果控制层面提出一些相应的控制措施。

关键词：钻井隔水管  防喷器组  风险评估  失效模式  控制措施

一、深水钻井隔水管与防喷器组风险评估理论

风险评估作为研究构筑物失效风险的重要方法，正逐渐被引入到深水钻井隔水管的失效风险评估中。深水钻井隔水管的失效风险是对其长期服役过程中某种或某类风险转化为现实危险的可能性以及后果严重程度的综合分析。

通过研究深水钻井隔水管长期服役状态风险发生可能性及后果严重程度，可以全面了解隔水管系统的工作状态并根据评估结果采取必要的加固改造措施避免风险，为隔水管系统的长期安全服役提供保障。

二、深水钻井隔水管与防喷器组风险因素识别

（1）隔水管失效

1、隔水管意外脱离

隔水管意外脱离是经常发生的事故，脱离位置主要发生在隔水管底部与防喷器组的连接处，连接处随着平台的移动，会承受很大的弯矩，当所承受弯矩超过极限值就会发生脱离。隔水管意外脱离的直接原因是平台偏移量过大和人为操作失误，而平台偏移量过大主要是由于平台动力定位失效和环境风浪大造成的。

2、隔水管柱断裂

隔水管断裂是非常严重的钻井事故，会造成合成基钻井液流失污染海洋。引起隔水管柱断裂的直接原因包括平台偏移量过大和隔水管工作强度超过其极限强度，在实际的情况中通常是由于平台偏移量过大造成事故发生，正常工况下隔水管工作强度实时监控很少会发生超过极限强度的破坏。

3、隔水管柱磨损

隔水管柱磨损是由于钻杆以一定钻速和前进速度通过隔水管时，钻杆和隔水管内壁发生过度摩擦造成的，其直接原因是平台偏移量过大和海流作用为大引起的隔水管弯曲和偏移。

4、隔水管柱挤毁

1982年，某半潜式平台进行钻井作业时，发现钻井液溢出，没有关闭防喷器，导致分流器泄漏导致隔水管挤毁事故。隔水管挤毁事故发生的直接原因是下部隔水管壁厚较薄和隔水管内外压差大。

5、隔水管腐蚀

隔水管腐蚀可能原因包括：腐蚀性的工作环境、飞溅区干湿交替及覆层失效、阴极保护失效、缺乏腐蚀检测工具或检测工具低效等，其中飞溅区干湿交替及覆层失效对于隔水管的失效尤其突出。飞溅区内无覆层隔水管可能发生高腐蚀速率，飞溅区意外可能发生中等速率腐蚀

（2）辅助管线设备失效

节流/压井管线失效是浮式钻井装置停工的主要原因之一，失效的直接原因包括外接头内接头的密封失效、节流/压井管线腐蚀和节流/压井管线校准水平。外接头处容易出现划痕和凿孔，而内接头密封槽内径上的点蚀是压力完整性损失的主要原因，内端使用低合金钢材料以及隔水管储存时残留于密封槽与密封圈内的海水会加剧腐蚀。节流/压井管线需要校准外端与内端的间隙，若间隙太小隔水管弯曲载荷传递到节流/压井管线上会引起管线失效。

三、防喷器组各失效模式的影响机理

（1）柔性接头

深水条件下需要在隔水管与防喷器组之间安装柔性接头，也称挠性接头。通过安装柔性接头，可以减少外力作用下的立管弯矩，允许深水钻井隔水管能有一定的位移。

其工作机理是：柔性接头的内体与隔水管相连接，外体通过法兰连接防喷器组。当内体及隔水管因为台风海浪等外为作用下发生位移时，内体通过柔性接头中的橡胶装置来吸收变形，以此保证柔性接头下方的设备不会大幅度随着平台的移动而移动。如果柔性接头发生破坏，那么深水钻井隔水管板有可能在恶劣天气条件下承受大的弯矩而发生破坏，影响系统安全。

