通过莱斯利Langnau，主编
在2010年4月20日晚，深水地平线在Macondo ProSpect钻探的同时遭遇了爆发，墨西哥湾的一个地区，路易斯安那州东南海岸40英里。平台起火了;两天后，它沉没了。许多尝试都被封存了井，但是当临时上限到位时，石油继续涌入海湾到7月15日。浮雕井然后将混凝土泵入井口下方的区域，井被认为是9月中旬永久密封的。
2010年4月20日，墨西哥湾的“深水地平线”钻井平台遭遇了灾难性的井喷。从那以后，工程师们一直在使用有限元分析来确定原因。干预船Q-4000升起防喷器组，并将其送到一个临时封闭的地方进行调查。
深水地平线是半潜水，动态定位的钻井平台，或移动海上钻孔装置（MODU）。它是一个巨大的浮动式石油钻井平台，能够在自己的力量下调整位置，并设计用于在水中的水中运行，高达8000英尺，深入钻井井。
当压力石油和天然气不受控制地沿着钻杆或立管流向钻机时，就会发生井喷，这对操作钻机的人员构成极大的风险，并可能对环境和平台本身造成损害。现代的钻井平台都配备了防喷器(BOP)，这是一种位于海底的巨大结构，直接位于井口上方。钻杆穿过防喷器组，防喷器组包括剪切闸板、钻孔闸板、环形防喷器以及一系列电子和液压组件，这些组件在井喷发生时能够安全关闭油井。
在初始事件和深水地平线沉没的几周内，众多尝试激活了从故障钻机，自动化的死人电路上的紧急断开序列的BOP堆栈启动，即使是直接的遥控车辆工作on the stack’s “autoshear” function, one mile down. Nothing stopped the flow of oil.
尽管石油行业正在努力关闭油井，控制泄漏，但美国内政部和国土安全部签署了一项命令，开始进行调查。今年8月，他们发布了一份竞争性的建议书(RFP)，对防喷器操作和封井失败进行了分析。9月1日，位于俄亥俄州哥伦布市的DET NORSKE VERITAS (U.S.A.)公司获得了一份合同，以确定防喷器组的性能和可能的故障模式。DNV从俄亥俄州哥伦布、休斯顿和挪威Høvik办公室组织了一个由40人组成的专家团队，包括法医调查、材料专家、防喷器操作、系统控制和计算机建模，以解决涉及多学科调查的所有问题。
DNV团队在美国宇航局位于新奥尔良的Michoud基地组装了一个操作基地。干预船Q-4000升起防喷器组，并将其送到一个临时封闭的地方进行调查。
有限元分析作为鉴证工具
Shane Finneran，项目工程师和团队领先于DNV的DNV材料和腐蚀科技中心，俄亥俄州都柏林的计算机辅助技术中心是调查中的关键球员。他的团队带领3D激光扫描和计算机建模举措，并协助材料评估和损害评估。
DNV面临的问题是快速构建和测试堆栈机械组件的大量计算机模型。他们求助于Abaqus有限元软件(来自于SIMULIA，达索Systèmes ' 3experience技术的应用)，该软件已经成为DNV调查工具的一部分超过十年。
FEA为DNV提供了一种快速，准确的方法来模拟和评估所提出的场景的可能性，其中许多人在物理测试中评估困难和不切实际。
由DNV为内政部海洋能源管理、法规和执法局(BOEMRE)发布的一份200页的报告详细解释了DNV使用的重建过程和测试方法，以及他们的发现。
防喷器组和几根钻杆从井场升起，转移到NASA-Michoud的一个储存设施。团队对这堆东西进行了清理、拍照、编目，并在必要的地方进行拆卸，以了解其内部的工作原理。
Hydraulic fluids and metal samples were taken for analysis, the stack’s control mechanisms and their batteries, actuators, and solenoids were tested, and the casing and blind shear rams, variable bore rams, and upper and lower annular preventers were all visually inspected and 3D laser scanned.
