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NTNU - 特隆赫姆
挪威科技大学
关于防喷器RAMS工程过程的建议
Anna Magdalena Godziuk
可靠性，可用性，可维护性和安全性（RAMS）
提交日期：2015年6月
主管：IPK Mary Ann Lundteigen
联合主管：Geir-Ove Strand，IPK
格但斯克理工大学教授Jerzy Ejsmont教授
生产和质量工程部
挪威科技大学
RAMS
可靠性，可用性，
可维护性和安全性
关于防喷器RAMS工程过程的建议
Anna Magdalena Godziuk
2015年6月
硕士论文生产和质量工程部
挪威科技大学
主管：IPK的Mary Ann Lundteigen
联合主管：Geir-Ove Strand，IPK
格但斯克理工大学教授Jerzy Ejsmont教授
前言
硕士论文工作已于2015年春季学期在挪威科技大学生产与质量部NTNU进行。本论文是迈向理学硕士学位课程的最后一步，我的专业是可靠性工程和机械工程。在论文开始之前，我对防喷器系统知之甚少。收集关于BOP的可靠性，可用性，可维护性和安全要求文献和比较这些结果一直是本论文的挑战。
我想对我的主管教授Mary Ann Lundteigen教授在本学期给予的宝贵帮助和指导表示最深切的感谢。 此外，我还要感谢Geir-Ove Strand分享有关BOP系统运营活动的知识和经验。
我想感谢所有在本学期激励我的朋友。 特别感谢我的亲爱的朋友Katarzyna Paulina Mocek，感谢她的支持和帮助。
特隆赫姆，2015年6月10日
Anna Magdalena Godziuk
概要
防喷器是在钻井作业中使用的安全关键系统.BOP是用于密封，控制和监测油井中的油气的阀门系统。防喷器系统具有巨大的潜力，因为它可以防止环境污染和人员伤亡以及因此，防喷器系统应满足高可靠性和安全性要求。对BOP可靠性和安全特性的要求主要可以在挪威和美国的法规中找到。本文试图组织和比较法规和标准，这些标准是世界公认的，并且常用于海上油气钻井。此外，对BOP故障，可靠性数据和测试BOP数据的研究是防喷器系统可靠性和安全性的重要来源。为了对BOP系统的一个综合报告进行规范，标准和研究分类，使用了RAMS工程模型。
RAMS是可靠性，可用性，可维护性和安全性的缩写。面向RAMS的生命周期模型侧重于满足RAMS要求的产品特性和特性.RAMS工程模型由8个阶段组成。每个阶段是考虑到RAMS实践的产品生命周期阶段。
试图为BOP系统创建RAMS工程模型的动机是需要改进BOP的可靠性和安全性。鉴于最近的事件，例如墨西哥湾的深水地平线事故，应该开发BOP的技术。
缩略语
AP环形预防器
API美国石油学会
防喷器防喷器
BSEE安全和环境执法局
BSR盲式剪羊毛
CSR套管剪羊毛
DEA丹麦能源署
EDS紧急断开序列
HCR烃释放
MAIB海上事故调查处
OGP国际石油和天然气生产商协会
PFD故障需求概率
PSA石油安全局
RAMS可靠性，可用性，可维护性和安全性
ROV遥控车
RRF风险降低因子
SIL安全完整性等级
SIS安全仪表系统
SQAIR壳牌的质量和检验要求
SRS安全要求规范
TRL技术准备水平
VBR可变孔径RAM
WCID井控事件数据库
WOAD全球离岸事故数据库
第1章
介绍
1.1背景
石油工业包含勘探，开采，提炼，运输和销售石油产品的过程。石油是许多国家关注的重要问题，因为维护工业文明至关重要，对许多其他行业至关重要。石油工业涉及巨额资金，可能是对环境保护最严重的危害。因此，石油和天然气行业需要最可靠和安全。
石油和天然气生产基于地表和海底钻井。为了实现良好的控制和安全，有防止油气泄漏的障碍。主要屏障是通过钻井泥浆的压力实现的。次要屏障是防喷器（BOP）。防喷器（BOP）是一种安全关键系统，用于确保油井和气井的安全钻井和干预措施。 BOP的主要功能是密封井，或者与正常钻井和干预活动相关，或者响应井中不受控制的流量。
