本申請涉及海洋石油開發(fā)技術領域，尤其是涉及一種深水鉆井隔水管失效分析方法及裝置。

背景技術：

隨著陸地油氣資源的不斷開采，開采難度越來越大，可采儲量越來越少，為了滿足日益增長的能源需求，海洋油氣資源特別是深水油氣資源越來越引起人們的關注，開采力度也不斷加大，隔水管是海洋油氣開采中必不可少的一種管狀結構，本質上是連接海洋表面浮體和海底井口的導管結構。

隔水管系統(tǒng)在鉆井和生產(chǎn)階段起著多種作用，包括生產(chǎn)/注入、輸入/輸出或循環(huán)流體、鉆井、完井和修井。隨著深水油氣資源的開發(fā)，深水隔水管的應用越來越廣。在深水鉆井中，隨著水深的增加，隔水管的受力狀態(tài)更加惡劣和復雜，將受到風、浪、流等長期隨機環(huán)境力的作用，不斷變化著的環(huán)境載荷引起深水鉆井隔水管的疲勞和磨損，導致隔水管系統(tǒng)失效，鉆井工作中斷甚至失敗，造成巨大的損失。為了確保深水鉆井隔水管具有足夠的安全性和耐久性，以防止隔水管系統(tǒng)在計劃壽命期內發(fā)生失效，對深水鉆井隔水管進行可靠性分析就變得非常重要。失效概率是隔水管系統(tǒng)可靠性設計中需要考慮的一個參數(shù)，當失效概率大于某個預設值時，可能會要求對隔水管系統(tǒng)進行重新設計，或者是限制其使用條件。目前，主要通過可靠性指標來計算隔水管的失效概率，計算過程復雜，涉及參數(shù)眾多。

技術實現(xiàn)要素：

本申請實施例的目的在于提供一種深水鉆井隔水管失效分析方法及裝置，具有簡單實用的優(yōu)點。

為達到上述目的，本申請實施例提供了一種深水鉆井隔水管失效分析方法，所述方法包括：

獲取所述隔水管中每個單元的單元強度概率密度函數(shù)、所述隔水管中每個單元所受載荷以及所述每個單元所受載荷的概率密度函數(shù)；

根據(jù)所述每個單元的單元強度概率密度函數(shù)，得到該單元正常工作的概率；

根據(jù)各個單元所受載荷的概率密度函數(shù)和各個單元正常工作的概率，得到所述隔水管的失效概率計算公式；

根據(jù)所述隔水管中每個單元所受載荷和所述失效概率計算公式，得到所述隔水管的失效概率；

判斷所述失效概率是否大于預設失效概率，若判斷結果為是，則發(fā)出預警信號。

為達上述目的，本申請實施例還提供了一種深水鉆井隔水管失效分析裝置。所述裝置包括：

獲取模塊，用于獲取所述隔水管中每個單元的單元強度概率密度函數(shù)、所述隔水管中每個單元所受載荷以及所述每個單元所受載荷的概率密度函數(shù)；

概率獲得模塊，用于根據(jù)所述每個單元的單元強度概率密度函數(shù)，得到該單元正常工作的概率；

公式獲得模塊，用于根據(jù)各個單元所受載荷的概率密度函數(shù)和各個單元正常工作的概率，得到所述隔水管的失效概率計算公式；

失效概率獲得模塊，用于根據(jù)所述隔水管中每個單元所受載荷和所述失效概率計算公式，得到所述隔水管的失效概率；

判斷模塊，用于判斷所述失效概率是否大于預設失效概率，若判斷結果為是，則發(fā)出預警信號。

由上述本申請實施例所提供的技術方案可知，本申請實施例根據(jù)隔水管中每個單元的單元強度概率密度函數(shù)，得到了該單元正常工作的概率，再結合各個單元所受載荷的概率密度函數(shù)，得到了隔水管的失效概率計算公式，并依據(jù)該計算公式得到了隔水管的失效概率。本申請實施例在獲得隔水管失效概率時，涉及參數(shù)少，計算簡單，工程實用性強，對隔水管系統(tǒng)的設計和操作提供參考，具有一定的指導意義。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本申請實施例的進一步理解，構成本申請實施例的一部分，并不構成對本申請實施例的限定。在附圖中：

圖1為本申請實施例的深水鉆井隔水管失效分析方法流程示意圖；

圖2為本申請實施例的深水鉆井隔水管失效分析裝置示意圖。

具體實施方式

為使本申請實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結合實施例和附圖，對本申請實施例做進一步詳細說明。在此，本申請實施例的示意性實施例及其說明用于解釋本申請實施例，但并不作為對本申請實施例的限定。

