基于FTA定性的简易水下井口设计可靠性分析

韦红术，闫 晴，曹波波，杨玉成，罗文涛，杨钟山

(1.中海石油(中国)有限公司 深圳分公司，广东 深圳 518067；2.中国石油大学(北京) 安全与海洋工程学院，北京102249；3.中国石油天然气集团有限公司 纪检监察组六中心，北京100724)

水下井口头系统是海洋油气开发的关键枢纽性水下装备，主要起到钻井过程中连通和支撑防喷器组形成钻井液循环通道，完井后固定采油树形成油气输送通道的作用。水下井口头系统坐放于海底，一般高于泥线1.4 m，主要部件包括导向基座、高压井口头、低压井口头、导管、多层套管、套管悬挂器以及环形密封总成等，低压井口头下端与导管连接，高压井口头下端与表层套管连接，内部利用套管悬挂器悬挂多层技术套管，高压井口头上端用于连接BOP或采油树等设备[1]。水下井口受到套管和防喷器悬挂重力、海底波流力等多力共同作用，这些作用力共同作用可能会引起井口下沉或倾斜，当井口承受的弯矩超出设计极限时，整个井口将会有坍塌的危险，造成重大安全事故。因此，提高水下井口的整体设计可靠性至关重要。

对水下井口装置来说，井口的稳定性直接影响着井口的承载能力和寿命。随着海洋油气装备的发展，国内外对水下井口稳定性的研究日益增多。Rocha、PatWatson、Johs Shaughnessy 等人[2-4]对导管和井口的稳定性问题进行了研究，并对影响井口稳定性的因素进行了定性分析，提出了水下井口概念及设计方法。关德等人[5]利用ANSYS管单元建立井口模型，利用非线性弹簧单元模拟土壤，研究了管-土受力与变形过程，对水下井口的横向位移、井口转角以及管身弯矩进行分析。姬景奇[6]考虑管土相互作用，以寿命周期内的水下井口为研究对象，分别开展钻井、完井和修井工况下水下井口的波激和涡激疲劳损伤评估，研究并建立水下井口寿命周期内累积综合疲劳损伤评估方法。陈国明、畅元江等人[7-8]建立了水下钻井隔水管-井口系统的有限元模型，并针对该模型分别进行了静态分析和准静态分析，完成了井口稳定性分析和疲劳分析。经调研可得，大多数文献集中研究水下井口系统的稳定性，对井口进行简化的力学分析和有限元模拟，对井口设计过程提出具体理论模型及分析研究不多。

针对水下井口的风险分析，本文采用FTA分析法对水下简易井口关键部件进行分析，通过分析基本事件失效概率对顶事件的影响程度，求得最小割集和关键部件的结构重要度，找出易失效的关键结构部位。依据风险分析结论，对其关键部件的设计参数提出优化建议，能够有效地采取措施以提高井口整体稳定性。

1 事故树分析法

事故树分析法(FTA)通过研究引起系统失效这一事件的各种直接和间接因素，在这些因素之间建立逻辑关系，从而确定系统发生事故原因的各种可能组合方式或其他发生概率的一种安全性分析和风险评价方法[9]。其定性分析通过分析事件的发生规律及特点，找出控制该事件的从属的子事件，按照逻辑门“与”和“或”进行总分排序，以基本事件发生概率为基础，采用下行法划分集合求出各基本事件的重要度，进而得出相应结构重要度，以便按照轻重缓急分别采取对策。事故树的定性分析过程包括求解结构重要度、最小割集和最小径集。

