天然气循环钻井系统可靠性研究

徐宝昌 陈永坤 柳贡慧

1.中国石油大学(北京) 2.北京强度环境研究所 3.北京联合大学

天然气循环钻井系统可靠性研究

徐宝昌1陈永坤2柳贡慧3

1.中国石油大学(北京) 2.北京强度环境研究所 3.北京联合大学

天然气循环钻井是一种新型的气体钻井工艺,可以使钻井用天然气得到循环使用,有效节约成本,提高钻井效率,保护环境;但该工艺技术复杂,对系统安全性要求较高。为此,运用故障树模型与蒙特卡罗仿真相结合的方法,首先分析工艺过程存在的危险源以及可能发生的事故;建立基于故障树模型的工艺过程仿真逻辑关系,采用蒙特卡罗仿真方法对系统进行事故模拟,从而对该系统的可靠性作出了定量分析。通过针对泄漏事故、超压爆炸事故以及压缩机事故的仿真,得出相应的系统平均失效时间、不可靠度以及单元重要度等可靠性参数。结论认为:该钻井系统的可靠性能够满足天然气循环钻井试验的要求。

气体钻井 天然气循环钻井 可靠性 故障树 蒙特卡罗仿真 定量分析 事故模拟

天然气循环钻井是在气体钻井技术基础上的探索和改进。在原有天然气钻井设备的基础上增加了天然气净化回收及循环系统,实现钻井用天然气的循环利用,达到降低钻井综合成本、保护环境等目的,具有较广阔的应用前景[1]。该工艺尚处在试验阶段,涉及安全相关问题的研究尚属空白。由于配套设备多,工况变化大,人工操作不能保证高可靠性,要求较高的自动化程度。虽然天然气循环钻井自控系统的设计具有一定的安全功能,但因受控制系统自身可靠性的局限,风险依然存在。为此,笔者采用蒙特卡罗仿真法[2-9]分析了天然气循环钻井系统的可靠性,并对该系统的可靠性作出了定量分析。

1 钻井工艺流程及控制系统

天然气循环钻井系统不同于石油炼制等长时间连续稳定运行的系统,该系统是与其他钻井设备配合,在特定的钻进深度范围内使用的。因此,工艺具有工况变化频繁的特点,由此带来一定的控制难度。

1.1 工艺流程

天然气循环钻井系统包括分离净化系统、排料系统、循环系统这3个子系统。分离净化系统由两级分离器、缓冲罐以及2台并联精细过滤器组成;排料系统由两级分离器下的排料罐以及3台自吸泵组成;循环系统包括2组天然气增压机,天然气压缩机,地面管汇等。

天然气循环钻井系统工艺流程如图1所示。天然气循环钻井系统首先从天然气管网获得气源,通过增压机组将天然气压力增至钻井所需压力,然后注入井筒实现天然气钻井。钻井使用后的天然气在工况稳定的情况下进入天然气分离净化系统中。在分离净化系统内,天然气首先通过两级旋风分离器,分离出的岩屑落入排料罐并通过罐底排料口排出。自吸泵用来维持液位,保证分离器的密封性,同时维持排料口的瞬时流速在1 m/s以上,满足排料口的携岩能力,防止阻塞。一级分离器的岩屑量较大,为了保证排料能力,设1台自吸泵来流化罐内岩屑。经过两级分离器后的气体通过缓冲罐,然后进入精细过滤器进行精细过滤。精细过滤器出口的天然气,在符合压缩机工作条件的情况下进入压缩机组进行加压。加压后可以选择去进一步增压为钻井提供气源,或者进入另一组增压机后汇入天然气管网进行回收。工艺过程中一旦出现异常情况,可以经过几路管道将气体切换到排砂管线,将系统切换到放燃状态。

图1 天然气循环钻井系统工艺流程图

1.2 控制系统

天然气循环钻井控制系统基于西门子S7200 PLC系统,具有逻辑控制和闭环连续控制这2种基本控制功能,同时兼有安全保护功能。

1.2.1 基本结构

控制系统下位机采用西门子CPU 224,PLC模拟量输入输出模块为 EM 235,数字量输入输出模块EM 223。上位机采用研华工控机 610H,系统基于W indow s XP,监控组态软件平台基于组态王6.5。上位机与下位机通讯采用RS485串行通讯方式。执行机构采用气动球阀,其气动执行器及配套电磁阀的作用方式根据安全需要进行设计。排料系统中的切断阀选择单作用执行器,在丢失气源和控制信号的异常情况下都能够自动关闭。对于天然气管线上的大口径阀门,采用单作用执行器具有难度,故选择双作用执行器,在其供气管路增设储能罐保证在气源丢失时还可以动作若干次。可实现在丢失气源和控制信号的异常情况下仍能将阀复位成所需状态。