下面結合附圖，對本申請實施例的具體實施方式作進一步的詳細說明。

圖1是本申請實施方式中，深水鉆井隔水管失效分析方法流程示意圖。如圖1中所示，該方法可以包括以下幾個步驟。該方法可以用來獲得隔水管失效的概率，并與預設失效概率進行比較，從而達到預警的目的。所述隔水管為海洋油氣開采中必不可少的一種管狀結構，本質上是連接海洋表面浮體和海底井口的導管結構。

步驟S101，獲取所述隔水管中每個單元的單元強度概率密度函數(shù)、所述隔水管中每個單元所受載荷以及所述每個單元所受載荷的概率密度函數(shù)。

所述單元可以指組成隔水管的各個零部件和子系統(tǒng)。所述概率密度函數(shù)是一個描述隨機變量的輸出值，在某個確定的取值點附近的可能性的函數(shù)。通常，所述概率密度函數(shù)的形式與隨機變量所滿足的分布規(guī)律有關。所述載荷指使結構或構件產(chǎn)生內力和變形的外力及其它因素，或習慣上指施加在工程結構上使工程結構或構件產(chǎn)生效應的各種直接作用，常見的有：結構自重、樓面活荷載、屋面活荷載、屋面積灰荷載、車輛荷載、吊車荷載、設備動力荷載以及風、雪、裹冰、波浪等自然荷載。具體的，在本實施例中，所述載荷可以為所述隔水管單元所承受的載荷，具體可以包括波浪載荷和海流載荷等。

在本申請的一個實施例中，所述隔水管單元所受載荷s為波浪載荷和海流載荷之和。其中波浪載荷f_H與海流載荷f_x分別可以通過以下公式計算得到。

C_D為垂直于隔水管軸線方向的拖曳力系數(shù)，該系數(shù)反映由海水的粘滯性引起的黏滯效應；ρ為當前海域的海水密度，kg/m³；A為垂直于波浪傳播方向單位隔水管高度的投影面積；u_x為隔水管軸線位置任意高度處波浪水質點的水平速度，m/s；C_M為慣性力系數(shù)，該系數(shù)與隔水管形狀和海水流態(tài)有關；V₀為單位隔水管高度的排水體積；為隔水管軸線位置任意高度處波浪水質點的水平加速度，m/s²；d為隔水管的直徑，m；D為浮力塊的直徑，m；u為不同水深下的海流速度，m/s；a為安裝浮力塊的深度，m；b為浮力塊底端的深度，m；H為隔水管底端的深度，m。

在本實施例中隔水管所承受的載荷主要包括了海流和波浪兩個部分，考慮載荷時就綜合兩者的作用效果。

步驟S102，根據(jù)所述每個單元的單元強度概率密度函數(shù)，得到該單元正常工作的概率。

在本申請的一個實施例中，根據(jù)以下公式，整理得到單元正常工作的概率。

式中，所述β(s)為每個單元正常工作的概率，s表示載荷，f(N)表示單元強度概率密度函數(shù)。

步驟S103，根據(jù)各個單元所受載荷的概率密度函數(shù)和各個單元正常工作的概率，得到所述隔水管的失效概率計算公式。

在本申請的一個實施例中，隔水管每個單元強度的概率密度函數(shù)均相同，且隔水管各個單元所受載荷也相同，這就意味著每個單元所受載荷的概率密度函數(shù)也相同，公式(1)計算得到的每個單元正常工作的概率也相同。此時，可以通過以下步驟得到所述隔水管的失效概率計算公式。

(1)獲取所述隔水管單元的數(shù)量。

獲取所述單元的數(shù)量可以為獲取構成隔水管的各個零部件和子系統(tǒng)個數(shù)之和。

(2)將所述數(shù)量、所述載荷的概率密度函數(shù)和所述單元強度的概率密度函數(shù)，代入以下式中整理得到所述隔水管的失效概率計算公式。

式中，表示隔水管的失效概率，s表示載荷，N表示單元的強度，h(s)表示載荷的概率密度函數(shù)，f(N)表示單元強度的概率密度函數(shù)，n表示隔水管的單元數(shù)量。

步驟S103，根據(jù)所述隔水管中每個單元所受載荷和所述失效概率計算公式，得到所述隔水管的失效概率。

上述實施例中得到的公式(2)是該隔水管的失效概率一般計算公式。該計算公式是關于載荷s的一個表達式，因此針對某一個具體的載荷s₀可以將s₀代入公式(2)計算得到此時隔水管的失效概率。

步驟S104，判斷所述失效概率是否大于預設失效概率，若判斷結果為是，則發(fā)出預警信號。

所述預設失效概率可以為隔水管可靠性分析中事先根據(jù)作業(yè)情況確定的極限失效概率，當計算得到的失效概率大于等于所述預設失效概率，就會要求對隔水管系統(tǒng)進行重新設計，或者是限制其使用條件。

