國內(nèi)外深水防噴器控制系統(tǒng)的發(fā)展

吳國輝，許宏奇，陳艷東，劉立兵，王建偉

（河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北　任丘062552）①

國內(nèi)外深水防噴器控制系統(tǒng)的發(fā)展

吳國輝，許宏奇，陳艷東，劉立兵，王建偉

（河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北任丘062552）①

深水防噴器及控制系統(tǒng)是保證深水鉆井作業(yè)安全的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是控制井口壓力，保證人員、設(shè)備安全，避免海洋環(huán)境污染和油氣資源破壞。由于深水鉆井的搶險(xiǎn)、逃生和救援極為困難，因此對深水防噴器組及控制系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性要求非常高。

近10 a來，在墨西哥灣深水開鉆的高壓高溫井，垂直深度超過9 144 m，儲(chǔ)層壓力達(dá)到140～175 MPa，溫度超過149℃；有時(shí)油井在泥水分界線的關(guān)閉壓力超過105 MPa。因此，國外井控設(shè)備生產(chǎn)廠家開始研制這種級別的防噴器。隨著這些防噴器逐步應(yīng)用于深水，防噴器控制系統(tǒng)也在進(jìn)行技術(shù)性能升級。

南海深水油氣資源勘探開發(fā)是我國能源發(fā)展的戰(zhàn)略，水下防噴器組及控制系統(tǒng)是深水油氣鉆井的關(guān)鍵裝備，相關(guān)技術(shù)一直被美國等廠商壟斷，國內(nèi)完全依賴進(jìn)口。為打破國外壟斷，擺脫關(guān)鍵裝備對進(jìn)口的依賴，2008-09，國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）正式立項(xiàng)“3000米深水防噴器組及控制系統(tǒng)的研制”課題。

1　Cameron公司新的三重冗余MarkIV型防噴器控制系統(tǒng)［1-2］

傳統(tǒng)的水下防噴器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有2個(gè)控制箱，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)控制箱失效，另一個(gè)作為備用。MarkⅣ型控制系統(tǒng)的第3個(gè)控制箱提供額外冗余，解決了因一個(gè)控制箱失效后需要提出防噴器組的問題，可以使控制系統(tǒng)的可用率達(dá)到98%，控制箱提出水面的可能性減少73%，如圖1所示。

為了在更小的空間簡化設(shè)計(jì)，增加可靠性和功能性，MarkⅣ型控制系統(tǒng)簡化設(shè)計(jì)每個(gè)控制箱的功能，成套設(shè)備更小、更輕。減少了50%的管路連接，降低了潛在的泄露；在控制箱增加冗余電磁先導(dǎo)調(diào)壓閥，使他們不再是一個(gè)失效單點(diǎn)。每個(gè)控制箱增加33%的可用功能（達(dá)到160個(gè)），可以同時(shí)控制8個(gè)防噴器。新的控制箱帶有壓力補(bǔ)償蓄能器，可以自動(dòng)適應(yīng)水深。MarkⅣ型比原有系統(tǒng)體積小26%，比其他公司的控制箱質(zhì)量輕1／3。另外，提高了SPM（Sub Plate Mounted）閥和碳化鎢涂層小閥的可靠性，壓力補(bǔ)償調(diào)壓閥的先導(dǎo)蓄能器可以自適應(yīng)。MarkⅣ型控制系統(tǒng)符合API 16D／53，DNV Drill和ABS CDS標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1　Cameron三重冗余水下控制箱

2　NOV公司新一代清潔控制系統(tǒng)［3-4］

現(xiàn)有控制系統(tǒng)使用添加潤滑液和防腐劑的水基液壓液，在很多國家、地區(qū)認(rèn)為這種液壓液對環(huán)境是安全的，所以操作防噴器時(shí)液壓液可排放到海水里。為了保護(hù)環(huán)境，一些地區(qū)法規(guī)規(guī)定防噴器的液壓液要求被回收。NOV公司液壓液回收系統(tǒng)原理如圖2所示。

