水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估方法及监测评估系统与流程

本发明涉及水下井口疲劳监测技术领域，特别是涉及一种水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估方法及监测评估系统。

背景技术：

水下井口系统是位于海底的永久性结构组件，与隔水管共同构成连接平台与地下油藏的通道。水下井口系统包括高压井口、低压井口、导管、表层套管和技术套管等结构。低压井口和导管往往采用喷射法下入地层中，成为建井基础；在低压井口和导管稳定之后，继续钻进井眼到设计深度，下入高压井口和表层套管并进行固井；之后采用隔水管下入防喷器组(blowoutpreventers，简称bop)，bop通过液压连接器与海底高压井口进行连接和锁紧。在一口井的生命周期内要经历钻井、生产、完井、修井和弃井作业，其中，修井作业一般要进行5次左右。而除生产作业外其他作业均需要回接隔水管，每一次回接隔水管和作业的过程中，均会对井口产生疲劳损伤，当疲劳损伤积累到一定程度，井口将发生疲劳失效。

随着钻井水深越来越大，海洋环境越来越复杂，以及钻井装备不断改进，增加水下井口系统因疲劳累积而失效的几率。目前我国家面临许多勘探井转开发井，井口的疲劳损伤情况是否能满足再次开发将成为关注的焦点，因此水下井口疲劳损伤评估已成为海洋钻井作业中不可忽视的问题。在作业过程中，使水下井口系统产生疲劳的载荷包括：防喷器组和套管的重量，隔水管系统传递到井口的循环载荷(由平台运动和环境载荷引起隔水管振动产生)，以及土壤对井口系统所产生的横向作用力和摩擦力，同时还要承受井筒的内部压力以及温度变化。其中，循环载荷使井口产生循环弯矩，是水下井口产生疲劳损伤的主要原因，且每一次作业井口产生疲劳损伤并不相同且损伤不断累积，最终引发疲劳失效。井口疲劳损伤累积过程中有很多的不确定性因素，目前无法精确对井口系统疲劳损伤程度进行分析，进而无法准确评估井口作业风险，很可能因担心井口失效而提前弃井，造成经济损失。为提高水下井口系统疲劳评估的准确度，对水下井口系统进行监测是必不可少的。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估方法及监测评估系统，其能够提高水下井口疲劳损伤评估精度，从而更加适于实用。

为了达到上述第一个目的，本发明提供的水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估方法的技术方案如下：

本发明提供的水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估方法包括以下步骤：

根据dnv标准，建立水下井口有限元局部模型；

根据所述水下井口有限元局部模型获取模拟固定点和模拟bop固有频率；

根据监测，获取监测固定点和监测bop固有频率；

将所述模拟固定点、模拟bop固有频率与监测固定点、监测bop固有频率进行对比，得到对比结果；

根据所述对比的结果，对所述井下水口有限元局部模型进行校正，得到矫正后的水下井口有限元局部模型；

根据所述校正后的水下井口有限元局部模型施加弯矩载荷，模拟得到水下井口疲劳热点处的弯矩应力曲线；

获取水下井口疲劳热点处在作业周期内的bop加速度a和角速度ω；

根据所述水下井口疲劳热点处在作业周期内的bop加速度a和角速度ω，通过传递函数，转换为水下井口疲劳热点处的弯矩时程曲线；

结合所述水下井口疲劳热点处的弯矩应力曲线和所述水下井口疲劳热点处的弯矩时程曲线，模拟得到所述水下井口疲劳热点处的应力时程曲线；

根据所述水下井口疲劳热点处的应力时程曲线，得到水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估结果。

本发明提供的水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估方法还可采用以下技术措施进一步实现。

作为优选，所述监测固定点的获取方法包括以下步骤：

获取监测点处的bop角速度ω和加速度a；

根据所述监测点处的bop角速度ω，根据公式α＝ω×t得到bop转角α；

根据所述监测点处的加速度a，根据公式s＝a×t²/2得到bop位移s；

根据公式(1)，通过计算得到监测固定点：

其中：

t-从开始时刻到监测时刻之间的时长，

rmsbop位移-bop位移的均方根，

rmsbop转角-bop转角的均方根，

tanrmsbop转角-bop转角均方根的正切值。

作为优选，根据dnv标准，建立水下井口有限元局部模型具体包括以下步骤：

根据dnv标准，建立包含高压井口与表层套管、低压井口与导管水下井口局部有限元模型，其中，高、低压井口结构复杂且包含接触关系，导管、套管接头、焊缝疲劳热点区域采用实体单元建模，余下区域采用梁单元建模；