根据重要度分析得到的结果，能够判断出各个底事件对顶事件发生所产生的影响，根据影响因素、影响程度和影响环节，针对性地提出相应的预防措施和建议，降低风险。

2 水下简易井口事故树分析

2.1 水下简易井口结构

浅水水下井口装置是浅水水下油气作业开发的关键技术装备，主要由低压井口头(导管头)、高压井口头、套管悬挂器和环空密封总成等主要部件组成，如图1所示。高压井口头坐放在导管头之内，用于承受内部高压，下方通过焊接悬挂表层套管、套管柱，上方承受来自采油树等设备的外部载荷。环形密封总成作为井口头系统中的重要密封部件锁紧于套管悬挂器外部和水下井口头内腔之间，一般采用金属对金属密封，为各层套管和水下井口头之间提供压力封隔。套管悬挂器锁定在高压井口头内，其下面悬挂和支撑套管柱。永久导向基座包括垂直导向柱、阳极块和底部基座等部分，为井口系统提供结构支撑和安装定位基准，并为导管头提供基座和锁紧。

图1 浅水水下井口头结构

2.2 水下简易井口事故树建立

根据事故树顶事件的确定原则，确定“简易水下井口失效”作为顶事件，井口装置的主要部件包括高压井口头部位、低压井口头部位、套管悬挂器、导向基座、防磨补芯装置、环形密封总成等。根据主要结构分析，依次划分基本事件，建立简易水下井口失效的事故树如图2所示，其中中间事件有10个，基本事件有31个，如表1所示。

图2 水下简易井口失效事故树

表1 事故树基本事件

续表1

结合事故树并参考国内外相关文献和数据库调研，对水下井口装置结构各类基本事件进行大数据统计[10-12]，获取各类事故发生概率及平均初次失效时间等重要信息，为井口安全预判提供参考依据。

2.3 水下简易井口事故树分析

根据所划分的基本事件，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为：

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)

进而可以求出基本事件的结构重要度排序为：

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)

从基本事件概率重要度排序可得：低压井口头结构和环形密封总成在整个井口装置中失效率较高；导向基座部分的结构重要度整体较低，发生事故的次数较少。

由事故树分析结果表明，低压井口头和环形密封总成是造成水下井口装置失效的主要因素。重要度排序依次为：低压井口头>环形密封总成>高压井口头>套管悬挂器>导向基座>防磨补芯装置。

水下井口装置的环形密封总成作为井口系统的关键部件，在下放和工作状态时，由于高温高压、内部流体腐蚀等作用而产生密封失效，可能会产生严重的事故[13]。其次，高低压井口头和套管挂等其他装置的失效概率也比较高，因此在其设计环节要着重对高低压井口头和环形密封等关键部件进行重点研究。

3 提高水下井口装置可靠性的设计建议

3.1 高、低压井口头

低压井口头作为水下井口装置中失效风险概率较大的部件之一，在承受高压井口头和外部支撑导向基座等载荷情况较复杂时，在井口头的坐放台肩处会产生较大的应力集中，在受到偶然载荷的作用下，如突然产生的巨大弯矩载荷，低压井口头的坐放台肩可能由于挤损作用而产生塑性变形。

做大做强油菜产业、扩大山地油菜种植规模和水平是围绕增收调结构的重要举措。县委、政府高度重视，在县人大主任为组长的县油菜产业发展工作领导小组的领导下，县农业局成立了油菜高产创建活动领导小组，负责协调乡镇村及土地。抽调5名技术骨干成立高产创建技术组，负责高产创建的具体实施。各级领导经常深入油菜高产创建区协调督促、检查指导工作，为该项目顺利开展提供保障。

1) 抗弯能力与坐放台肩位置、井口头长度、壁厚、直径等结构设计参数有关，通过改进坐放台肩的结构形式，可提高低压井口头的承载能力。典型的井口头坐放台肩形式有挡环固定式、螺纹旋合固定式和过盈配合固定式3种形式[14]。

