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深水防喷器管道多相流冲蚀规律研究

深水防喷器管道多相流冲蚀规律研究

作者：陈正人中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

随着海上油气田开采规模的日益扩大,深水防喷器系统已经成为保障钻井作业安全最关键的防线之一,而防喷器的冲蚀损伤是影响其可靠性和安全性的重要因素。本文针对18inch深水防喷器系统,聚焦于易产生冲蚀损伤的变径管道,运用理论分析与数... 详细信息

随着海上油气田开采规模的日益扩大,深水防喷器系统已经成为保障钻井作业安全最关键的防线之一,而防喷器的冲蚀损伤是影响其可靠性和安全性的重要因素。本文针对18inch深水防喷器系统,聚焦于易产生冲蚀损伤的变径管道,运用理论分析与数值模拟相结合的方法对变径管道关井工况下的多相流冲蚀过程和相关因素影响下的冲蚀规律展开如下研究:（1）基于欧拉-拉格朗日方法,将流体力学控制方程、湍流模型、多相流模型、离散相模型与冲蚀模型相结合,建立气液固多相流冲蚀数值模型。为验证模型计算的准确性,从整体流场、气液两相分布和冲蚀计算等方面开展与实验数据的对比验证。（2）对气液两相速度工况进行流型分析,开展环形流条件下颗粒冲蚀研究,推导了环形流颗粒冲蚀计算方程,基于VOF模型和DPM模型开展流固耦合瞬态冲蚀仿真分析。分析结果表明:冲蚀速率随环形流各发展阶段变化,冲蚀速率先不断增大,随后逐渐减小,直至冲蚀达到稳态。（3）探究入口流速、管道直径、颗粒质量流量和颗粒直径等参数对冲蚀规律的影响,研究结果表明:随着入口气速和颗粒质量流量增大,固体颗粒获得的总动能增加,最大冲蚀速率、平均冲蚀速率和冲蚀区域均随之增大;随着管道直径减小,冲蚀速率显著增大;入口液速增加时,由于液膜厚度影响,对颗粒碰撞缓冲作用增加,冲蚀区域变化较小;颗粒直径增大时,碰撞面积增大,平均冲蚀速率增大,而受碰撞频率限制,最大冲蚀速率和冲蚀区域变化较小。

关键词：多相流冲蚀流固耦合深水防喷器

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深水防喷器失效机理分析及联锁后果研究

深水防喷器失效机理分析及联锁后果研究

作者：刘益维中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

深水防喷器是海洋平台油气开采重要设备,是海洋平台与海底油气井之间关键安全屏障。深水防喷器系统部件多,控制系统复杂,失效致因分析难度较大,深水防喷器一旦失效往往意味着井底失控。井底压力和海洋环境的不确定性容易导致井喷现象,... 详细信息