1.2.2 基本控制功能

PLC系统执行逻辑控制以及闭环连续控制。逻辑控制包括正常的开车、停车、工艺过程的切换。此外系统具有2个闭环连续控制回路,分别用来控制1、2级分离器排料罐的水位。安装在分离器水罐上的液位计测量液位信号,将其送入PLC的模拟量输入模块中,通过A/D转换送入控制器。经过编程的控制器执行PID控制功能,计算出当前控制量,并通过输出模块D/A转换输出给西门子变频器M 430,控制变频器间接调节水泵水量,从而调节分离器排料罐的水位。

1.2.3 安全保护功能

控制系统具有一定保护功能,可以在工况异常时控制系统进入安全状态。

1)分离净化系统防泄漏功能:分离器水罐液位在正常状态时保持稳定。突然出现的异常或扰动可导致水被排空,天然气从排料口排出造成泄漏。因此设计当液位计低限报警时,自动关闭排料口切断阀,防止天然气窜出分离器排料罐。

2)防系统超压功能:当钻进过程中突遇气层,出气量突然升高时,分离净化系统内压力会突然升高。在达到分离器承受极限压力之前,系统自动打开分离器入口放空阀,将气体排至排砂管线进行放燃。分离器入口放空阀为常开阀门,这样当出现断电事故时,电磁阀自动复位迫使放空阀打开,强制系统进入安全的放燃状态。缓冲罐安装有安全阀,压力超过0.4 M Pa时可自动卸压。安全阀排出气体由管线送入燃烧池自动点燃。

3)压缩机入口放燃功能:当检测回收天然气浓度不满足回收要求时,打开压缩机入口处放空阀对天然气进行放燃处理,卸载压缩机组,暂停回收工艺。由于分离器位于水罐顶部,水罐水位过高会导致天然气将水带出分离器进入下一级过滤器和压缩机,导致压缩机事故。因此在液位超过高限时便会启动该功能。

4)紧急停车功能:用来实现当系统遇到紧急情况时,执行一次手动操作便完成停车,打开所有放空阀,切断排料口阀门,卸载压缩机组,保证系统进入安全状态。

2 钻井系统可靠性研究

笔者针对天然气循环钻井系统可能发生的3种事故——泄漏、超压爆炸以及压缩机事故,分别进行研究。运用蒙特卡罗仿真方法,在此以分析分离系统泄漏事故为例,对天然气循环钻井系统进行了可靠性分析,并且通过仿真结果,得出分析结论。

2.1 仿真模型的建立

仿真模型由系统模型及仿真逻辑关系构成。系统模型包含了组成系统的所有基本单元。由于基本单元主要属于电子、电气设备,根据电子设备的失效特点,可认为其失效概率密度函数服从指数分布,并且各基本单元失效方式和失效率已知;系统仿真逻辑关系基于故障树模型建立。故障树的顶事件作为系统失效事件(发生事故事件),由 n个底事件组成。底事件包含系统基本单元失效、工况异常等可能导致系统事故的一切情况。引入时间参量后,故障树的结构函数用<[x(t)]表示:

其中 x (t)为系统状态变量,式中bi(t)(i=1,n)为第 i个底事件的状态变量。取

研究分离净化系统泄漏模型,根据对工艺设备和控制系统的分析可知,排料口发生天然气泄漏是由于水罐内水排空以及排料口切断阀切断失败两种情况同时发生所导致;水罐内水排空可由水泵供水失败以及分离系统压力过高两种情况的任意一项造成;水泵供水失败是由水泵故障、变频器故障、PLC故障、液位计及配套安全阀故障、断电事故中的任意一项造成;分离系统压力过高是由于天然气出气量过大、切放燃失败两种情况同时发生所造成。根据系统基本单元之间的关系建立分离净化系统气体泄漏故障树模型(图2)。分离净化系统由两级分离器构成,二者泄漏故障树模型相同。