2) 低压井口头的坐放台肩处会承受较大作用力，如图3所示。适当改变倾斜角度、调整井口头坐放台肩与井口头之间的距离，会对其承载能力有一定的提升。

图3 低压井口头结构

3) 低压井口的危险部位有2处，其一是与承载环的接触面，会受到来自高压井口的载荷，其二是与导向基盘的接触面，导向过程中发生碰撞，会受到来自导向基盘的载荷。可增加承载环与高低压井口间的接触面面积并减小应力集中，低压井口外部采用弹性约束进行导向固定，缓解导向过程中发生碰撞等因素造成的冲击影响。

在钻完井工况下，高压井口连接BOP/采油树，会有极大的剪切力和弯矩作用于高压井口头顶，如图4所示。同时套管挂下方连接几十甚至上百吨的套管，会给高压井口头施加较大的重力载荷。因此高低压井口的接触面、高压井口顶部以及高压井口与套管悬挂器的接触面是应力集中的地方。

图4 高压井口头结构

4) 在井口头与坐放环之间增设承载环，能有效提高井口头的承载能力。承载环的作用是传递高压井口与低压井口之间的载荷，尤其是弯矩载荷。当弯矩载荷过大时，由于力的传递作用，承载环会首先发生塑性变形以抵消部分力，从而减小低压井口的损伤。承载环更换容易，更换成本低，在工程上具有更好的经济性。

5) 可通过增加高低压井口间的接触面的面积和高压井口与套管挂接触面的面积，增大井口头壁厚，增大坐放环与扶正环之间的距离，以及采用上部壁厚为上大下小的变壁厚套管等措施，减少高压井口的应力集中。

3.2 环形密封总成

水下井口的密封总成主要包括金属密封和非金属密封，如图5～6所示。密封总成的密封性能关系到整个水下生产系统的作业安全性，因此，密封总成的设计极为重要。

图5 金属环空密封总成

在环形密封设计过程中，应考虑的问题主要有[15]：①环形密封结构除了需要保障良好的密封性能之外，还需要足够的结构强度；②密封件的密封性能受密封结构形式和密封材料参数等因素的影响，考虑到内部油气压力与酸性腐蚀环境，密封材料需要具备良好的综合力学性能和耐腐蚀性；③水下温度变化范围大，设计时应满足相应的温度等级要求。

图6 应急环空密封总成

1) 在不改变密封材料的其它性能参数的条件下，密封圈的Mises应力和接触压力与材料的弹性模量成正相关，可选用橡胶类高分子密封材料作为基体以增大密封体的弹性变形系数。

2) 在密封环的内部开设1个环形槽，正常情况下开环卡环一直处于压缩状态，当环形密封总成的密封环槽进入后，开环卡环通过激励套筒的环形槽带动，下移至密封环槽内，使激励套筒始终处于压缩密封圈状态，保证密封的可靠性。

3) 设计时采用轴向坐封与解封形式，凸脊作为密封环的关键部位，在很大程度上影响密封总成的密封性能，其结构设计和分布形式需要重点考虑[16]。在设计密封体时要考虑密封体与内外密封面之间的摩擦因数，以增加密封效果。

4) 高压井口头内壁和套管悬挂器外壁一般用环形密封的锁紧凹槽的开口锁环实现锁紧，在锁紧套筒外壁需设计与高压井口头内壁匹配的锁紧凹槽[17]。锁紧套筒在液压作用下向下移动，内锁紧环在挤压作用下会直接卡入套管悬挂器的锁紧凹槽。由于此处的受力较大，需要在锁紧凹槽处增加1个弧形抬肩，防止密封装置发生移动引起解封，导致密封失效。

3.3 套管悬挂器

套管悬挂器通过螺纹连接套管柱，固井前螺纹需要承受所有套管的自重载荷。图7为ø244.475 mm(9英寸)套管悬挂器，用于悬挂ø244.475 mm(9英寸)套管，套管悬挂器的尺寸是由公称外径决定的，理论上应与对应套管头法兰的公称尺寸相匹配[18]。