采用非线性弹簧模拟管土耦合相互作用，导管与水泥环底端采用固定边界条件，以所述水下井口有限元局部模型的横截面建立对称约束；

水下井口系统静态轴向载荷包括套管重量、水下防喷器组重量和过提力，横向载荷包括由泥线产生横向剪切力和隔水管和平台运动传递到井口系统的弯矩，施加于bop顶端，考虑模型对称性，载荷施加为真实值的1/2；

划分网格，完成水下井口有限元局部模型的建立。

作为优选，

所述水下井口有限元局部模型的下边界在泥线以下至少50m处；

所述水下井口有限元局部模型的上边界处于下挠性接头处。

作为优选，根据所述对比的结果，对所述井下水口有限元局部模型进行校正，得到矫正后的水下井口有限元局部模型的方法具体包括以下步骤：

对所述井下水口有限元局部模型中的参数进行校正，直至所述水下井口有限元局部模型得到的模拟固定点和模拟bop固有频率与监测所得的监测固定点和监测bop固有频率吻合，得到矫正后的水下井口有限元局部模型。

作为优选，对所述井下水口有限元局部模型进行校正的步骤是通过修改所述井下水口有限元局部模型中涉及包括土壤属性、顶张力、bop水动力系数中的一个或者多个参数实现的。

作为优选，在所述校正后的水下井口有限元局部模型施加弯矩载荷时，所述弯矩载荷的取值范围为0～2mn·m。

作为优选，根据所述水下井口疲劳热点处的应力时程曲线，得到水下井口疲劳监测评估结果包括以下步骤：

根据所述井下水口疲劳热点处的应力时程曲线，采用雨流计数法得到所述弯矩应力的循环次数；

根据所述弯矩应力的循环次数，采用s-n曲线法，得到水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估结果。

为了达到上述第二个目的，本发明提供的水下井口疲劳监测评估系统的技术方案如下：

本发明提供的水下井口疲劳监测评估系统包括：

运动传感器，用于获取监测点处的bop角速度ω和加速度a；

数据存储器，用于存储所述监测点处的bop角速度ω和加速度a；

调制器，用于将所述监测点处的bop角速度ω和加速度a转换为声波信号；

声波发射器，用于发射所述声波信号；

声波接收器，用于接收所述声波信号；

解调器，用于将所述声波信号转换为数字信号；

有限元局部模型建立单元，用于根据dnv标准，建立水下井口有限元局部模型；

第一数据获取单元，用于根据所述水下井口有限元局部模型获取模拟固定点和模拟bop固有频率；

第二数据获取单元，用于根据监测，获取监测固定点和监测bop固有频率；

比较单元，用于将所述模拟固定点、模拟bop固有频率与监测固定点、监测bop固有频率进行对比，得到对比结果；

校正单元，用于根据所述对比的结果，对所述井下水口有限元局部模型进行校正，得到矫正后的水下井口有限元局部模型；

弯矩应力曲线拟合单元，用于根据所述校正后的水下井口有限元局部模型施加弯矩载荷，模拟得到水下井口疲劳热点处的弯矩应力曲线；

第三数据获取单元，用于获取水下井口疲劳热点处在作业周期内的bop加速度a和角速度ω；

弯矩时程曲线转换单元，用于根据所述水下井口疲劳热点处在作业周期内的bop加速度a和角速度ω，通过传递函数，转换为水下井口疲劳热点处的弯矩时程曲线；

应力时程曲线拟合单元，用于结合所述水下井口疲劳热点处的弯矩应力曲线和所述水下井口疲劳热点处的弯矩时程曲线，模拟得到所述水下井口疲劳热点处的应力时程曲线；

评估单元，用于根据所述水下井口疲劳热点处的应力时程曲线，得到水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估结果。