由圖1所示實施例可知，本申請實施例根據(jù)隔水管中每個單元的單元強度概率密度函數(shù)，得到了該單元正常工作的概率，再結合各個單元所受載荷的概率密度函數(shù)，得到了隔水管的失效概率計算公式，并依據(jù)該計算公式得到了隔水管的失效概率。本申請實施例在獲得隔水管失效概率時，涉及參數(shù)少，計算簡單，工程實用性強，對隔水管系統(tǒng)的設計和操作提供參考，具有一定的指導意義。

在本申請的一個實施例中，隔水管中共有n個單元，隔水管中各個單元強度均為N，所受載荷均為s，且N和s均為隨機變量。“隔水管系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)”這一事件A_s與其中各個“隔水管單元處于正常工作狀態(tài)”的事件A_i(i＝1，2…n)之間的關系可以用下式表示。

A_s＝A₁∩A₂∩...∩A_n (3)

在強度失效的意義上，隔水管單元失效的概率可以等于隔水管單元的強度N小于所述單元所受載荷的s的概率，即：

p＝P(N＜s) (4)

式中，p表示單元失效的概率。

單元失效的概率可以看成是載荷的函數(shù)，在載荷與單元強度均為隨機變量的條件下，載荷與單元強度單元的條件失效概率可以用下式計算：

式中，α(s)表示單元條件失效的概率，s表示載荷，f(N)表示單元強度的概率密度函數(shù)。

那么，由上式(5)可以得出，隔水管單元正常工作的概率為：

式中，β(s)表示單元正常工作概率。

對應某一個特定的載荷樣本，由于隔水管各個單元強度和載荷均相同，所以隔水管系統(tǒng)中的n個單元同時正常工作的概率可以為：

進一步可以得出，隔水管系統(tǒng)在隨機載荷的作用下正常工作的概率等于[β(s)]ⁿ的數(shù)學期望，其計算表達式為：

式中，表示隔水管系統(tǒng)在隨機載荷的作用下正常工作的概率，h(s)表示載荷的概率密度函數(shù)。

根據(jù)上式(8)可以得出，包含n個單元的隔水管系統(tǒng)的失效概率的計算表達式為：

式中，表示所述隔水管的失效概率。

在本實施例中，將深水隔水管看作是一個由多個單元構成的串聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)中任何一個單元失效都會導致隔水管系統(tǒng)失效。本申請實施例計算了當隔水管系統(tǒng)處于一個隨機載荷的環(huán)境下的失效概率，計算過程簡單實用，對隔水管系統(tǒng)的設計和操作提供參考，具有一定的指導意義。

在本申請的一個實施例中，每個單元所受載荷的概率密度函數(shù)根據(jù)所述每個單元所受載荷滿足的分布類型確定。

在本申請的一個實施例中，所述每個單元的單元強度的概率密度函數(shù)根據(jù)所述每個單元的單元強度所滿足的分布類型確定。

上述兩個實施例中，根據(jù)載荷和單元強度滿足的分布類型，確定了載荷和單元強度的概率密度分布函數(shù)。

在本申請的一個實施例中，隔水管中各個單元強度均為N，所受載荷均為s。隔水管單元強度N和所受載荷s均為隨機變量，且服從正態(tài)分布，則可以得出單元強度的概率密度函數(shù)為：

式中，σ_N為強度的標準差，σ_N為強度的均值，二者均可由統(tǒng)計數(shù)據(jù)求得。

載荷的概率密度函數(shù)為：

式中，σ_s為載荷的標準差，μ_s為載荷的均值，二者均可由統(tǒng)計數(shù)據(jù)求得。

在本實施例中，隔水管系統(tǒng)的n個單元在隨機載荷s的作用下同時正常工作的概率是[β(s)]ⁿ的數(shù)學期望，是在全部可能的載荷區(qū)間0＜s＜+∞上的統(tǒng)計平均值，其計算表達式為：

式中為隔水管系統(tǒng)的正常工作概率；

在本實施例中，根據(jù)隔水管單元的強度和數(shù)量、隔水管單元所受載荷以及強度和載荷的概率密度函數(shù)，得到了隔水管的失效概率，具有簡單實用的優(yōu)點。

在本申請的一個實施例中，隔水管中各個單元強度均為N，所受載荷均為s。隔水管單元強度N和所受載荷s均為隨機變量，且服從正態(tài)分布。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)獲得隔水管單元強度的標準差和均值分別為σ_N＝40MN，μ_N＝200MN，載荷的標準差和均值分別為σ_s＝2MN，μ_s＝30MN，則