图7 ø244.475 mm(9英寸)套管悬挂器结构

在下放过程中，套管悬挂器上部连接下放工具，对其有1个向上的提升力；同时，下部悬挂套管柱的自重力对套管悬挂器有一个向下的拉力；最后，下放工具进行液压锁紧时会对套管挂有1个径向载荷。在套管挂下放工具回收过程中，下放工具会对套管挂产生扭矩作用，其配合面受到径向载荷作用，同时会承受底部悬挂的套管柱自重力。

1) 下放过程中套管挂的外壁流体通道处和套管挂下部的应力值最大，在进行设计时需要对套管挂的壁厚进行校核，在应力值允许的范围内适当增加壁厚，对流道处的截面形式进行改进，以防止产生应力集中。

2) 套管悬挂器在回收时，其流道、内壁处和键槽处会产生较大应力，识别为较危险工况。设计过程中要对流道的内径，内壁厚度和键槽的宽度和高度进行重点校核。

3.4 导向基座和防磨补芯装置

永久导向基座设计有在同一圆周上呈90°均匀分布的垂直导向柱，通过与导向绳连接至上部平台，起引导其他设备进行下放安装和固定导向作用，如图8所示。

图8 导向基座

根据GB/T 21412.4—2008《石油天然气工业水下生产系统的设计与操作》标准规定[17]，设计PGB时，应考虑导管重力、导管头重力、导向绳张力等载荷，导向柱应采用外径为ø219 mm(8英寸)的管子或管材制造，导向柱的底部可以开放，以允许剪断的锚落到海底。钻井所用的导向柱的长度最小应为2 500 mm，导向柱可以加长，给立管下部组件或采油树帽提供导向。

1) 在导向立柱的内孔孔壁设置为“竖-横-竖”型弯折导槽，座筒内孔配置压套，压套的下方外周可以设有导向凸块，导向凸块与弯折导槽相配置，能够更好地实现水下采油树导向基座与井口的锁紧。

2) 锁紧环中的弹性锁环的一侧切口为C形，内壁设计成有阻尼环纹，井口端头外周也要设计成与阻尼环纹相啮合的止挡环纹，在压套下端的锁紧孔孔口要设计成导入锥孔，以便C形弹性锁环能顺利导入，在提高锁紧性能的同时也便于安装和拆卸。

在套管悬挂器下入井口后，要安装相应尺寸的耐磨衬套保护装置，以保护钻井作业时套管头内表面和套管挂内径面不受钻柱的摩擦损伤[19]。耐磨衬套的外表面的尺寸规格与高压井口头内表面相配合，同时为提高下放、回收和测试的作业效率，其与下放工具与套管挂下放工具通用。

1) 在下放套管悬挂器时，容易在对接面的键槽部位和流道孔处发生失效，为了防止套管挂磨损和泄漏，防磨补芯装置结构的下放销钉挂接面在设计时一定要预留一定空隙，并且挂接面部要设计有相应的阻尼环纹。

2) 大多数的套管悬挂器发生偏磨的原因是耐磨补芯和套管悬挂器内径发生突变，套管悬挂器内壁某处成为钻具转动的支点，而钻具转动则对套管悬挂器及其连接短节造成严重偏磨[20]。因此在设计时防磨补芯内径要与套管内径相同或更小，可降低套管悬挂器成为磨损支点的概率。

4 结论

1) 本文对简易水下井口结构和关键部件进行国内外调研和分析，基于故障树模型对简易水下井口的结构重要度进行定性分析和设计可靠性评估。

2) 以基本事件概率为基础，采用下行法划分子系统最小割集，得到简易水下井口关键部位重要度排序，重要度由高到低依次为低压井口头、环形密封总成、高压井口头、套管悬挂器、导向基座和防磨补芯装置。

3) 根据重要度分析结果，重点对高低压井口头、环形密封总成、套管挂的关键结构设计和易失效部位进行了分析，并提出了具体的设计建议，为提高水下井口头系统的总体可靠性提供参考依据。