深水鉆井防噴器系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)研究

任鋼峰，王定亞，毋永鋒，牛 敏，李毅平，辛小剛

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞721002）

深水鉆井防噴器系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)研究

任鋼峰1，2，王定亞1，2，毋永鋒1，牛 敏1，李毅平1，辛小剛1

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞721002）

深水鉆井防噴器系統(tǒng)在保障海上油氣作業(yè)安全，保護(hù)海洋環(huán)境和人身安全中起著關(guān)鍵作用。目前，國(guó)內(nèi)深水鉆井防噴器系統(tǒng)研制正在起步階段，為了能提高國(guó)產(chǎn)深水鉆井防噴器系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)水平，在介紹深水鉆井防噴器系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備的國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)典型深水防噴器系統(tǒng)中深水BOP組和控制單元的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行了研究。分析了深水防噴器系統(tǒng)中其關(guān)鍵設(shè)備的主要特征，并對(duì)其組成和功能進(jìn)行了說(shuō)明。結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，提出了深水鉆井防噴器系統(tǒng)研究建議。

深水；防噴器；關(guān)鍵技術(shù)；水下控制器

深水鉆井防噴器系統(tǒng)（The deepwater drilling BOP system）作為海洋水下最為關(guān)鍵的井控設(shè)備，不僅在深水鉆井和完井作業(yè)中發(fā)揮著重要作用，而且更重要的是該裝備關(guān)系著海洋鉆井裝備，海洋環(huán)境和人身安全等。自2010-04美國(guó)墨西哥灣發(fā)生井噴事故后，美國(guó)及其他相關(guān)國(guó)家均對(duì)該類(lèi)設(shè)備提出了更加苛刻的要求。美國(guó)墨西哥灣發(fā)生井噴事故也證明了以前開(kāi)發(fā)的深水防噴器系統(tǒng)還存在著問(wèn)題，系統(tǒng)安全可靠性還需提高。目前國(guó)外幾家水下防噴器系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造公司正對(duì)深水防噴器系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行分析和改進(jìn)，已取得了一些進(jìn)展。

我國(guó)石油開(kāi)發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)向深海。深海鉆井防噴器系統(tǒng)作為海洋油氣開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵裝備之一，需求越來(lái)越大。目前，國(guó)內(nèi)平臺(tái)所配套的深水鉆井防噴器系統(tǒng)全為國(guó)外公司所掌控，嚴(yán)重制約了我國(guó)海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)。因此，深入研究水下防噴器系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)并合理選擇其系統(tǒng)配套方式對(duì)于國(guó)內(nèi)深水防噴器系統(tǒng)建造很有意義。

1 深水鉆井防噴器系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀

鉆井防噴器從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從陸地到海洋，從淺海到深海已經(jīng)歷了上百年的發(fā)展過(guò)程。當(dāng)前，就鉆井防噴器技術(shù)而言，具備陸地和淺海等技術(shù)開(kāi)發(fā)能力的國(guó)家和單位較多，但具備深水、特別是深水水下井口井控設(shè)備開(kāi)發(fā)能力的企業(yè)卻為數(shù)甚少。截止目前，完全具備性能可靠、配套齊全的深水防噴器開(kāi)發(fā)制造能力的供應(yīng)商主要包括NOV、CAMERON和GE等幾家公司，且長(zhǎng)期以來(lái)在世界上處于壟斷地位。我國(guó)自20世紀(jì)60～70年代開(kāi)始陸地井口井控裝備研制工作，發(fā)展規(guī)模較大的企業(yè)主要包括寶石機(jī)械公司、華北榮盛公司、上海神開(kāi)公司等幾家單位。近10多年來(lái)，圍繞海洋技術(shù)領(lǐng)域，我國(guó)先后在固定式、自升式等平臺(tái)開(kāi)發(fā)配套了部分井口井控裝備，但也僅限于平臺(tái)臺(tái)面，仍未涉足水下。直到“十一五”以來(lái)，由于我國(guó)加大了深水海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)投資力度，國(guó)內(nèi)寶石機(jī)械公司、華北榮盛公司及有關(guān)高等院校等才開(kāi)始著手水下井口井控裝備的研究工作，并開(kāi)發(fā)試制了水下井口裝置、水下防噴器等部分單元裝備，但由于多方面條件限制，至今還未能投入工業(yè)性試驗(yàn)。

