一种水下井口-导管可靠性评估方法及系统

技术领域

本发明涉及海洋石油工程技术领域，具体涉及水下井口及导管预测评估技术。

背景技术

水下井口及导管是深水油气开发环节中的重要结构装备，长期处于由于波浪、海流直接或间接作用下产生循环载荷环境中，但由于作用环境恶劣导致难以实现整体结构监测与稳定性评估，此外从加工制造到服役在役过程中存在着诸多不确定因素影响，导致分析结果的误差累积，导致结果评估精确度难以评估。水下井口及导管系统的可靠性是保证深水油气开发作业正常进行的关键环节。因此，进行水下井口和导管的可靠性评估对深水关键装备的检测维护具有重要价值。

随着深水、超深水勘探开发趋势的不断深入，水下井口及导管的疲劳寿命可靠性面临更加严峻的考验。深水作业复杂性引发的多源不确定性与工况过程隐蔽性，在水下井口及导管结构的生产制造、服役过程中都存在着诸多不确定性，可将水下井口及导管的不确定性来源分为以下三类：物理不确定性、数据不确定性、模型不确定性。

综合考虑多源不确定性下的水下井口及导管安全性能评估，对于提高分析预测精度具有重要实际意义。其中物理不确定性又被成为物理变异性，水下井口及导管所受载荷条件(弯矩载荷、海流力载荷、承重载荷等)、材料性能(弹性模量、泊松比、屈服强度等)、模型参数(加工误差、腐蚀产生的结构微变)。数据不确定性也被称为统计不确定性，主要为数据来源不确定、分布类型不确定、有限元分析的不确定性。具体为材料的分布类型、有限元结果数据。模型不确定性主要来自于数学建模分析中的理想化假设、物理过程的理解差异、分析模型理论差异与适用性。

因此在水下井口和导管服役的过程中，多源随机因素作用下在役装备的性能影响较大，现有技术获取评价水下井口-导管的可靠性指标值时，未考虑随机因素的不确定性，从而导致评估结果的失真。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种水下井口-导管可靠性评估方法，以解决现有技术评估结果失真的问题；目的之二在于提供一种水下井口-导管可靠性评估系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种水下井口-导管可靠性评估方法，

定义井口和导管的疲劳极限状态；

根据影响水下井口及导管疲劳寿命的参数的取值区间，在所有所述参数的取值区间内进行随机抽样，形成若干组随机变量的离散数据，每组所述随机变量的离散数据由所有的参数的抽样后的单一离散点组成；

获得每一组离散点作用下的水下井口和导管的应力范围，进而获得用随机变量表示疲劳极限状态的功能函数；

求解所述功能函数，获得水下井口及导管疲劳寿命可靠性指标值，进而进行可靠性评估。

根据上述技术手段，通过随机抽样的方式抽样形成若干组随机变量的离散数据，实现了参数的不确定性数据化，通过求解功能函数的方式求得的可靠性指标值考虑了参数的不确定性，进而有效的提高了评估的准确性。

进一步，所述定义井口和导管的疲劳极限状态的方法为：

logN＝A-mlogΔS

式中A和m分别为S-N曲线的截距与斜率，可由DNV标准获得；ΔS为应力范围。

进而根据下式获得水下井口和导管的疲劳极限状态：

g

其中f代表疲劳极限状态；SN代表S－N曲线方法；N是由DNV标准中S－N曲线公式确定的失效载荷循环次数；N

进一步，将所述随机变量的离散数据作为自变量，应力范围作为因变量，所述自变量与因变量一一对应，通过多元回归方法获得所述功能函数。

进一步，通过FORM方法求解所述功能函数，从而获得可靠性指标值。

进一步，所述参数的类型至少包括弯矩载荷、海流力载荷、承重载荷、弹性模量、泊松比、屈服强度、加工误差和腐蚀产生的结构微变。

进一步，所述随机抽样采用的方法为拉丁超立方抽样方法。

一种基于上述的方法的水下井口-导管可靠性评估系统，包括：疲劳极限状态定义模块，配置为定义水下井口和导管的疲劳极限状态；

取值区间选择模块，配置为在输入的影响水下井口及导管疲劳寿命的参数的取值范围内确定取值区间；

自变量确定模块，配置为在所有所述参数的取值区间内进行随机抽样，形成若干组随机变量的离散数据，每组所述随机变量的离散数据由所有的参数的抽样后的单一离散点组成；

因变量确定模块，配置为结合随机变量的离散数据，获得每一组随机变量的离散数据所对应的水下井口和导管的应力范围；

功能函数确定模块，配置为结合所述自变量确定模块和因变量确定模块所获得的参数，获得用随机变量表示疲劳极限状态的功能函数；

可靠性评估模块，配置为求解所述功能函数，获得水下井口及导管疲劳寿命可靠性指标，通过可靠性指标进行可靠性评估。

进一步，所述功能函数确定模块将所述随机变量的离散数据作为自变量，所述应力范围作为因变量，所述自变量与因变量一一对应，通过多元回归方法获得所述功能函数。

本发明的有益效果：

相比较于现有技术，本发明将影响水下井口-导管疲劳寿命的参数的不确定程度参数化，并通过功能函数表示了在考虑不确定性条件下的疲劳寿命与各参数之间的关系，求解后的可靠性指标值能够反映多源随机性下的井口疲劳可靠性，评估的准确性较好。