2.2 随机抽样方法

采用算法简便、抽样效率高的直接抽样方法。对于一个随机变量X,它的分布函数是 FX(x),它的逆函数为:

设U表示单位均匀分布随机变量,又有 Y= F-1X(u),u∈U,则随机变量Y与X有相同的分布函数FX(x)。因此,利用均匀分布随机变量U,通过逆变换得到具有分布 FX(x)的随机变量。即首先产生伪随机数ζ,然后 x←F-1X(ζ)。

故障树模型中的底事件既包含系统单元失效事件,如压力传感器失效等;同时还包含非单元失效事件,例如断电事故、天然气出气量过大、压缩机组意外停车等。对于系统单元失效事件,具有确定的分布函数,故采用上述的连续抽样方法;而对于非单元失效事件,则采用下列离散抽样方法。

图2 两级分离器气体泄漏故障树模型图

以处理天然气出气量过大的仿真为例。现场井口出气量有两种状态:其一是系统所能承受的正常气量,不会对系统造成危险;其二是过大的气量,可能成为造成系统发生事故的基本事件之一。出气量受钻进过程以及地层等影响,不服从指数分布,但可以认为在统计上具有其特性。设系统运行过程中气量正常的概率是80%,对应的状态抽样值为0,发生气量过大的概率是20%,状态抽样值为1。为模拟这一状态,首先产生服从(0 1)均匀分布的随机数,对应抽样值。采用离散抽样方法:

即在每个仿真时刻,有20%的概率发生气量过大。

2.3 仿真程序设计

仿真程序设计包括模拟系统状态随时钟改变以及系统失效时间抽样两个主要内容。仿真程序基于Matlab 7.0实现。均匀分布随机数由Matlab函数产生。根据蒙特卡罗方法原理,在获得随机变量的 N个简单子样以x1,x2,…,xN后,用统计量的算术平均值

作为所求量的近似估计。以此原理可以计算平均无故障时间、不可靠度等可靠性参数。当统计量的子样数N充分大时,其均值以概率1收敛于其期望值。

2.3.1 模拟系统状态的改变

首先模拟一个时钟,使得其按照系统状态发生改变的时间序列 t1,t2,t3,…,tn不断向前推移。如果在某时刻满足系统状态改变条件,则执行状态改变。系统的状态改变通过时间序列中的当前时刻t以及单元的失效时间样本来判断。在第 j次仿真中,通过对组成系统的n个单元进行寿命随机抽样,取得每个单元的失效时间样本 t1j,t2j,t3j,…,tnj,在第 j次仿真运行中,得到第i个单元在时刻t的状态为:

其中tij为第j次仿真中第i个单元的失效时间样本,当其小于或等于t时,判定其状态为失效。

2.3.2 系统失效时间抽样

将第 j次仿真中获得的n个单元z1,z2,z3,…,zn的失效时间样本 t1j,t2j,t3j,…,tnj按照从小到大顺序排列。排列后为tf1,tf2,…,tfk,…,tfn,相应的单元顺序也重新排列 z′1,z′2,z′3,…,z′n。按以上顺序,首先将单元z′1置为失效状态,系统状态发生改变,模拟时钟t=tf1,其余单元均未失效,根据系统仿真逻辑关系判断系统在该时刻是否失效。如果系统未失效,则将单元z′2置为失效状态,模拟时钟 t=tf2,再检查系统是否失效。如此进行下去,直到 z′k单元发生失效,模拟时钟t=tfk。若此时系统失效,则

2.3.3 仿真次数的确定

仿真次数由期望的仿真结果误差来确定。根据蒙特卡罗法误差公式(8)[10]为:

式中 xa表示正态差,由已知置信水平1-α后,按照正态积分表确定;α表示置信度;σ表示标准差。取置信水平为0.977,通过尝试性的仿真试验得到相应的仿真误差,根据误差达到要求与否来决定是否增加仿真次数。通过考察系统平均无故障运行时间以及不可靠度两种结果的误差,确定N为5万次。