深水鉆井防噴器系統(tǒng)主要包括防噴器組和控制單元，國(guó)外深水鉆井防噴器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造都采用美標(biāo)，同樣國(guó)內(nèi)深水鉆井防噴器系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造也采用美標(biāo)［1］，主要包括API 6A／ISO 10423—2003井口裝置和采油樹(shù)設(shè)備規(guī)范；API 16系列標(biāo)準(zhǔn)，ASME第8卷第1和2分冊(cè)鍋爐和壓力容器規(guī)范；NACE-MR0175／ISO 15156石油和天然氣工業(yè)－石油和天然氣生產(chǎn)中含硫化氫（H2S）環(huán)境下使用的材料；IEC國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)及近2 a來(lái)美國(guó)政府新提出的水下防噴器組設(shè)計(jì)新要求等。

2 深水鉆井防噴器組組成及功能

深水防噴器組體積龐大、質(zhì)量較重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。如圖1所示為典型深水鉆井防噴器組的主體結(jié)構(gòu)，通常由下部隔水管總成（LMRP系統(tǒng)）、中間連接器、下部防噴器組及防噴器組合框架等幾大部分組成。下部隔水管總成的功能主要用來(lái)連接上部鉆井隔水管和下部防噴器組，下部隔水管總成內(nèi)部主要設(shè)備包括撓性接頭和2套環(huán)形防噴器，撓性接頭主要用于改善和減輕隔水管串受海流作用時(shí)附加給水下防噴器等的側(cè)向彎扭應(yīng)力，并保證防噴器、隔水管等在平臺(tái)偏移情況下設(shè)備的有效連接；2套環(huán)形防噴器，即：上部環(huán)形防噴器和下部環(huán)形防噴器用于過(guò)鉆桿、套管接箍時(shí)井口環(huán)空的封閉，與陸地防噴器組配套環(huán)形防噴器方式相比較，水下防噴器之所以配套2組環(huán)形防噴器的主要目的是為了安全可靠。中間連接器用于下部隔水管總成與下部防噴器組之間的連接，并保證緊急情況下下部隔水管總成可以隨鉆井隔水管的安全撤離。下部防噴器組上連中間連接器，下連水下井口連接器，中間是閘板防噴器組，主要用途是如遇井噴或其他緊急事件時(shí)可及時(shí)剪斷鉆桿（或套管）并封閉井口，該部分典型結(jié)構(gòu)主要包括3個(gè)雙閘板防噴器［2-3］，即上部閘板防噴器、中部閘板防噴器和下部閘板防噴器，3套雙閘板防噴器共形成六個(gè)閘板腔；6個(gè)閘板腔中從上到下分別安裝1個(gè)套管剪切閘板，1個(gè)鉆桿剪切閘板，1個(gè)127 mm（5英寸）管子閘板，2個(gè)變徑閘板（或1個(gè)127 mm（5英寸）管子閘板和1個(gè)變徑閘板）和1個(gè)測(cè)試閘板。防噴器組合框架分上、下2體，主要用于防噴器組的整體安裝吊裝及管線、ROV操作面板等輔助系統(tǒng)的安裝。

圖1 深水防噴器組單元

對(duì)于目前國(guó)內(nèi)配套的水下防噴器組，基本配置能滿足功能要求，但配套時(shí)往往忽視防噴器組和閥等設(shè)備通道中堆焊的材料，材料應(yīng)防H2S和CO2腐蝕，目前美國(guó)幾家公司堆焊的通道材料可以防H2S的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到25%，CO2的體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到15%。配套防噴器組時(shí)還要考慮H2S和CO2對(duì)橡膠材料的影響，海水對(duì)水下防噴器組的腐蝕影響。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的防噴器組和閥等設(shè)備，通道堆焊防高體積分?jǐn)?shù)H2S的材料技術(shù)還不成熟，還需進(jìn)一步研究。