一些環(huán)形防噴器功能流量可達(dá)到850 L／min，相當(dāng)于背壓升高到28 MPa，液壓液回收到水面的回收泵體積非常大，并且損耗大量的液壓液；需要更加合理、體積更小的回收泵，則需要增加儲(chǔ)液罐數(shù)量。

在3 660 m水深時(shí)，回收泵流量大約為227 L／min。在返回管線上裝有欠壓和超壓保護(hù)裝置，保證回收泵有效和失效時(shí)系統(tǒng)完整。在緊急情況下，回收泵損壞時(shí)液壓液可排放到海里，防噴器可以正常工作。

電液復(fù)合控制系統(tǒng)啟動(dòng)液壓液回收系統(tǒng)，通過機(jī)械方式和先導(dǎo)閥觸發(fā)回收泵往復(fù)運(yùn)動(dòng)；回收泵往復(fù)運(yùn)動(dòng)不需要間斷的輸入或輸出信號。一旦儲(chǔ)液罐排空，回收泵停止工作，等待防噴器下一次動(dòng)作。使用的閥件與已使用20多a的閥件類型相同。

圖2　NOV公司的液壓液回收系統(tǒng)原理

3　GE公司深水先鋒140 MPa鉆井系統(tǒng)［5-6］

防噴器組是水下鉆井關(guān)鍵設(shè)備，用于鉆井過程中隔離油氣壓力的防噴器組高18 m左右，重幾百噸。目前，GE的水下防噴器組額定壓力只到105 MPa；為了滿足更深水域的油氣開發(fā)，GE公司設(shè)計(jì)研制出新的140 MPa防噴器組，如圖3所示。

圖3　GE公司的140 MPa防噴器系統(tǒng)

關(guān)鍵技術(shù)包括：

1） 升級GE閘板和環(huán)形防噴器，滿足特殊需求的高溫高壓儲(chǔ)層。

2） 基于原水力和電力控制系統(tǒng)開發(fā)的SeaONYXTM防噴器控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有最長無故障工作時(shí)間。

3） GE Sea LyticsTM防噴器顧問軟件。該軟件提供實(shí)時(shí)狀態(tài)和維修數(shù)據(jù)顯示，可以減少計(jì)劃外維修需求。

GE公司新的防噴器系統(tǒng)使用戶能夠開發(fā)105 MPa系統(tǒng)無法觸及的深水油田。新的防噴器系統(tǒng)利用GE最新的PredictivityTM通信軟件，可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)和性能。140 MPa防噴器組結(jié)合了很多GE在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)，SeaONYX TM和Sea LyticsTM軟件使水下工程用戶更加及時(shí)地做出決策。

4　Oceaneering公司52 MPa控制系統(tǒng)［7-8］

許多油田公司和鉆井承包商需要7個(gè)140 MPa閘板防噴器和2個(gè)環(huán)形防噴器裝備成套，為了控制這些水下防噴器組，現(xiàn)有控制系統(tǒng)必須升級和提高性能，控制箱的電磁閥和功能閥數(shù)量需要增加到120～130個(gè)。為了提高水下防噴器的性能，需要更大通徑、更大剪切力的閘板防噴器缸徑，需要更多的控制液和更高的系統(tǒng)壓力，為此開發(fā)出系統(tǒng)壓力52 MPa的控制系統(tǒng)。52 MPa電液復(fù)合控制系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

圖4　52 MPa電液復(fù)合控制系統(tǒng)工作流程

防噴器控制系統(tǒng)從水上供給到水下蓄能器組壓力提高到52 MPa。水上液壓動(dòng)力單元和蓄能器組供給分流器和其他水上設(shè)備，通過隔水管剛性管匯和熱線軟管分別提供52 MPa液壓液到隔水管總成平臺(tái)水下蓄能器組、冗余控制箱和防噴器組平臺(tái)應(yīng)急蓄能器組。液壓液通過調(diào)壓閥減壓到35 MPa供給控制箱管匯和下部防噴器組使用。