深水防喷器是海洋平台油气开采重要设备,是海洋平台与海底油气井之间关键安全屏障。深水防喷器系统部件多,控制系统复杂,失效致因分析难度较大,深水防喷器一旦失效往往意味着井底失控。井底压力和海洋环境的不确定性容易导致井喷现象,防喷器失效会使油气上移至海洋平台进而发生火灾爆炸事故,对人员和设备造成严重危害。本文结合国家重点研发计划“海洋(深水)油气开采重大安全事故联锁风险演化、灾变机理及应对机制”课题深水防喷器部分研究内容,开展深水防喷器失效机理分析及联锁后果研究。主要研究如下:1.深水防喷器风险辨识及概率计算以海洋油气开采平台深水防喷器系统为研究对象,以深水地平线号事故为事实依据,根据深水防喷器的结构组成以及失效机理,利用FTA和FMEA分析方法,识别深水防喷器设备单元和整体失效风险,并对失效概率进行计算。采用CME贝叶斯网络的方法,考虑设备之间相互影响和作用,构建深水防喷器系统失效网络模型,对深水防喷器整体失效风险进行计算,通过对后验概率分析辨识出导致系统失效的关键因素,对在不同设备单元失效条件下系统失效情况进行分析。2.深水防喷器失效演化及关键节点可靠性分析根据事故因果联锁理论,结合防喷器冗余控制系统及其他相关井控措施,对防喷器失效致因演化进行分析,确定导致防喷器失效事故关键节点和演化路径,构建演化模型。基于马尔科夫理论,对事故演化路径关键设备进行可靠性建模,通过计算出系统的稳态故障频率、平均可用时间等参数完成系统性能分析。3.基于弹塑性力学深水防喷器内钻杆屈曲分析通过深水地平线号典型案例分析发现深水防喷器内钻杆屈曲为关键事故致因之一,利用有限元数值模拟技术,采用ANSYS软件建立深水防喷器内钻杆屈曲有限元仿真模型,给出力学计算公式及屈曲判定条件,分析不同钻杆长度、壁厚、内外压差作用下钻杆屈曲现象,给出其他可能影响因素。4.深水防喷器失效联锁风险控制针对深水防喷器内钻杆屈曲现象,结合有限元仿真结果,通过对紧急情况下防喷器关断顺序、防喷器布置间距优化以及钻杆选取等分析,提出优化改进措施。提出不同水深防喷器配置情况,基于ETA模型,建立深水防喷器失效控制安全屏障理论,提出预防性安全屏障、减缓性安全屏障以及事故后果,直观描述事故发展全过程与相应控制措施,为深水防喷器失效事故后果控制提供指导作用。

关键词：深水防喷器失效演化设备可靠性钻杆屈曲风险控制

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深水防喷器电控系统软件研究

深水防喷器电控系统软件研究

作者：吴成杰中国石油大学

学位级别：硕士

深水防喷器组及控制系统是3000m深水钻井平台安全作业的关键设备,而电控系统则在其中扮演着极其重要的角色。本文通过对Cameron、Hydril和Shaffer三大防喷器生产商3000米深水控制系统的分析,提出了基于Fanuc 90-70 PLC的三重冗余控制方... 详细信息

深水防喷器组及控制系统是3000m深水钻井平台安全作业的关键设备,而电控系统则在其中扮演着极其重要的角色。本文通过对Cameron、Hydril和Shaffer三大防喷器生产商3000米深水控制系统的分析,提出了基于Fanuc 90-70 PLC的三重冗余控制方案。本文围绕电控系统模块布局、系统组态、控制程序和控制界面开展了一系列的研究工作。利用三维软件Pro/Engineer完成了电控系统输入输出模块、电源模块和光电转换模块的三维造型设计。分析了不同布局法对电控系统模块的影响,经过比较选用结构布置更加紧凑的开口式五面布局法。使用GMR Configurator 8.06、Proficy* Machine Edition和手持监视器,组态出一个与深水防喷器电控硬件系统相匹配的软件控制系统。完成了试验样机所需的各个参数设置,通过了试验样机的检测。电控系统试验样机的程序编制以Proficy* Machine Edition为开发平台,采用模块化编程的方式,将所需控制功能的控制程序分为防喷器控制模块、紧急脱断模块、控制箱选择模块和诊断模块。分别进行程序编写并在硬件系统上进行了调试,实现了试验样机电控系统所需控制功能。应用CIMPLICITY HMI软件完成了试验样机基本控制平台人机界面的搭建,完成了BOP组控制界面、GMR状态表界面、PLC状态表界面、压力调定界面和紧急脱断系统控制界面的设计,实现了人与样机交互控制的功能。

关键词：深水防喷器电控系统组态人机界面紧急脱断系统

基于LabVIEW的深水防喷器实验教学平台监控系统开发

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实验技术与管理 2017年第3期34卷 143-146页

作者：蔡宝平刘永红郭晓晓刘增凯纪仁杰李小朋张辛中国石油大学(华东)机电工程学院山东青岛266580 香港城市大学系统工程与工程管理系中国香港999077

开发了基于LabVIEW的深水防喷器实验教学平台监控系统。该系统主要由传感器、NI数据采集和控制等模块组成,基于模块化编程,实现了防喷器和蓄能器控制,液压油温度、回路压力、流量、环境温度、防喷器闸板位移等信息的采集,数据保存与查询... 详细信息