本发明提供的水下井口疲劳监测评估系统还可采用以下技术措施进一步实现。

作为优选，所述运动传感器包括六个自由度的加速度传感器和角速度传感器。

本发明提供的水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估方法及监测评估系统根据dnv标准，建立水下井口有限元局部模型；获取模拟固定点和模拟bop固有频率；获取监测固定点和监测bop固有频率；对比；根据对比的结果，对井下水口有限元局部模型进行校正；根据校正后的水下井口有限元局部模型施加弯矩载荷，模拟得到水下井口疲劳热点处的弯矩应力曲线；获取水下井口疲劳热点处在作业周期内的bop加速度a和角速度ω；通过传递函数，转换为水下井口疲劳热点处的弯矩时程曲线；结合上述两曲线，模拟得到水下井口疲劳热点处的应力时程曲线；根据该应力时程曲线，得到水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估结果。在这种情况下，其无需工作人员实地考察，而仅仅是根据水下井口疲劳热点处的弯矩应力曲线、水下井口疲劳热点处的弯矩时程曲线，即可得到水下井口疲劳热点处的应力时程曲线，在该应力时程曲线下，得到水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估结果。其完全依赖数据转换，因此，产生的误差很小，因此，其能够提高水下井口疲劳损伤评估精度。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估方法在一个角度的步骤流程图；

图2为本发明实施例提供的水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估方法在另一个角度的步骤流程图；

图3为本发明实施例提供的水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估方法中应用的监测固定点和监测bop固有品率的装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的水下井口疲劳监测评估系统工作流程图；

图5为本发明实施例提供的水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估方法在应用过程中，水下井口建模流程图，包括井口系统各部件替代模型、接触关系、边界条件和载荷关系。

具体实施方式

本发明为解决现有技术存在的问题，提供一种水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估方法及系统，其能够提高水下井口疲劳损伤评估精度，从而更加适于实用。

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估方法及系统，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，具体的理解为：可以同时包含有a与b，可以单独存在a，也可以单独存在b，能够具备上述三种任一种情况。

实施例一

参见附图1和附图2，本发明实施例一提供的水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估方法包括以下步骤：

步骤s1：根据dnv标准，建立水下井口有限元局部模型；

步骤s2：根据水下井口有限元局部模型获取模拟固定点和模拟bop固有频率；

步骤s3：根据监测，获取监测固定点和监测bop固有频率；

具体而言，固有频率获取过程：计算隔水管旋转的功率普密度；计算bop组旋转功率谱密度；得到功率谱密度比＝bop组旋转功率谱密度/隔水管旋转的功率普密度；标准化功率谱密度；识别峰值响应，即可得到固有频率。

步骤s4：将模拟固定点、模拟bop固有频率与监测固定点、监测bop固有频率进行对比，得到对比结果；

步骤s5：根据对比的结果，对井下水口有限元局部模型进行校正，得到矫正后的水下井口有限元局部模型；

步骤s6：根据校正后的水下井口有限元局部模型施加弯矩载荷，模拟得到水下井口疲劳热点处的弯矩应力曲线；

步骤s7：获取水下井口疲劳热点处在作业周期内的bop加速度a和角速度ω；

步骤s8：根据水下井口疲劳热点处在作业周期内的bop加速度a和角速度ω，通过传递函数，转换为水下井口疲劳热点处的弯矩时程曲线。

具体而言，通过bop加速度得到bop位移时间曲线，通过有限元分析可以得到疲劳热点处弯矩与bop位移的关系曲线，进而可以得到井口疲劳热点处的弯矩时程曲线。

步骤s9：结合水下井口疲劳热点处的弯矩应力曲线和水下井口疲劳热点处的弯矩时程曲线，模拟得到水下井口疲劳热点处的应力时程曲线；

具体而言，在弯矩时程曲线中找到某一时间所对应的弯矩；在弯矩应力曲线中找到该弯矩所对应的应力值，得到该时间下的应力值；重复以上两步，得到最终应力时程曲线。

步骤s10：根据水下井口疲劳热点处的应力时程曲线，得到水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估结果。

本发明提供的水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估方法根据dnv标准，建立水下井口有限元局部模型；获取模拟固定点和模拟bop固有频率；获取监测固定点和监测bop固有频率；对比；根据对比的结果，对井下水口有限元局部模型进行校正；根据校正后的水下井口有限元局部模型施加弯矩载荷，模拟得到水下井口疲劳热点处的弯矩应力曲线；获取水下井口疲劳热点处在作业周期内的bop加速度a和角速度ω；通过传递函数，转换为水下井口疲劳热点处的弯矩时程曲线；结合上述两曲线，模拟得到水下井口疲劳热点处的应力时程曲线；根据该应力时程曲线，得到水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估结果。在这种情况下，其无需工作人员实地考察，而仅仅是根据水下井口疲劳热点处的弯矩应力曲线、水下井口疲劳热点处的弯矩时程曲线，即可得到水下井口疲劳热点处的应力时程曲线，在该应力时程曲线下，得到水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估结果。其完全依赖数据转换，因此，产生的误差很小，因此，其能够提高水下井口疲劳损伤评估精度。