則有，隔水管系統(tǒng)單元的失效概率α(s)為：

式(15)為關于載荷s的函數(shù)。

隔水管單元正常工作的概率β(s)為：

式(16)同樣是關于載荷s的函數(shù)。

則，隔水管系統(tǒng)正常工作的概率同樣為關于載荷s的函數(shù)，具體為：

式(17)同樣為關于載荷s的函數(shù)，針對某一個具體的載荷s0，可以將載荷s0代入式(17)中計算得到在具體的載荷s0作用下，隔水管系統(tǒng)的失效概率。

在本實施例中，根據(jù)隔水管單元以及載荷的概率密度函數(shù)，得到了計算隔水管失效的一般計算公式，這樣針對某一個具體載荷，就可以代入公式計算得到具體的失效概率數(shù)值。

本申請實施例中還提供了一種深水鉆井隔水管失效分析裝置，如下面的實施例所述。由于該裝置解決問題的原理與一種深水鉆井隔水管失效分析方法相似，因此該裝置的實施可以參見一種深水鉆井隔水管失效分析方法實施，重復之處不再贅述。

如圖2所示為一種深水鉆井隔水管失效分析裝置，該裝置可以包括：

獲取模塊201，用于獲取所述隔水管中每個單元的單元強度概率密度函數(shù)、所述隔水管中每個單元所受載荷以及所述每個單元所受載荷的概率密度函數(shù)。

概率獲得模塊202，用于根據(jù)所述每個單元的單元強度概率密度函數(shù)，得到該單元正常工作的概率。

公式獲得模塊203，用于根據(jù)各個單元所受載荷的概率密度函數(shù)和各個單元正常工作的概率，得到所述隔水管的失效概率計算公式。

失效概率獲得模塊204，用于根據(jù)所述隔水管中每個單元所受載荷和所述失效概率計算公式，得到所述隔水管的失效概率。

判斷模塊205，用于判斷所述失效概率是否大于了預設失效概率，若判斷結果為是，則發(fā)出預警信號。

由上述本申請裝置實施例所提供的技術方案可知，本申請實施例根據(jù)隔水管中每個單元的單元強度概率密度函數(shù)，得到了該單元正常工作的概率，再結合各個單元所受載荷的概率密度函數(shù)，得到了隔水管的失效概率計算公式，并依據(jù)該計算公式得到了隔水管的失效概率。本申請實施例在獲得隔水管失效概率時，涉及參數(shù)少，計算簡單，工程實用性強，對隔水管系統(tǒng)的設計和操作提供參考，具有一定的指導意義。

本本申請實施例中所描述的方法的步驟可以直接嵌入硬件、處理器執(zhí)行的軟件模塊、或者這兩者的結合。軟件模塊可以存儲于RAM存儲器、閃存、ROM存儲器、EPROM存儲器、EEPROM存儲器、寄存器、硬盤、可移動磁盤、CD-ROM或本領域中其它任意形式的存儲媒介中。示例性地，存儲媒介可以與處理器連接，以使得處理器可以從存儲媒介中讀取信息，并可以向存儲媒介存寫信息?？蛇x地，存儲媒介還可以集成到處理器中。處理器和存儲媒介可以設置于ASIC中，ASIC可以設置于用戶終端中?？蛇x地，處理器和存儲媒介也可以設置于用戶終端中的不同的部件中。

在一個或多個示例性的設計中，本申請實施例所描述的上述功能可以在硬件、軟件、固件或這三者的任意組合來實現(xiàn)。如果在軟件中實現(xiàn)，這些功能可以存儲與電腦可讀的媒介上，或以一個或多個指令或代碼形式傳輸于電腦可讀的媒介上。電腦可讀媒介包括電腦存儲媒介和便于使得讓電腦程序從一個地方轉移到其它地方的通信媒介。存儲媒介可以是任何通用或特殊電腦可以接入訪問的可用媒體。例如，這樣的電腦可讀媒體可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盤存儲、磁盤存儲或其它磁性存儲裝置，或其它任何可以用于承載或存儲以指令或數(shù)據(jù)結構和其它可被通用或特殊電腦、或通用或特殊處理器讀取形式的程序代碼的媒介。此外，任何連接都可以被適當?shù)囟x為電腦可讀媒介，例如，如果軟件是從一個網(wǎng)站站點、服務器或其它遠程資源通過一個同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、數(shù)字用戶線(DSL)或以例如紅外、無線和微波等無線方式傳輸?shù)囊脖话谒x的電腦可讀媒介中。所述的碟片(disk)和磁盤(disc)包括壓縮磁盤、鐳射盤、光盤、DVD、軟盤和藍光光盤，磁盤通常以磁性復制數(shù)據(jù)，而碟片通常以激光進行光學復制數(shù)據(jù)。上述的組合也可以包含在電腦可讀媒介中。

以上所述的具體實施例，對本申請的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本申請實施例的具體實施例而已，并不用于限定本申請的保護范圍，凡在本申請的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護范圍之內。