通过莱斯利Langnau，总编辑
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升起了BOP堆叠，并将其交付给那里的临时外壳进行调查。
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队在NASA在新奥尔良的MICHOD设施中组建了一系列业务。干预船Q-4000升起了BOP堆叠，并将其交付给那里的临时外壳进行调查。
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然后使用激光扫描构造的损坏设备的3D CAD型号，尤其是在BSR的面积，盲剪压锤，这是唯一的羊排，设计用于切割钻杆并密封井钻孔。
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bop堆栈坐在井口上方的海底。它的两半像六层建筑一样高，重量超过400吨。名为较低的海洋提升板（LMRP）的上半部分包含两个电子控制荚，以及一对称为上环形防护装置的甜甜圈形密封装置。预防器密封在钻杆周围并调节向上流体流动。
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。
它是怎么发生的
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。
当在ROV干预期间发生盲剪RAM的激活时，在BOP堆叠顶部的钻杆周围已经密封了环形预防。可变孔隙Rams在其下半部分开。管道应该在井孔的中心，这是盲剪RAM期望它的位置。然而，来自钻杆的回收部分上标记的物理证据表明管道在井筒的一侧代替。
来自Det Norske Veritas（U.S.A.），Inc。（DNV）的工程师被提出来确定BOP堆栈的性能和可能的故障模式。在调查中，团队开始屈曲分析，以确定必要的负载是将钻杆移动到壳体边缘的内容。FEA模型表明，施加的压力已经足以迫使其退出位置。
从那里，工程团队需要确定管道是否有剪切，它已经处于正确的位置，并且需要哪些力来剪切它。使用剪切损伤参数，与材料的已知弹性和强度值结合，FEA数据验证了在中心负载条件下剪切管道所需的估计压力。该分析表明，通过管道偏离中心，将防止RAM完全闭合。这允许通过盲剪边缘流动并导致盲剪压锤组件和井筒的显着侵蚀，导致未能密封管道。
DNV工程师假设原因：其中一个管道的工具接头位于上部环形预防底部，在钻杆上封闭。当向上压力变得足够高，由于井喷引起的力，管道无处可去，向上的力（钻杆上的压缩力）导致钻管扣 - 将管子推到井筒的一侧。盲剪RAM试图切断管道偏离中心，不成功。这种卡在柱塞块之间的一部分钻管，防止了柱塞完全关闭和密封井筒。
FEA支持“为什么”的理论
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。FEA模型表明，施加的压力已经足以迫使其退出位置。
从那里，有必要确定另外两件事：管道是否剪切，它已经处于正确的位置，并且需要哪些力量剪切中心？FEA模型提供了洞察力。
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。”
“我们确定，在这井的吹出条件下，钻管可以在UA（上环形预防）和U-VBR（上变孔RAM）之间扣，”Finneran说。DNV假设由其偏心BSR剪切FEA模型支持，这提供了与那些损坏的管道段一致的结果，以及RAM，井筒和回收钻管之间看到的侵蚀损坏。
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。”
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