52 MPa控制系統(tǒng)可以滿足需要35 MPa剪切力的套管和鉆桿剪切閘板防噴器應(yīng)急系統(tǒng)的需求，而35 MPa控制系統(tǒng)則無法滿足。相對35 MPa系統(tǒng)而言，52 MPa系統(tǒng)儲(chǔ)存高壓液壓液的水上和水下蓄能器數(shù)量顯著減少。

52 MPa系統(tǒng)需要研制的關(guān)鍵元件包括：水上液壓動(dòng)力單元、各種規(guī)格調(diào)壓閥、SPM功能閥、單向閥、梭閥和隔離閥。通徑38 mm調(diào)壓閥（從52 MPa減壓到35 MPa）認(rèn)證測試已超過API要求，正在進(jìn)行壽命測試，如圖5所示。研制的新閥件證明新一代52 MPa防噴器控制系統(tǒng)控制140 MPa防噴器組是可行的。

圖5　Oceaneering通徑38 mm、壓力52 MPa調(diào)壓閥

5　國內(nèi)首套深水防噴器控制系統(tǒng)

河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司（以下簡稱榮盛公司）研制的水下防噴器組電液復(fù)合控制系統(tǒng)，集成了機(jī)械、液壓、電氣、自動(dòng)化、通信等多項(xiàng)技術(shù)，系統(tǒng)復(fù)雜龐大，技術(shù)要求高。為了保證安全可靠性，水下防噴器控制系統(tǒng)配備2套控制系統(tǒng)。其中一套為主控系統(tǒng)，另一套為二次井控系統(tǒng)［9］。主控系統(tǒng)采用模塊化冗余設(shè)計(jì)，最多可以控制112個(gè)控制對象。二次井控系統(tǒng)是在主控制系統(tǒng)失效情況下執(zhí)行關(guān)鍵功能操作，主要包括緊急脫開系統(tǒng)和水下應(yīng)急裝備等。

深水防噴器組控制系統(tǒng)液壓部分主要包括水上液壓動(dòng)力單元、水上蓄能器組、剛性管匯、熱線軟管絞車、水下控制箱和水下蓄能器組等，其中水下控制箱有2套互為備份，如圖6所示。水上液壓系統(tǒng)與水下控制箱通過剛性管連接，水下液壓插接可以快速脫斷，適合深水惡劣環(huán)境中使用，最大工作水深可達(dá)3 050 m。

圖6　榮盛公司水下控制箱樣機(jī)

深水防噴器組電控系統(tǒng)主要由水上電控系統(tǒng)、水下電控系統(tǒng)和連接水上、水下電控系統(tǒng)的傳輸光電纜組成。水上電控系統(tǒng)位于鉆井平臺(tái)上，主要包括中央控制單元、司鉆控制臺(tái)和隊(duì)長控制臺(tái)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、電力分配柜和電纜絞車等；水下電控系統(tǒng)位于海底藍(lán)黃控制箱的密封艙內(nèi)，包括藍(lán)箱水下電子模塊和黃箱水下電子模塊。電控系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1） 信號傳輸采用電光電模式，衰減小、抗干擾，穩(wěn)定性好。

2） 通訊網(wǎng)絡(luò)為雙冗余以太網(wǎng)，安全性好。

3） 主控系統(tǒng)采用三重冗余系統(tǒng)，具有表決冗余、失效安全以及容錯(cuò)的能力，安全性和可靠性高。

河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司完成了863計(jì)劃“3 000米深水防噴器組及控制系統(tǒng)的研制”重大課題的研究，申請國家專利17項(xiàng)，發(fā)表論文14篇［10］。2012-09-03，水下防噴器組及控制系統(tǒng)通過科技部組織的專家驗(yàn)收。在研究成果的基礎(chǔ)上，開展深水防噴器組及控制系統(tǒng)配套技術(shù)研究和試驗(yàn)技術(shù)研究，研制成套工程樣機(jī)。目前已經(jīng)完成水下控制箱優(yōu)化設(shè)計(jì)、聲吶控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)急液壓備用控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、閥件可靠性試驗(yàn)和系統(tǒng)故障診斷研究。

