深水防噴器組自動(dòng)剪切系統(tǒng)模擬分析

李 博，鄭德貴，郭江艷，李迅科

（1.中海油研究總院，北京100028；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司第六采油廠，西安710200）

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深水防噴器組自動(dòng)剪切系統(tǒng)模擬分析

李 博1，鄭德貴2，郭江艷1，李迅科1

（1.中海油研究總院，北京100028；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司第六采油廠，西安710200）

摘要：利用simulation X系統(tǒng)仿真軟件，對(duì)深水水下防噴器組自動(dòng)剪切系統(tǒng)進(jìn)行了建模及仿真分析。以南海某油氣田的深水防噴器組自動(dòng)剪切系統(tǒng)為例，利用其設(shè)備參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)反饋的數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，模擬了防噴器的水下蓄能器組部分失效時(shí)剪切閘板的封井過程，得到了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)封井所需的最少蓄能器配置。仿真結(jié)果對(duì)工程實(shí)際有重要意義。

關(guān)鍵詞：深水；防噴器；二次井控；模擬

當(dāng)防噴器組主控制系統(tǒng)部分或者完全失效時(shí)，需要有輔助以及備用的控制系統(tǒng)來完成防噴器組的操作，這個(gè)操作過程稱為二次井控［1］。二次井控系統(tǒng)是深水防噴器主控系統(tǒng)失效后的最后1道安全防線，其可靠性是深水鉆井作業(yè)的生命線［2］。2010-04-20發(fā)生的墨西哥灣深水地平線漏油事故中，防噴器組的緊急脫開系統(tǒng)在鉆井平臺(tái)發(fā)生爆炸后，沒有能夠執(zhí)行剪斷鉆桿封閉井口的功能，導(dǎo)致原油大量泄漏［3-4］。

本文研究的目的是要分析自動(dòng)剪切系統(tǒng)在防噴器組發(fā)生意外情況時(shí)是否能夠完成封井動(dòng)作。以南海某油氣田的深水防噴器組為例，并考慮極端工況——水下蓄能器組部分失效時(shí)自動(dòng)剪切功能的執(zhí)行情況，仿真結(jié)果對(duì)于工程實(shí)際有重要參考價(jià)值。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

自動(dòng)剪切系統(tǒng)是二次井控系統(tǒng)的重要組成部分，其運(yùn)行模式為：整個(gè)系統(tǒng)先處于待命模式，可以通過平臺(tái)上的手動(dòng)操作，或者通過R O V在防噴器組固定到井口上后將其啟動(dòng)。自動(dòng)剪切系統(tǒng)的觸發(fā)裝置是1個(gè)有壓縮彈簧驅(qū)動(dòng)的機(jī)械操作式的接近開關(guān)（如圖1所示），安裝在防噴器組的頂部LMRP下部。當(dāng)LMRP處于正常工作位置時(shí)，其處于不激活的狀態(tài)；當(dāng)LMRP脫開時(shí)，彈簧力將其打開，自動(dòng)剪切系統(tǒng)被激活，然后該系統(tǒng)的專用蓄能器內(nèi)的高壓動(dòng)力液就會(huì)直接作用到剪切閘板防噴器的液壓缸上，將剪切閘板防噴器關(guān)閉［5］。自動(dòng)剪切系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

圖1　LMRP接近開關(guān)

圖2　自動(dòng)剪切系統(tǒng)原理

自動(dòng)剪切系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了當(dāng)LMRP與BOP組分離后，關(guān)閉盲板剪切閘板以密封井眼。根據(jù)南海某鉆井平臺(tái)操作手冊(cè)，該平臺(tái)的自動(dòng)剪切系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)3 747.5 L（990 U Sgal）的蓄能器關(guān)閉剪切閘板。

鉆桿剪切可以分為剪切閘板運(yùn)動(dòng)、鉆桿受到擠壓（剪切力增大至突然下降）、鉆桿錯(cuò)斷成形3個(gè)過程［6］，如圖3所示。

圖3　剪切鉆桿過程示意

2 深水防噴器組自動(dòng)剪切系統(tǒng)建模

2.1 仿真軟件

本文采用系統(tǒng)仿真軟件simulation X進(jìn)行模擬分析，該軟件應(yīng)用于海洋及近海工程并經(jīng)過了大量工程實(shí)踐驗(yàn)證，可以進(jìn)行防噴器組液壓控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，也可對(duì)防噴器組蓄能器的配置進(jìn)行分析［7-8］。

2.2 仿真模型

水下防噴器環(huán)空存在壓井液或井內(nèi)溢出液，同時(shí)其處于海底還受到海水靜液壓力的作用。因此，在實(shí)際使用中，這2個(gè)壓力真實(shí)存在且不能忽略［9-10］。剪切防噴器受力分析如圖4所示。