3 深水鉆井防噴器控制系統(tǒng)組成及功能［4-6］

深水鉆井防噴器控制系統(tǒng)是具有集電液氣一體化設(shè)計(jì)功能的多項(xiàng)控制技術(shù)的組合，不僅控制點(diǎn)多、系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，而且要求系統(tǒng)可靠性高、控制元件靈敏快捷，如圖2所示。水下防噴器控制系統(tǒng)從位置上分為水上控制設(shè)備和水下控制設(shè)備，水上控制設(shè)備主要包括1套液壓動(dòng)力單元（HPU）、1套遠(yuǎn)程控制設(shè)備、不間斷動(dòng)力供給單元（UPS）、2套動(dòng)力和通信分配柜、2臺(tái)臍帶纜盤(pán)管裝置及臍帶纜、1臺(tái)管線盤(pán)管裝置、1套水上測(cè)試系統(tǒng)等。水下控制設(shè)備主要包括2套水下控制器（POD）、1套水下儲(chǔ)能器、1套液壓緊急恢復(fù)系統(tǒng)、1套聲控兩位輔助系統(tǒng)。

圖2 深水鉆井防噴器控制系統(tǒng)構(gòu)成框圖

3.1 水上控制設(shè)備單元

水上控制設(shè)備中的液壓動(dòng)力單元（HPU）用于操作水下防噴器組和LMRP，主要包括液壓動(dòng)力包（HPP）、儲(chǔ)能器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵系統(tǒng)、液體過(guò)濾系統(tǒng)、流量計(jì)、閥總成、HPU控制系統(tǒng)、分流器控制系統(tǒng)、已二醇和潤(rùn)滑混合系統(tǒng)、混合單元控制面板。對(duì)于深水使用的液壓動(dòng)力單元，系統(tǒng)液體壓力一般為35 MPa（5 000 psi），液體的容積、泵和閥等選取滿足API16D的規(guī)范要求，但實(shí)際上選取已超越API16D的規(guī)范。同時(shí)所使用的控制液也有較嚴(yán)格的規(guī)范。

水上控制設(shè)備中的遠(yuǎn)控設(shè)備包括電控鉆井控制面板，推壓式操作控制面板，中心控制臺(tái)（CCC）和工程工作站（EWS）。電控鉆井控制面板放置在鉆井司鉆房中，由司鉆來(lái)控制。推壓式操作控制面板安裝在平臺(tái)（或船）的辦公室中心安全區(qū)域，一般用于緊急操作。中心控制臺(tái)安裝在1個(gè)定制臺(tái)上，放在溫度可控的安全區(qū)域內(nèi)，中心控制系統(tǒng)主要提供模塊冗余信息通信平臺(tái)，以控制和監(jiān)視海下控制器，這個(gè)系統(tǒng)使用1個(gè)主底盤(pán)，包含2個(gè)主處理器、雙動(dòng)力源供給、信息通信模塊、模擬器和數(shù)據(jù)I／O模塊。工程工作站和中心控制臺(tái)放在同一位置，主要為防噴器組位置和報(bào)警／故障記錄功能提供操作接口。

不間斷動(dòng)力供給單元（UPS）提供電動(dòng)力滿足所有電控單元設(shè)備，在總電力系統(tǒng)故障下，不間斷動(dòng)力供給單元必須延續(xù)保證2 h使用（API規(guī)范要求），通過(guò)多相電纜連接到動(dòng)力和通信分配柜，動(dòng)力和通信分配柜由A柜和B柜組成，2臺(tái)柜分別分配不間斷動(dòng)力供給單元提供的電動(dòng)力到水下裝備，動(dòng)力和通信分配柜中的通信板分配通信信號(hào)到每臺(tái)水下控制器，在控制中動(dòng)力和通信分配柜、不間斷動(dòng)力供給單元和臍帶纜3者結(jié)合，能很好地完成系統(tǒng)中的動(dòng)力和通信分配。