2.4 仿真结果分析

以针对分离系统天然气泄漏事故的可靠性分析为例,仿真得出平均无故障时间、不可靠度、单元重要度以及单元模式重要度这4个重要参数,并分析了结果。

2.4.1 系统平均无故障时间

系统平均无故障时间(mean time to failure,M TTF),是系统能够连续正常工作的时间长度的平均值。经过5万次仿真运行获得系统仿真时间样本,由公式(9)计算得出系统 M TTF为11 280 h。即

2.4.2 不可靠度

经过仿真计算得到系统不可靠度曲线如图3所示。系统不可靠度曲线近似呈现指数分布的特征,这与组成系统的元件中电子元件占多数有关。因为电子元件失效特性呈现指数分布。由仿真结果可知,系统连续工作1 mon(720 h)的不可靠度为0.75%;3 mon为5.76%;6 mon为18.28%。系统可靠性能够满足循环钻井试验的要求。

2.4.3 元件重要度分析

单元重要度W(zi)描述单元zi在系统中的重要程度;单元模式重要度WN(zi)描述单元 zi失效引起的系统失效占系统总失效次数百分比,指明了系统薄弱环节。

图3 系统不可靠度(F)曲线图

分析与分离系统泄漏事故相关的18个系统单元的单元,其重要度和单元模式重要度如图4所示,其中PLC的单元重要度达到1,说明如果该单元失效那么系统必然失效;两级分离器排料口切断阀以及液位低限开关的重要度其次;从模式重要度角度分析,两级分离器的排料口切断阀的系数最高。说明以上两单元是系统薄弱环节,在可靠性设计中需给予更多关注,提高可靠性对提升系统可靠性的贡献最大。

图4 单元重要度图

通过分析可以得知,如需要提升系统避免天然气泄漏事故的可靠性,则应以PLC、排料口切断阀以及液位低限开关为重点单元,优先提升单元可靠性,从而提升系统整体的可靠性。

3 结论

1)提出了一种分析钻井系统可靠性的新方法。

2)通过基于蒙特卡罗仿真和故障树模型的可靠性分析方法,对天然气循环钻井系统进行了可靠性分析,找到了系统的薄弱环节,验证了该方法在分析此类问题上的可行性。

3)分析结果为将来苏里格气田苏14-13-39井现场试验系统的设计和改进提供了重要指导。对于分析结论指出的关键的环节,可通过更换可靠性更高的设备以及增加冗余结构来提高系统的整体可靠性。

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Reliability analysis of a circular natural gas dr illing system

Xu Baochang1,Chen Yongkun2,Liu Gonghui3
(1.China University of Petroleum,Beijing 102249,China,2.Beijing Institute of Streng th and Environment Engineering,Beijing 100076,China;3.Beijing Union University,Beijing 100020,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 2,pp.74-78,2/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

A circular natural gas drilling system is a new gas drilling p rocess,the drilling-used natural gas can be recycled to save cost,imp rove drilling efficiency,and reduce the impact on the environment.This drilling p rocess,however,is complicated aswell as having extremely strict requirements for drilling system safety.In view of this,the hazards and potential accidents during this drilling p rocess are first analyzed in combination w ith fault treemodeling and Monte Carlo simulation.Then a logical simulation relationship is set up acco rding to the p rocedures coming out of the Fault Tree Modeling and accident simulation is performed on this drilling p rocess by use of Monte Carlo simulation.On basis of this,quantitative analysis ismade on the reliability of this drilling system. Through simulation of the leakage,overp ressure exp losion and comp resso r accidents,the reliability parameters are thusobtained like the average failure time,unreliability and unit importanceof this circular drilling system.The results show that the reliability of this drilling system can meet the requirements of the experiments of circular natural gas drilling.

gas drilling,circular natural gas drilling,reliability,fault tree,Monte Carlo simulation,quantitative analysis,accident simulation

国家高技术研究发展计划(863计划)“气体钻井技术与装备”(编号:2006AA 06A 103)。

徐宝昌,1974年生,副教授,博士;2005年毕业于北京航空航天大学;主要从事复杂油气系统的信息处理、建模与先进控制研究工作。地址:(102249)北京市昌平区中国石油大学。电话:13683262121。E-mail:xbcyl@163.com

徐宝昌等.天然气循环钻井系统可靠性研究.天然气工业,2011,31(2):74-78.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.018

(修改回稿日期 2010-12-08 编辑 居维清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.018