其中，监测固定点的获取方法包括以下步骤：

获取监测点处的bop角速度ω和加速度a；

根据监测点处的bop角速度ω，根据公式α＝ω×t得到bop转角α；

根据监测点处的加速度a，根据公式s＝a×t²/2得到bop位移s；

根据公式(1)，通过计算得到监测固定点：

其中：

t-从开始时刻到监测时刻之间的时长，

rmsbop位移-bop位移的均方根，

rmsbop转角-bop转角的均方根，

tanrmsbop转角-bop转角均方根的正切值。

其中，根据dnv标准，建立水下井口有限元局部模型具体包括以下步骤：

根据dnv标准，建立包含高压井口与表层套管、低压井口与导管水下井口局部有限元模型，其中，高、低压井口结构复杂且包含接触关系，导管、套管接头、焊缝疲劳热点区域采用实体单元建模，余下区域采用梁单元建模。

采用非线性弹簧模拟管土耦合相互作用，导管与水泥环底端采用固定边界条件，以水下井口有限元局部模型的横截面建立对称约束。在这种情况下，能够简化有限元计算模型，便于计算，提高计算效率，同时使得模型具有较好的收敛性。

水下井口系统静态轴向载荷包括套管重量、水下防喷器组重量和过提力，横向载荷包括由泥线产生横向剪切力和隔水管和平台运动传递到井口系统的弯矩，施加于bop顶端，考虑模型对称性，载荷施加为真实值的1/2。在这种情况下，水下井口所受载荷情况，同时也是模型加载过程，由于模型是对称结构，为了简化计算，使模型具有很好的收敛性，建立1/2模型并施加1/2载荷。

划分网格，完成水下井口有限元局部模型的建立。

其中，水下井口有限元局部模型的下边界在泥线以下至少50m处；

水下井口有限元局部模型的上边界处于下挠性接头处。在这种情况下，为避免底部边界条件对疲劳热点处应力产生影响，模型底端应在泥线以下至少50米或关键部位以下20米。水下井口建模从防喷器组建到导管底端，防喷器组的上部为下部挠性接头，故模型上边界条件位于挠性接头处，这样符合实物模型。

其中，根据对比的结果，对井下水口有限元局部模型进行校正，得到矫正后的水下井口有限元局部模型的方法具体包括以下步骤：

对井下水口有限元局部模型中的参数进行校正，直至水下井口有限元局部模型得到的模拟固定点和模拟bop固有频率与监测所得的监测固定点和监测bop固有频率吻合，得到矫正后的水下井口有限元局部模型。

其中，对井下水口有限元局部模型进行校正的步骤是通过修改井下水口有限元局部模型中涉及包括土壤属性、顶张力、bop水动力系数中的一个或者多个参数实现的。

其中，在校正后的水下井口有限元局部模型施加弯矩载荷时，弯矩载荷的取值范围为0～2mn·m。

其中，根据水下井口疲劳热点处的应力时程曲线，得到水下井口疲劳监测评估结果包括以下步骤：

根据井下水口疲劳热点处的应力时程曲线，采用雨流计数法得到弯矩应力的循环次数；

根据弯矩应力的循环次数，采用s-n曲线法，得到水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估结果。