2臺(tái)臍帶纜盤(pán)管裝置及臍帶纜，臍帶纜盤(pán)管裝置用于纏繞和自張緊臍帶纜，采用氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，臍帶纜用于傳輸介質(zhì)，傳輸動(dòng)力和通信信息。1臺(tái)管線盤(pán)管裝置用于纏繞和自張緊為水下提供液相的軟性管，也是采用氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，并帶有盤(pán)剎和手動(dòng)超載制止自動(dòng)剎車(chē)系統(tǒng)。

水上測(cè)試系統(tǒng)包括1套POD測(cè)試裝置，高壓測(cè)試單元和防噴器測(cè)試箱。POD測(cè)試裝置提供了機(jī)械、液壓、電子、通信和操作接口到水下控制器，提供了測(cè)試閥和測(cè)試儀器等，測(cè)試裝置對(duì)環(huán)境要求高，安裝設(shè)計(jì)在1安全區(qū)域位置，并且適合在IP-55環(huán)境中。高壓測(cè)試單元要求最大測(cè)試壓力在140 MPa以上，帶有遠(yuǎn)距離控制臺(tái)，組成包括三缸泵、水醇液儲(chǔ)存器、防爆電機(jī)啟動(dòng)器、圖表記錄、高壓閥、量程壓力表、交換器等。控制系統(tǒng)中還包括輪式電纜滑輪、軟管滑輪、軟管管夾、液相供給軟管、Hot管匯、隔水管斜度傳感器、儲(chǔ)能器填充工具等裝置和其他輔助工具等。

3.2 水下控制設(shè)備單元

水下控制設(shè)備中的水下控制器（POD）單元是防噴器水下控制核心，由2套POD（黃色和藍(lán)色）組成，安裝在LMRP上，每套POD獨(dú)立操作，一用一備，也有公司為水上備1套POD，單個(gè)POD如圖3所示，每套POD控制對(duì)象達(dá)到120多個(gè)。POD構(gòu)造需滿足高可靠性、易服務(wù)和易維護(hù)，它包括水下電子儀器總成（SEA）、電-液控制總成（E-H）和液控總成3部分。例如CAMERON水下控制器（POD），它由多相控制單元（MUX）和模塊控制器（MOD）組成，兩者之間互相連接形成1個(gè)系統(tǒng)去控制水下防噴器各項(xiàng)功能，MUX包括水下電模塊（SEM）、電磁閥模塊、傳感器模塊和封閉電池模塊，MOD包括了各種閥、調(diào)節(jié)器、液壓部件和接口部件等，水下儲(chǔ)能器為MOD壓力調(diào)節(jié)閥提供導(dǎo)向壓力［6］。

圖3 2種水下防噴器控制器（POD）

水下控制設(shè)備中的液壓緊急恢復(fù)系統(tǒng)（EHBS），平常稱(chēng)為1個(gè)休克系統(tǒng)，是1個(gè)獨(dú)立的液壓控制器，固定在防噴器組上，如果防噴器組控制系統(tǒng)故障、臍帶纜斷開(kāi)或是其他突發(fā)事件，它就自動(dòng)執(zhí)行開(kāi)關(guān)功能，液壓緊急恢復(fù)系統(tǒng)自帶液動(dòng)力，來(lái)自固定在防噴器組上的恢復(fù)系統(tǒng)儲(chǔ)能器和剪切儲(chǔ)能器，液壓緊急恢復(fù)系統(tǒng)操作由儲(chǔ)能器提供導(dǎo)向信號(hào)壓力，剪切操作動(dòng)力由剪切儲(chǔ)能器提供，此系統(tǒng)屬于備用，一般在工作中不使用，但必須在安裝前做試驗(yàn)。

水下儲(chǔ)能器是一種動(dòng)力源，其設(shè)計(jì)配套很關(guān)鍵，墨西哥灣井噴事故后，專(zhuān)家分析，其中1個(gè)原因就是水下儲(chǔ)能器設(shè)計(jì)和配套不合理，目前CAMERON公司正在和儲(chǔ)能器廠家合作改進(jìn)水下儲(chǔ)能器結(jié)構(gòu)，此設(shè)計(jì)的水下儲(chǔ)能器充分利用水下壓力，能夠提供足夠大的能量，滿足控制系統(tǒng)需求，產(chǎn)品正在試驗(yàn)中。