（2）环形防喷器

环形防喷器主要通过胶芯来进行封井动作。封井时，高压液压油进入内腔，迫使胶芯向管子内部靠扰;当高压液压油离开内腔时，胶芯又离开管子，完成开井动作。环形防喷器具有以下特点：当井内无钻具时，环形防喷器可以全封井口;当井内有钻具、套管等时，可以用环形防喷器封闭井口环形空间;封井速度快，反应时间短。当环形防喷器发生关井失败、无法完全打开等故障时，会使得钻井液泄露，严重时会发生井喷事故。

（3）液压连接器

液压连接器是海洋钻井设备中的重耍元件，在防喷器组、采油树等部位大量应用。它的主要功能是实现防喷器组与海底井口的快速连接与断开，特别是在恶劣天气或者紧急情况下需要撤离时，要求液压连接器必须能够迅速解锁。液压连接器发生故障时，会使得紧急情况下无法脱离井口，对隔水管与井口都会造成破坏。

（4）闸板防喷器

闸板防喷器目前使用的都是液压防喷器，整个关井开井动作都是靠液压实现的。从上述分析中可以看出闸板防喷器开井关井的可靠性是很高的，最主要的失效是由于闸板防喷器的密封問题。密封问题主要来自4个方面：闸板前部与管子的密封、闸板顶部与壳体的密封、侧门与壳体的密封和侧门腔与活塞杆间的密封。闸板防喷器发生破坏时，将无法实现关井动作，在紧急情况下还会发生井喷事故。密封失效时还会造成钻井液外流等污染事故。

（5）节流/压井阀口与管线

节流管线与压井管线在作业过程中互为应急情况备份，以防止发生堵塞或泄露。同时在深水作为静态管线通过压力传感器检测防喷器的压力，以确定需要补偿管线的摩阻。在剪切闸板关闭、悬挂钻柱的情况下，两条节流压井管线可实现压井;在防喷器半封的情况下，两条管线可实现循环压井。

（6）控制系统

防喷器组控制系统主要由液压动力装置、液压管线绞盘、绞盘控制板等组成，防喷器控制系统由平台发出控制信号，信号通过电缆传递到水下阀门进行操作，从而打开相应的液压控制阀，将高压液压油倒入相应的防喷器腔，使得防喷器能在几秒内关闭。该控制系统在紧急情况下能将外部防喷器组与井口及时脱开，实现对水下防喷器组和地面设备的准确控制。

四、失效后果风险控制

（1）对于闸板防喷器

我们认为闸板防喷器密封失效是由于一级密封部位与二级密封部位失效造成的。其中一级失效部位是指关井后直接承受井压的密封部位，包括：防喷器壳体与侧门的密封、闸板体与钻具之间的密封、闸板体与壳体顶部形成的密封、闸板轴与売体之间的密封;二级密封部位是指不直接接触井内压力但是影响开关闸板和液压油渗漏的密封部位，包括：闸板轴与液缸之间的密封等。

因此，防喷器的设计、生产单位是控制防喷器密封最重要的环节，其设计与生产必须由具有相应等级资质的单位进行，同时应购置精密仪器进行全过程质量控制;特别要研究防喷器在高温环境下的密封可靠性，制造适合高温工作的防喷器组。

（2）对于控制箱

首先对于蓝箱与黄箱内的部件应选用可靠性高的零件，并加强日常检修与测试，及时更换有故障的零件;其次，由于目前的设计多是黄箱与蓝箱的双重冗余设计，可以考虑采用吴成杰等设计的三重冗余控制方案。

（3）对于液压连接器

应定期安排检测液压连接器的解锁性能，确保解锁系统处于可用状态;同时，应设置应急预案，在液压连接器不能解锁时安排ROV等其它水下设备进行解锁。

五、结束语

本文主要通过对深水钻井隔水管及放喷器组进行风险识别，通过风险识别进一步探究相应得失效机理。结合失效机理进行失效后果控制的探讨，针对性对闸板防喷器、控制箱、液压连接器等的风险控制提出相应的建议。

参考文献

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