开发了基于LabVIEW的深水防喷器实验教学平台监控系统。该系统主要由传感器、NI数据采集和控制等模块组成,基于模块化编程,实现了防喷器和蓄能器控制,液压油温度、回路压力、流量、环境温度、防喷器闸板位移等信息的采集,数据保存与查询,报表生成,动画模拟,错误处理,网络发布,硬件工作状态监测等功能。该系统展示了防喷器的防喷控制过程,有助于提高学生分析问题和解决问题的能力。

关键词：深水防喷器监控系统实验教学平台 LabVIEW

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基于动态贝叶斯网络的深水防喷器可靠性研究

石油机械 2013年第3期41卷 36-39页

作者：顾和元侯国庆吴占伟河北华北石油荣盛机械制造有限公司

研究深水闸板防喷器系统的可靠性具有十分重要的意义。为此,将深水闸板防喷器故障树模型转换为静态贝叶斯网络模型,再经时序扩展得到其动态贝叶斯网络模型。利用BNT和GraphViz4Matlab软件包对动态贝叶斯网络进行建模和推理分析,得出如... 详细信息

研究深水闸板防喷器系统的可靠性具有十分重要的意义。为此,将深水闸板防喷器故障树模型转换为静态贝叶斯网络模型,再经时序扩展得到其动态贝叶斯网络模型。利用BNT和GraphViz4Matlab软件包对动态贝叶斯网络进行建模和推理分析,得出如下结论:①在400周内,深水闸板防喷器的可靠性随时间的延长逐渐下降,在第400周时趋近于0;②深水闸板防喷器的可靠性随基本事件节点退化导致失效的概率DS1和DS2的增大而下降,且DS1的影响大于DS2;③研究的4个基本事件退化导致的失效概率对系统可靠性的影响程度从大到小依次为PILFC、YPFMR、ELYCFH和LCFLYP。因此,在实际可靠性设计和评估中应根据基本事件对系统可靠性的影响大小给予不同程度的重视。

关键词：深水防喷器闸板故障树 Noisy-or模型动态贝叶斯网络失效概率可靠性

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深水防喷器组应急解脱系统模拟分析

海洋工程装备与技术 2015年第4期2卷 234-239页

作者：李博冯玮郭江艳李迅科中海油研究总院北京100028

应急解脱系统是深水水下防喷器组控制系统的重要组成部分,关系到深水钻井的安全。以南海某深水钻井平台的深水防喷器组应急解脱系统为例,利用其设备参数及现场反馈的数据作为输入参数,针对应急解脱不同工况下的操作要求,模拟计算了防喷... 详细信息

应急解脱系统是深水水下防喷器组控制系统的重要组成部分,关系到深水钻井的安全。以南海某深水钻井平台的深水防喷器组应急解脱系统为例,利用其设备参数及现场反馈的数据作为输入参数,针对应急解脱不同工况下的操作要求,模拟计算了防喷器组进行作业时的动作时间、压力变化以及水下蓄能器组的压力和容积变化等。模拟分析方法及过程对于今后水下防喷器组性能评估具有重要的参考价值。

关键词：深水钻井深水防喷器应急解脱系统

基于贝叶斯网络的深水防喷器系统可靠性评估方法研究

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基于贝叶斯网络的深水防喷器系统可靠性评估方法研究

作者：马云鹏中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

海洋油气资源的开采是关乎国家经济、军事、政治等命脉的事业,深水防喷器是其中的高端装备,也是整个钻井过程最重要的安全屏障。避免其事故的发生需要可靠的设计、可靠的制造以及可靠的使用和维修等多方面共同保障。本文以贝叶斯网络为... 详细信息