本发明提供的水下井口疲劳监测评估系统包括：

运动传感器，用于获取监测点处的bop角速度ω和加速度a；

数据存储器，用于存储监测点处的bop角速度ω和加速度a；

调制器，用于将监测点处的bop角速度ω和加速度a转换为声波信号；

声波发射器，用于发射声波信号；

声波接收器，用于接收声波信号；

解调器，用于将声波信号转换为数字信号；

有限元局部模型建立单元，用于根据dnv标准，建立水下井口有限元局部模型；

第一数据获取单元，用于根据水下井口有限元局部模型获取模拟固定点和模拟bop固有频率；

第二数据获取单元，用于根据监测，获取监测固定点和监测bop固有频率；

比较单元，用于将模拟固定点、模拟bop固有频率与监测固定点、监测bop固有频率进行对比，得到对比结果；

校正单元，用于根据对比的结果，对井下水口有限元局部模型进行校正，得到矫正后的水下井口有限元局部模型；

弯矩应力曲线拟合单元，用于根据校正后的水下井口有限元局部模型施加弯矩载荷，模拟得到水下井口疲劳热点处的弯矩应力曲线；

第三数据获取单元，用于获取水下井口疲劳热点处在作业周期内的bop加速度a和角速度ω；

弯矩时程曲线转换单元，用于根据水下井口疲劳热点处在作业周期内的bop加速度a和角速度ω，通过传递函数，转换为水下井口疲劳热点处的弯矩时程曲线；

应力时程曲线拟合单元，用于结合水下井口疲劳热点处的弯矩应力曲线和水下井口疲劳热点处的弯矩时程曲线，模拟得到水下井口疲劳热点处的应力时程曲线；

评估单元，用于根据水下井口疲劳热点处的应力时程曲线，得到水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估结果。

本发明提供的水下井口疲劳监测评估系统根据dnv标准，建立水下井口有限元局部模型；获取模拟固定点和模拟bop固有频率；获取监测固定点和监测bop固有频率；对比；根据对比的结果，对井下水口有限元局部模型进行校正；根据校正后的水下井口有限元局部模型施加弯矩载荷，模拟得到水下井口疲劳热点处的弯矩应力曲线；获取水下井口疲劳热点处在作业周期内的bop加速度a和角速度ω；通过传递函数，转换为水下井口疲劳热点处的弯矩时程曲线；结合上述两曲线，模拟得到水下井口疲劳热点处的应力时程曲线；根据该应力时程曲线，得到水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估结果。在这种情况下，其无需工作人员实地考察，而仅仅是根据水下井口疲劳热点处的弯矩应力曲线、水下井口疲劳热点处的弯矩时程曲线，即可得到水下井口疲劳热点处的应力时程曲线，在该应力时程曲线下，得到水下井口疲劳热点处的疲劳损伤评估结果。其完全依赖数据转换，因此，产生的误差很小，因此，其能够提高水下井口疲劳损伤评估精度。

其中，运动传感器包括六个自由度的加速度传感器和角速度传感器。

参见附图3，水下井口系统疲劳监测装置安装示意图包括：钻井平台1，运动监测模块2，含调制器的声波发射器3，防喷器4，水下井口5，含数据存储器的运动传感器6，下挠性接头7，隔水管单根8，环境载荷9，含解调器的声波接收器10。水下井口疲劳监测评估系统：水上部分，钻井平台1上装有含解调器的声波接收器10用于接收水下运动监测模块2中含调制器的声波发射器3传递的声波信息。水下部分，两套相同的运动监测模块2分别安装在防喷器4和下挠性接头7上部的隔水管单根8上，含数据存储器的运动传感器6监测并存储防喷器4和隔水管单根8的运动响应数据，含调制器的声波发射器3将数据信息以声波形式发送到位于海面钻井平台1底部的声波收发器10，实现海底到海面的信息传递。

参见附图4，水下井口疲劳监测评估系统工作流程包括：含数据存储器的运动传感器6将监测到的运动响应数据以数字信号形式暂存于数据存储器，调制器将数据存储器中的数字信号转化为声波模拟信号并通过声波发射器3传输到钻井平台上的声波接收器10，解调器将声波接收器10接收到的声波模拟信号转化为数字信号后通过电缆传输到平台工作站，至此整个数据采集、记录、传输过程完成，并得到监测数据进行后续数据处理。

参见附图5，水下井口建模流程图包括：水下井口建模由首先需确定接头结构尺寸、井口头结构尺寸和管柱结构尺寸这三个结构尺寸。高压井口与低压井口结构复杂且包含接触关系采用实体单元建模；导管、套管上部含接头、焊缝等疲劳热点的部位采用实体单元建模；导管、套管下部无疲劳热点区域采用梁单元建模。将井口头实体模型，接头实体模型和管柱梁模型耦合，并划分网格、添加接触关系和管土耦合作用，得到水下井口系统模型。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。