DNV随后使用激光扫描构建受损设备的三维CAD模型，特别是在BSR区域，即盲剪滑枕，该滑枕是防喷器上唯一用于切割钻杆和密封井筒的滑枕。
SolidWorks软件(也来自达索Systèmes)被用来将ram组件的原始CAD文件转换为简化的表面，以便使用Abaqus FEA，使团队能够模拟和虚拟测试所发生的情况。
现代化钻机配有井喷预防措施 - BOP堆栈 - 这是巨大的结构，坐落在海底上，直接在井口上含有可能的损坏，如果发生井喷，则可能会造成损坏。钻杆穿过防喷器组，防喷器组包括剪切闸板、钻孔闸板、环形防喷器以及一系列电子和液压组件，这些组件在井喷发生时能够安全关闭油井。
出现了什么问题
简单地说，钻杆就是管中管。外管是井的孔，内管是钻杆，而钻杆又包含钻头。当钻头在井筒内旋转并向下移动时，钻台上的泵会迫使一种称为泥浆的粘性流体向下移动。泥浆润滑和冷却钻头，同时冲洗污垢和切割钻头底部的岩石，进入钻杆与外管或套管之间的环形空间。
巨大的防喷器组位于海底井口的正上方。它的两部分加起来有六层楼那么高，重达400多吨。该装置的上半部分被称为LMRP，包含两个电子控制舱，以及一对甜甜圈形状的密封装置，称为上环和下环空防喷器。防喷器密封在钻杆周围，并调节向上的流体流动。
防喷器组的下半部分包含一系列剪切闸板和镗孔闸板，以及驱动这些闸板的阀门和液压装置。根据具体情况，这些闸板可以起到“堵井”或“压井”的作用。
盲剪滑枕(BSR)是防喷器上唯一设计用于切割钻杆和密封井筒的滑枕。
BOP堆栈是一个复杂的装置，其工作是至关重要的：井中的控制压力，保持钻杆居中，并在不可控制的井喷事件发生管道并密封管道。深水地平线的Bop Stack在所有三个数量上都失败了。
事故发生当晚，在对上环空防漏器进行常规“泄漏”测试后不久，钻井平台上的歧管压力增加了5倍。石油和天然气开始溢出到平台甲板上，平台起火。“深水地平线”上的工作人员启动了紧急断开顺序(EDS)，试图关闭油井，但没有成功。半小时后，钻井平台被弃用。
这事是怎么发生的
DNV的分析和有限元分析数据表明，失效的主要原因是BSR，即盲剪闸板无法切割钻杆和密封井筒。BSR就像一把大剪刀，带有相对的刀片，旨在切断钻杆，并密封其末端，以尽最后的努力封死油井。有限元分析清楚地表明，剪切滑块应该能够完成它的工作。所需的力处于测试的中间位置，计算的数据范围为标称的居中钻杆模型，钻杆本身的强度没有任何异常。BSR可能会起作用，除了一件事:管道不在它应该在的地方。
在ROV干预过程中，当盲剪闸板被激活时，防喷器组顶部的钻杆周围的环形防喷器已经被密封。可变孔闸板的下半部分密封。管柱应该位于井筒中心，也就是盲剪闸板预期的位置。然而，钻杆回收部分标记的物理证据表明，钻杆位于井筒一侧。
DET NORSKE VERITAS (U.S.A.)， Inc. (DNV)的工程师参与了测试，以确定防喷器组的性能和可能的故障模式。在他们的研究中，研究小组首先进行了屈曲分析，以确定将钻杆移动到套管边缘所需的载荷。有限元模型表明，施加的压力将足以迫使它离开位置。
在此基础上，工程团队需要确定管道在正确的位置是否会发生剪切，以及需要多大的力才能使其偏离中心。利用剪切损伤参数，结合材料的已知弹性和强度值，有限元数据验证了在中心载荷条件下剪切管道所需的估计压力。分析表明，如果管柱偏心，闸板将无法完全关闭。这使得流体通过了盲剪闸板，造成了盲剪闸板部件和井筒的严重侵蚀，导致了封管失败。
DNV工程师给出了一个原因:其中一个钻杆的工具接头位于上环空防喷器的下方，该防喷器是在钻杆上关闭的。当井喷所产生的向上压力足够大时，钻杆就会无处可去，而向上的压力(钻杆上的压缩力)会导致钻杆发生屈曲，将钻杆推到井筒一侧。盲剪闸板试图偏离中心切割管道，但没有成功。这将钻杆的一部分卡在滑块表面之间，阻止了滑块完全关闭和密封井眼。
FEA支持“为什么”理论
随着DNV调查加深了拟议的事件序列，FEA继续支持球队的理论。他们开始屈曲分析来确定必要的负载是将管道移动到壳体边缘的内容。有限元模型表明，施加的压力将足以迫使它离开位置。
在此基础上，有必要确定另外两件事:如果管道处于正确的位置，是否会发生剪切，以及需要多大的力才能使其偏离中心?有限元模型提供了这一见解。
Finneran说:“首先，结合剪切损伤参数，结合材料的已知弹性和强度值，我们的有限元分析数据验证了在中心载荷条件下剪切管道所需的估计压力。”
接下来，工程师模拟了在深水上看到的情况。Finneran说:“我们的剪切分析表明，如果管柱偏心，闸板将无法完全关闭。这使得流体通过了盲剪闸板，造成了盲剪闸板组件和井筒的严重侵蚀。”
Finneran说:“我们确定，在该井的井喷情况下，钻杆可能会在UA(上环空防喷器)和U-VBR(上可变径滑块)之间发生弯曲。DNV假设得到了偏心BSR剪切有限元模型的支持，该模型的结果与损坏的管段以及滑枕、井筒和回收钻杆之间的侵蚀损伤一致。
向前进
现在，FEA已被证明在帮助确定深水地平线失败的原因方面非常有用，Finneran希望看到它用于减少未来重新发生此类事件的可能性。
Finneran指出仍然克服一个挑战，虽然 - 不完整的原材料数据。由于深水BOP堆栈中使用的实际材料的一些物质损伤参数不可用，因此他和他的团队必须通过分析中的已知值替代等效材料。
他说:“整个行业将受益于开发特定材料的数据，这可以帮助他们进一步微调设计的FEA。”“这有助于开发模型，验证现有和未来bsr在高压井喷条件下剪切钻杆的能力。考虑到适当的材料数据，这种数值模型绝对有能力评估井喷事件中可能出现的极端压力和条件。”
DNV的报告向石油行业提出了许多建议，包括进一步研究以确定后备系统的有效性和ROV的有效性，以及额外的有限元建模，以更全面地了解井喷情况下的屈曲应力和流体动力学。
Finneran指出:“业内正在考虑几种替代方案，如将冗余bsr作为二次备份，以及寻求在任何情况下都能切割和密封的更强大的设计。”
Finneran说:“FEA可以将真实世界的数据整合到高度精确的预测模型中。“只要有了正确的材料数据、流体流动特性和井下压力，我们就可以模拟出在这些条件下会发生什么，从而使设计能够在井喷情况下发挥作用。”
达索系统公司股价
www.3ds.com
了下:设计世界文章，有限元分析软件，模拟，软件
告诉我们你的想法!