海洋油气资源的开采是关乎国家经济、军事、政治等命脉的事业,深水防喷器是其中的高端装备,也是整个钻井过程最重要的安全屏障。避免其事故的发生需要可靠的设计、可靠的制造以及可靠的使用和维修等多方面共同保障。本文以贝叶斯网络为基本工具系统地研究其可靠性评估方法,提高可靠性建模的简洁性、准确性和推理的快速性。为国产深水防喷器的下水实验和实际工程应用打下基础。提出了一种考虑间歇故障的电控系统可靠性评估方法,把三状态马尔可夫模型嵌入到动态贝叶斯网络的转移条件概率表中。应用该方法建立了三模冗余和双两模冗余两种深水防喷器电控系统的可靠性评估模型,计算得到了其可靠性和可用性;应用互信息的概念计算了两个系统中各组件的重要度顺序;继而研究间歇故障的参数,包括间歇故障系数,永久故障系数和间歇维修系数对两个系统可靠性和可用性的影响。提出了一种基于贝叶斯网络的实时可靠性评估方法,通过中间节点,把静态贝叶斯网络通过输入故障征兆反向推理出的故障诊断结果,输入到动态贝叶斯网络可靠性评估模型中。应用该方法,建立了深水闸板防喷器液控系统的实时可靠性模型,计算了该模型的互信息,确定了组件的重要度排序;计算了四个不同案例的实时可靠性值和变化趋势,给出了提高系统可靠性的设计维修建议。提出了一种动态面向对象贝叶斯网络的复杂系统可靠性评估方法,先后把时间片内部相同或者相似的片段和整个时间片定义为类进行封装建模。应用该方法建立了传统型和现代型两种深水防喷器组的模型,计算了其可靠性和可用性。研究开发了一套深水防喷器系统实验样机和其实时可靠性评估系统。在实验室原有闸板防喷器的基础上,研制了一套环形防喷器;设计开发了两模冗余液控系统以及基于继电器和NI采集卡的电控系统。开发了基于LabVIEW和MATLAB的实时可靠性评估系统,验证所提出的实时可靠性评估理论。

关键词：深水防喷器贝叶斯网络间歇故障实时可靠性面向对象

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海洋石油深水防喷器系统可靠性评估方法研究

海洋石油深水防喷器系统可靠性评估方法研究

作者：赵祎中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

全球海洋油气资源储量丰富,海洋油气勘探开发已成为我国油气勘探开发的重要方向之一。深水防喷器是海洋油气勘探过程中最关键的安全保障设备,它能够在井喷等事故发生时控制井口压力,在台风等紧急情况下及时关闭井口。随着装备作业水深... 详细信息

全球海洋油气资源储量丰富,海洋油气勘探开发已成为我国油气勘探开发的重要方向之一。深水防喷器是海洋油气勘探过程中最关键的安全保障设备,它能够在井喷等事故发生时控制井口压力,在台风等紧急情况下及时关闭井口。随着装备作业水深日益增加,其可靠性要求也越来越高。针对深水防喷器开展可靠性评估,找出影响其正常工作的危险因素和薄弱环节,能够为深水防喷器系统开发、风险管控、制造改进和可靠性设计提供参考依据。为了进一步提高深水防喷器的可靠性,本文针对其液控系统、电控系统和机械系统的不同特征,提出了考虑组件相关性的液控系统可靠性评估方法,考虑组件相关性、共因失效和不完全覆盖的电控系统可靠性评估方法,以及基于有限元分析、应力—强度干涉模型和蒙特卡洛法的机械系统可靠性评估方法,解决了组件之间的强耦合影响下的多态降级系统建模困难等问题。深水防喷器液控系统是控制系统的核心组成部分,在实际工作过程中,在执行某一功能时,液压元件会相继发生动作,且组件存在多种失效降级态,一旦系统中某一关键组件性能下降,会在系统组件之间的强耦合影响下,加快整个液控系统的退化。为了解决组件之间的强耦合影响下的多态降级系统建模困难的问题,提出基于动态贝叶斯网络的考虑组件相关性的深水防喷器液控系统可靠性评估方法。通过监测系统参数识别关键枢纽组件当前的性能状态,根据组件相关性影响规律计算该组件的关联性组件性能退化情况,建立深水防喷器液控系统的动态贝叶斯网络模型,研究了不同维修策略、不同组件相关性系数下的系统可靠性和可用性变化规律。深水防喷器电控系统是典型的容错式多重冗余系统,由于受到共因失效的影响较大,严重削减了容错式多重冗余系统的优势,同时,电控系统的组件也存在相互影响。为了解决组件之间的强耦合影响下的多重冗余系统建模困难的问题,提出基于动态贝叶斯网络的考虑组件相关性、共因失效和不完全覆盖的深水防喷器电控系统可靠性评估方法。主要通过系统各个组件之间的功能联系和影响关系建立动态贝叶斯网络的结构模型,通过历史数据和专家经验建立动态贝叶斯网络的参数模型,研究了不同维修策略、不同组件相关性影响程度、不同配置的系统可靠性和可用性变化规律。机械系统是深水防喷器系统的重要执行单位,它的性能退化与失效通常与疲劳力学性能变化有关,其工作载荷具有动态变化的特点,为了解决机械系统可靠性评估中数据不足的问题,提出了基于有限元分析、应力-强度干涉模型和蒙特卡洛法的深水防喷器机械系统可靠性评估方法。通过有限元分析获取可靠性评价所需的等效应力数据,结合SN曲线,根据应力-强度干涉模型和蒙特卡洛方法模拟得到机械结构件的失效率,对整个机械结构件的可靠性进行评估,研究了机械结构可靠性变化规律,并对机械结构件进行疲劳分析。