安全与环境执法局（BSEE）规定，美国石油学会（API）标准和规范以及NORSOK标准涵盖了涵盖BOP设计，运行和测试的主要国际标准。 BOP系统的可靠性已经在工业数据基础上进行了评估，结果显示在各个组织发布的报告中，例如BSEE，石油安全局（PSA）和SINTEF。尽管如此，近期发生的事件，例如2010年墨西哥湾深水地平线事故表明，与防喷器系统的性能相关的问题仍然存在一些挑战。
1.2目标
在BOP设计和运行的各个阶段，关于可靠性，可用性，可维护性和安全性（RAMS）活动的系统方法可以称为RAMS工程模型。本硕士论文的主要目标是基于国际标准和报告提出用于防喷器系统的RAMS工程模型，包括BOP故障的结论和教训。论文阐述如下：
1.2.1防喷器系统的主要元件和功能说明，
1.2.2关于BOP故障的文献研究，包括相关事故，
1.2.3典型RAMS工程模型描述，
1.2.4基于国际标准的RAMS工程模型推荐，
1.2.5结论和进一步工作的建议。
1.3范围和限制
本硕士论文的总体目标是基于文献调查，提出一个用于BOP的RAMS工程模型。该提案的目的是组织有关国际和国家法规中的事实，数据和要求，以便实现关于防喷器系统RAMS要求的全面报告。
本硕士论文仅限于设计用于深水勘探钻探的海底防喷器的可靠性。它不涉及浅水防喷器，开发钻井防喷器或修井干预防喷器。
最后，文献调查集中于BSEE，API和NORSOK法规，因为这些法规是最全面和国际公认的。
1.4报告结构
论文主要分为三个主要步骤：BOP系统描述，RAMS工程模型描述和BOP系统RAMS工程模型的建议。第5步中已经强调了第三步。第2章介绍海上钻井过程。第3章是典型的RAMS工程模型的描述。第4章介绍了防喷器故障和事故的防喷器系统描述和文献调查。最后，对论文进行了总结和总结，并在第六章中作了进一步研究。
第2章
海上钻井
钻研操作
钻井是一个复杂而耗资的过程，它吸收了大量的措施，因为它对环境造成了严重的危害。在海面3000米以下钻一口井，涉及到来自不同领域知识的许多经验丰富的专家，从地质学家，生产工程师到钻机操作员，众多设备和复杂机械。因此，尽可能使这一过程安全和具有成本效益是最有效的。钻井过程如下所述，基于Steve Devereux（Devereux，2012）的文献。
有几种类型的深水钻井平台，一个。半潜式钻井平台和钻井船。钻井的机械设备被放置在船上。顶部驱动器为连接到钻头的钻柱提供扭矩。在钻井的同时，钻头可能会由井架下降和上升。
图0.1钻井作业中使用的钻机类型（国家石油公司深水地平线委员会溢油和海上钻井，2011）
石油和天然气勘探基于流体压力。钻探涉及穿透一系列地下地质层，其地层压力可能远高于井眼中的压力。为了在钻井过程中控制压力，将泥浆沿着钻柱施加到钻柱环上，钻柱环是钻柱与井壁之间的空间。泥浆是油基和水基流体和添加剂的特殊混合物。如果释放，对海洋环境也是非常危险的。 （国家石油公司深水地平线溢油和海上钻井全国委员会，2011）。由于岩层和上面的水的重量，井下压力随井深而增加。如果地层压力不受控制，可能会导致井喷（气体和油的失控释放）。泥浆是钻井作业的主要障碍。二级屏障是防喷器（BOP），这将在下一章中介绍。除了压力控制外，钻井泥浆还具有两项附加功能。随着泥浆沿着钻柱向上流到环空中，它会冷却钻头并去除钻屑。泥浆特性由泥浆记录仪在表面上进行控制。
随着井深度的增加，需要更重的钻井泥浆来平衡更高的地层压力。 与此同时，泥浆对井壁施加更高的压力。 泥浆的重量可能最终破坏了较弱的岩层。 为了防止它和覆盖较弱的岩石，将钢套管应用在井中并粘结到位。 随着井深度的增加，套管必须多次使用，每个套管的直径都比前一个小。
当钻井到达储层时，钻头被拉出并对井进行评估。 在井筒固井和BOP断开之后，该井可以完成生产或暂时放弃。 为了有效地提取石油或天然气，必须将附加套管安装在井内，并且必须在井顶安装圣诞树。
为确保钻井作业的安全和环境保护，有必要始终确保地层流体与周围环境隔离的封闭功能。 采取各种措施来实现遏制功能，从机械设备，设备，障碍和控制舱到国际法规，标准和指导方针。 这些措施形成了井的完整性。
2.2井完整性