附图说明

图1为本发明实施例1所述方法的流程图；

图2为本发明实施例2所述系统的结构图。

其中，1-疲劳极限状态定义模块；2-取值区间选择模块；3-自变量确定模块；4-因变量确定模块；5-功能函数确定模块；6-可靠性评估模块。

具体实施方式

以下将参照附图和优选实施例来说明本发明技术方案的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

本实施例提出了一种水下井口-导管可靠性评估方法，方法具体为：

S1：定义井口和导管的疲劳极限状态:。

根据DNV标准可得S－N曲线可表示为如下式所示：

logN＝A-mlogΔS (1)

---------------------

式中A和m分别为对数图上S-N曲线的截距与斜率，水下井口与导管的S-N曲线两参数可由DNV标准获得。

上述步骤中疲劳可靠性评估的功能函数为如下式所示：

g

------------------------

其中f代表疲劳极限状态；SN代表S－N曲线方法；N是由DNV标准中S－N曲线公式确定的失效载荷循环次数；N

该式是可靠性评估FORM的求解函数，其中对式(1)与式(2)联立，然后对ΔS进行拟合，即可得到疲劳极限状态的功能函数。

S2：根据影响水下井口及导管疲劳寿命的参数的取值区间，在所有所述参数的取值区间内进行随机抽样，形成若干组随机变量的离散数据。

根据背景技术所述，在水下井口及导管结构的生产制造、服役过程中都存在着诸多不确定性，可将水下井口及导管的不确定性来源分为以下三类：物理不确定性、数据不确定性、模型不确定性。因此通过变异系数来选择评估水下井口和导管可靠性的参数的取值范围，即通过变异系数来表征取值区间的离散点的离散程度。

其中，变异系数COV计算公式如下所示：

其中u为平均值，s为标准差；变异系数是随机变量不确定性程度、分散性程度的度量参数。

本实施例中在选定初始的取值区间后，计算该区间的变异系数。

本实施例中的参数选择与水下井口及导管所受载荷条件、材料性能和模型参数相关，更具体的为弯矩载荷、海流力载荷、承重载荷、弹性模量、泊松比、屈服强度、加工误差、腐蚀产生的结构微变。

以海流力载荷为例，本实施例中通过公开的资料文献查询本次研究的井口和导管所在的海域所施加的海流力载荷的以离散点表示的取值范围为[F

进一步通过上述方式确定所有参数的取值区间，然后通过拉丁超立方抽样方法对每个参数的取值区间进行随机抽样，再将随机抽样后的数据进行组合，形成若干组随机变量的离散数据，每组随机变量的离散数据包括所有参数的单一离散点，如某一组随机变量的离散数据为

S3：获得每一组离散点作用下的水下井口和导管的应力范围，进而获得用随机变量表示疲劳极限状态的功能函数。

在本步骤中，建立水下井口-导管的有限元模型，在该有限元模型中，海底泥线的土反力采用弹簧模型代替，然后将每一组随机变量的离散数据输入该有限元模型中，进而获得每组随机变量的离散数据所对应的应力范围，使得弯矩载荷、海流力载荷、承重载荷、弹性模量、泊松比、屈服强度、加工误差、腐蚀产生的结构微变为自变量(x

本实施例中，进行水下井口及导管疲劳寿命可靠性功能函数的拟合的具体步骤如下：

1、将自变量(随机变量x

2、将纵列排序后的结果导入至相关可用于拟合的软件中，构建随机自变量和因变量之间函数关系；

3、获得随机因素拟合函数，建立水下井口及导管的模糊疲劳可靠性功能函数。

S4：求解疲劳极限状态的功能函数，获得水下井口及导管疲劳寿命可靠性指标，在通过可靠性指标进行可靠性评估。本实施例中，具体的求解方法以一阶可靠性方法(FORM)为例求解水下井口及导管疲劳寿命的可靠性指标。

具体地，通过以下迭代程序使用FORM计算可靠性指标：

1、定义功能函数，用FORM求解随机变量表示的疲劳极限状态功能函数。

2、取平均值点作为初始设计点，计算设计点处极限状态函数的梯度。

3、估计初始可靠性指数β(用均值法)和方向余弦α：

4、计算一个新设计点；

x

5、使用下两式更新可靠性指数β和方向余弦α；

重复步骤4、5，直到可靠性指标值达到收敛，即获得水下井口及导管疲劳寿命可靠性指标值，然后通过可靠性指标值评价水下井口-导管的可靠性。

考虑所有随机变量(载荷条件(弯矩载荷、海流力载荷、承重载荷等)、材料性能(弹性模量、泊松比、屈服强度等)、模型参数(加工误差、腐蚀产生的结构微变))的评价参数，该值越大说明疲劳寿命的可靠度更大。

实施例2

本实施例基于实施例1，提出了一种水下井口-导管可靠性评估系统，如图2所示，包括：

疲劳极限状态定义模块1，配置为定义水下井口和导管的疲劳极限状态；

取值区间选择模块2，配置为在输入的影响水下井口及导管疲劳寿命的参数的取值范围内确定取值区间；

自变量确定模块3，配置为在所有所述参数的取值区间内进行随机抽样，形成若干组随机变量的离散数据；

因变量确定模块4，配置为结合随机变量的离散数据，获得每一组随机变量的离散数据所对应的水下井口和导管的应力范围；

功能函数确定模块5，配置为结合自变量确定模块和因变量确定模块所获得的参数，获得用随机变量表示疲劳极限状态的功能函数；

可靠性评估模块6，配置为求解功能函数，获得水下井口及导管疲劳寿命可靠性指标，在通过可靠性指标进行可靠性评估。

以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。