聲控兩位備用系統(tǒng)既屬于水上設(shè)備，也屬于水下設(shè)備，它為水下防噴器組提供了特定關(guān)閉功能，系統(tǒng)由水上和水下2部分組成，水上是發(fā)射指令設(shè)備，水下是接受指令和執(zhí)行設(shè)備。目前所有深水防噴器系統(tǒng)都是采用Kongsberg ACS系統(tǒng)，一般對(duì)深水BOP組功能的控制對(duì)象是由客戶(hù)認(rèn)可。

4 結(jié)論

1） 深水鉆井防噴器系統(tǒng)關(guān)系到海洋鉆井的安全，技術(shù)要求更高。對(duì)于其中的防噴器組，應(yīng)選擇更為先進(jìn)的閘板防噴器，要求更加安全可靠。目前陸地上新的閘板防噴器結(jié)構(gòu)比較多，但要用于深水，必須選擇通過(guò)深水試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)的防噴器，并且要選擇合適的防噴器通道材料。

2） 對(duì)于深水鉆井防噴器系統(tǒng)中的控制單元，采用模塊化集成，要求有高度冗余。對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)要全面分析，并且要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，制定多種應(yīng)急預(yù)案。

3） 現(xiàn)國(guó)內(nèi)已具有設(shè)計(jì)制造深水防噴器組和控制系統(tǒng)的能力，但還沒(méi)有把整個(gè)防噴器系統(tǒng)集成為安全可靠的產(chǎn)品。建議國(guó)內(nèi)的研究單位大力開(kāi)展深水防噴器組和控制系統(tǒng)及整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究，包括理論分析與研究、標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一制定，現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)配置反饋信息的收集、整理等。

［1］ API 6A，SPECIFICATION FOR WELLHED AND CHRISTMAS TREE EQUIPMENT［S］.2004.

［2］ 王存新.深水鉆井水下防噴器組配置選型研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（2）：72-75.

［3］ Shaughnessy J M，Armagost W K.Problems of Ultradeepwater Drilling［R］.SPE52782，1999.

［4］ 蘇山林.防噴器控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)的探討［J］.勝利油田職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，19（3）：45-46.

［5］ Jerry Tomlin.Blowout Preventer Control System：US，6032742［P］.2000-05-07.

［6］ 李博.深水防噴器組控制系統(tǒng)發(fā)展［J］.流體傳動(dòng)與控制，2008，29（4）：39-41.

Research on Key Equipments of Deepwater Drilling BOP System

REN Gang-feng1，2，WANG Ding-ya1，2，WU Yong-feng1，NIU Ming1，LI Yi-ping1，XING Xiao-gang1
（1.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China；2.National Oil&Gas Drilling Equipment Research Center，Baoji 721002，China）

The deepwater drilling BOP system plays a key role in oil and gas operation security，protecting the marine environment and personal safety.At present，The development of deepwater drilling BOP system in domestic is at the early stage，in order to improve the technical level of the key equipments in deepwater drilling BOP system made in our country，The present technical status of the deepwater BOP system used in marine drilling riser at home and abroad are introduced at the beginning，The key equipments of the BOP stack and control units of deepwater BOP system are researched especially.The main characteristics of the key equipments in deepwater BOP system are analyzed，and their compositions and functions are illustrated.Finally，combined with domestic actual situations，the suggestions of research on deepwater BOP System were given.

deep water；blowout preventer；key technology；subsea POD

TE951

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.022

1001-3482（2014）12-0095-04

2014-06-13

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“深水海洋鉆井隔水管系統(tǒng)工程化研制”課題研究部分內(nèi)容（2013AA09A222）

任鋼峰（1978-），男，陜西富平人，工程師，2003年畢業(yè)于西安理工大學(xué)，主要從事石油鉆井機(jī)械研究，E-mail：rgf90001＠126.com.