NORSOK D-010将完整性定义为“在井的整个生命周期中应用技术，操作和组织解决方案来降低地层流体不受控制释放的风险”。 NORSOK D-010对设备的完整性有最低要求，公司有责任选择最佳的解决方案。 术语井控意味着通过控制压力来避免井喷的预防性测量。 井喷是对人类生命，安全和环境最严重的威胁之一。 有两个或更多的障碍，防止石油和天然气的泄漏。 主要障碍是泥浆柱，用于平衡井筒中的压力（Group，2011）。 防喷器（BOP）是井控的第二道屏障 - 最后一道防线。 设计用于辅助井控，它们由阀门系统组成，可在发生损失控制时迅速关闭井。
2.3钻井作业的主要阶段
深水钻井作业的复杂性导致了巨大的环境风险，并需要巨额资金，导致分阶段进行整个过程：
打好井
钻井过程首先“钻井”井，这意味着将第一套套管下降到海底。 该第一套管（称为导体套管）的直径通常为36英寸或更大，为井提供了结构基础。 安装在导体外壳顶部的井口组件仍然位于海底之上。 然后，使用连接在井口上的钻柱，套管正在下降。
图0.3早期钻井阶段（国家石油公司BP深水地平线漏油事故委员会
海上钻井，2011）
设置导体套管和固井
一旦导体套管达到设计深度，下一个直径较小的套管安装在孔内。它延伸到更深的海底。下一步是把卡西周围的空间粘合起来。 从而为进一步钻削提供了机械基础。水泥沿钻柱向下流动，在套管与开孔之间的环形空间向上流动。
降低立管和防喷器
钻井队开始使用旋转钻头，因为岩层太强而不能通过喷射去除。 在旋转钻井期间，需要使用泥浆，泥浆在释放时可能对环境有危险。 它表示增加组件以确保安全：防喷器和立管。 如前所述，BOP是井控事件的次要障碍。 随着钻井的深入，泥浆的存在和压力的增加要求对油，气和泥浆的泄漏提供额外的保护。
设置后续套管柱
钻井泥浆系统和旋转钻头允许通过以前设置的套管串和以下。随后的较小直径的字符串安装在现有的字符串中。
固井套管柱
安装防喷器后，套管柱的固井工艺与以往不同。水泥与钻井液不相容，必须分开。有两种分离方法： 带有水基液体间隔器和塑料雨刷塞。然后水泥在套管柱和钻孔之间形成空间。完成后，钻台人员进行压力测试，以确保有 把套管放好了。
生产套管
这口井是为了生产或作为探井而钻探的。如果它是一口勘探井，它通常是在一个叫做封堵和放弃的过程中被粘合起来的。
钻井后，操作者在开孔段安装最后一串生产套管。然后，将生产套管固井，并可能将其射孔，以使石油和 天然气更容易从储集层流出。
图0.4穿透生产套管（国家石油公司BP深水地平线溢油事故委员会
和海上钻井，2011年）
第3章
RAMS管理概念
3.1 RAMS工程
RAMS工程的重点是产品的可靠性、可用性、可维护性和安全性。可靠性可视为产品可用性、可维护性和安全性的基础。 e所有这些特性都取决于产品的可靠性。
产品的可靠性被定义为“在给定的时间间隔内，一个项目在给定的条件下能够执行所需功能的概率”(iec 60050-191，1990年)。这可能相当不清楚 可靠性的定义，可以假定为产品履行其功能的能力。 可靠性分析可通过以下方式改进产品设计：
研究设计过程对产品故障率的影响;
比较替代过程对可靠性的影响;
确定预防性维护计划和备件库存;
通过了解设备故障增强安全性。
可维护性是指“在规定的使用条件下，物品在规定的条件下进行维护并使用规定的程序和资源进行维护时，能够保留或恢复到可以履行其规定功能的状态”（Murthy， 等人，2008）。 产品的可用性是在任何时间点找到适当服务条件的概率（Wikstrouml;m等，2000）。
IEC 61508将安全定义为“不受人身伤害或人身健康损害的直接或间接损失，或因财产损失或环境而间接造成损害”。功能安全是总体的一部分 安全性取决于系统或设备根据其输入正确运行（ISO 61508,2005）。 这是处理危险的方法。 有两个要求来确保功能安全性：
安全功能要求 - 功能的作用
安全完整性要求 - 执行安全功能的可能性
IEC 61508规定了安全功能的四个级别的安全性能。 这些被称为安全完整性等级（SIL）。 需要满足这些要求才能达到每个标准水平。 安全完整性等级1（SIL1）是安全完整性的最低等级，安全完整性等级4（SIL4）是最高等级。 对于按需运行的产品，SIL计算使用两个因素：
PDD--
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