6　結(jié)論

1） 國內(nèi)、外制造商的主要差距在于深水防噴器控制系統(tǒng)閥件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測試能力以及經(jīng)驗(yàn)的積累。

2） 深水防噴器控制系統(tǒng)向著高系統(tǒng)壓力、三重冗余、高可靠性、智能化和清潔環(huán)保方向發(fā)展。

3） 國外深水防噴器控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用工程實(shí)踐多年，國內(nèi)深水防噴器控制系統(tǒng)已經(jīng)具備海洋工程化應(yīng)用水平，有望近期形成量產(chǎn)，投入海洋工程應(yīng)用。

［1］ Dominique A．New generation of deepwater BOP Stacks ［C］．Paris：Journees annuelles des hydrocarbures，2013．

［2］ OE Staff．Cameron introduces new subsea BOP control system［N］．OE Digital，2014．

［3］ Frank S，Dan F．New generation of subsea BOP equipment controls smaller，stronger，cleaner，smarter［J］．Drilling Contractor Magazine，2008（3／4）：96-102．

［4］ Frank B S，Eric T E．Subsea power fluid recovery systems：US8464525B2［P］．2013．

［5］ GE Oil＆Gas．GE announces introduction of pioneering “20Ksi”deepwaterdrillingSystems［N］．GE News，2014．

［6］ GE Oil＆Gas．SeaONYXSurface control system poweredbyMarkVIecontrol technology［N］．GEA30614 A，2013．

［7］ Earl S，Scott R，Harold D，et al．New generation control system for 20 ksi subsea BOP［R］．OTC23473，2012．

［8］ Earl S，Wesley P，Sean S，et al．Enhanced subsea safety critical systems［R］．OTC23480，2012．

［9］ 林瑤生，周守為，李浪清，等．“海洋石油981”深水半潛式鉆井平臺(tái)防噴器組與控制系統(tǒng)創(chuàng)新與實(shí)踐［J］．中國船舶，2013，54（增1）：267－275．

［10］ 許宏奇，侯國慶，陳艷東，等．“3000米深水防噴器組及控制系統(tǒng)的研制”科技報(bào)告［R］．北京：中國科學(xué)技術(shù)信息研究所（7387361882007AA09A101／01），2014．

Development of Deepwater BOP Control System at Home and Abroad

WU Guohui，XU Hongqi，CHEN Yandong，LIU Libing，WANG Jianwei （Rongsheng Machinery Manufacture Ltd．of Huabei Oilfield，Renqiu 062552，China）

First new development of major foreign manufacturers such as Cameron，NOV，GE and Oceaneering in deepwater BOP control system is introduced．Then new development of domestic manufacturers Rongsheng Machinery Manufacture Ltd．of Huabei Oilfield in deepwater Bop control system is introduced．Finally，it is pointed out that deepwater BOP control system is developed in the following orientations：high system pressure，three point of distribution，high reliability，intelligent and clean and environmental protection．

deep water；BOP；control system；development

1001-3482（2015）09-0001-04

①2015-02-13

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2013 AA09 A220）

吳國輝（1982），男，河北廊坊人，工程師，碩士，主要從事石油機(jī)械控制系統(tǒng)研究，Email：mnbxhui＠163．com。

①2015-03-19

國家自然科學(xué)基金“深水無隔水管鉆井渦動(dòng)對鉆柱動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究”項(xiàng)目資助（51405032）

鄢 標(biāo)（1989-），男，湖北仙桃人，碩士研究生，主要從事油氣裝備及井下工具的設(shè)計(jì)、診斷及動(dòng)態(tài)仿真研究，E-mail：yanbiao1989＠sina．cn。