关键词：深水防喷器可靠性液控系统电控系统机械系统

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基于FPGA的深水防喷器电控系统研究

基于FPGA的深水防喷器电控系统研究

作者：李举中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

深水防喷器在海洋石油勘探开发过程中起着重要的作用,它为海洋钻井过程中提供安全可靠屏障,一旦防喷器失效将会导致灾难性的后果。目前仅有国外三大防喷器生产商Cameron、GE Hydril、NOV Shaffer掌握深水防喷器的生产技术,随着嵌入式系... 详细信息

深水防喷器在海洋石油勘探开发过程中起着重要的作用,它为海洋钻井过程中提供安全可靠屏障,一旦防喷器失效将会导致灾难性的后果。目前仅有国外三大防喷器生产商Cameron、GE Hydril、NOV Shaffer掌握深水防喷器的生产技术,随着嵌入式系统的发展,国外率先将嵌入式控制器引入到深水防喷器电控系统中,实现深水防喷器电控系统的小型化、集成化,因此开展基于FPGA的深水防喷器电控系统是一个极其重要的课题。本文围绕深水防喷器电控系统展开了深入的研究工作。针对现有深水防喷器电控系统工作特点和可靠性要求,提出基于FPGA的三冗余深水防喷电控系统整体架构,整个系统分为三个层次:上位机监控层、中央控制层、水下控制层,在控制系统中引入CAN总线和以太网通信技术作为桥梁完成系统开发。研究设计了电控系统的硬件电路。主要完成了主节点硬件电路设计和片外硬件电路设计;以OPENCORES提供的CAN核和CAN总线控制器SJA1000为基础设计了基于Avalon总线的CAN总线软核控制器及CAN总线收发控制电路;研究设计了网络模块硬件电路和基于Avalon总线的网络接口模块,以及包括AD采集模块、显示模块、输入输出模块和CAN总线模块等的从节点硬件电路;开发了基于Nios Ⅱ的SOPC硬件电路,完成整体硬件电路的设计。研究开发了深水防喷器电控系统软件。完成了实时操作系统mC/OS-Ⅱ的在Nios Ⅱ中的移植;开发了CAN总线和DM9000A驱动程序并完成了HAL系统库集成;编制了基于NicheStack网络协议栈的系统TCP通信程序;完成了系统应用程序的开发,从系统任务层的划分到CAN总线应用层协议详细设计,三冗余表决算法研究和控制系统逻辑开发;基于Labview完成了深水防喷器电控系统监控系统的开发,最后以防喷器样机为测试平台对电控系统进行了系统测试,达到了预期的效果。

关键词：深水防喷器 CAN软核 DM9000A mC/OS-Ⅱ Labview