圖4　剪切防噴器受力分析

剪切閘板（BS R）剪斷鉆桿的過程中閘板受力是變化的（如圖5），可以看出：鉆桿受到擠壓發(fā)生彈性變形（第3幀）；剪切力逐漸增大，鉆桿發(fā)生塑性變形，達(dá)到鉆桿極限強(qiáng)度后（第14幀），刀刃開始剪切和穿過鉆桿，此時(shí)剪切力最大；隨著剪切的進(jìn)行，剪切刀具迫使鉆桿錯(cuò)斷、成形，應(yīng)力也隨之降低（第19幀）。根據(jù)鉆桿剪切的力學(xué)性能特點(diǎn)，可以將剪切閘板的運(yùn)動(dòng)過程分為4個(gè)階段：①閘板移動(dòng)到鉆桿；②閘板擠壓鉆桿；③閘板剪切鉆桿；④閘板剪斷鉆桿。4個(gè)階段剪切閘板位移和活塞桿腔內(nèi)液壓力情況如圖6所示。

圖5　鉆桿剪切過程受力分析

圖6　剪切閘板受力曲線

圖7是simulation X軟件中建立的剪切閘板仿真模型。閘板運(yùn)動(dòng)過程由圖6定義，在模型中通過1個(gè)位移傳感器組成閉環(huán)系統(tǒng)，模擬剪切閘板從開始運(yùn)動(dòng)到剪斷鉆桿全過程的受力變化。

剪切閘板的驅(qū)動(dòng)力來自水面下蓄能器組提供的高壓油液。蓄能器組的安全性是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，即當(dāng)蓄能器組中的部分蓄能器失效或發(fā)生油液泄露時(shí)，剪切閘板是否還能夠執(zhí)行完成剪斷鉆桿的功能。仿真過程中，通過減小蓄能器組的有效容積模擬蓄能器的失效，從而可以得到執(zhí)行任務(wù)所需最小蓄能器組的有效容積。圖8是水下蓄能器組、臍帶纜和水面動(dòng)力源的仿真模型。

圖7　剪切閘板仿真模型

圖8　水下蓄能器組、臍帶纜和水面動(dòng)力源仿真模型

蓄能器組釋放高壓油液后需要一個(gè)補(bǔ)液過程，再次達(dá)到系統(tǒng)預(yù)設(shè)的工作壓力。水下蓄能器組的補(bǔ)液是由水面動(dòng)力源提供的高壓油液，通過臍帶纜中的液壓管線輸送至水下蓄能器。臍帶纜中高壓油液的沿程壓力損失采用有限體積法計(jì)算。

3 仿真分析

3.1 關(guān)閉剪切閘板

此工況中模擬自動(dòng)剪切程序被激活后，在水下蓄能器提供的高壓動(dòng)力液作用下，剪切閘板開始關(guān)閉并剪切149.2mm（58英寸）鉆桿，直至鉆桿被剪斷，井口完全封閉，仿真目的是檢驗(yàn)所建立的仿真模型是否能夠如實(shí)地模擬關(guān)閉過程。

在1 500 m水深和BOP內(nèi)10.3MPa（1 500 psi）的壓力下，關(guān)閉和剪切鉆桿時(shí)，BS R執(zhí)行器1的行程與剪切閘板（BS R）開啟腔和關(guān)閉腔的壓力如圖9～10所示。執(zhí)行器在2 s開始關(guān)閉，在11.4 s刀口到達(dá)鉆桿，壓力增加直到足夠抱住鉆桿；在16 s，刀口開始剪切鉆桿，在17.7 s剪斷鉆桿。

圖9　BSR執(zhí)行器1關(guān)閉腔和開啟腔壓力

圖10　BSR執(zhí)行器1行程

BS R執(zhí)行器2的行程與開啟腔和關(guān)閉腔壓力如圖11～12所示。執(zhí)行器在2 s開始關(guān)閉，在10 s刀口到達(dá)鉆桿，行程停止直到11.4 s，此時(shí)執(zhí)行器1到達(dá)鉆桿。然后壓力隨著執(zhí)行器1平行的增加，2個(gè)執(zhí)行器在16 s開始剪切鉆桿。執(zhí)行器1在17.7 s通過管壁，此時(shí)執(zhí)行器2停止，直到執(zhí)行器1到達(dá)行程末端停止和壓力再一次增加。在19.1 s執(zhí)行器2通過鉆桿并快速移動(dòng)到行程末端停止。

圖11　BSR執(zhí)行器2關(guān)閉腔和開啟腔壓力

圖12　BSR執(zhí)行器2行程

自動(dòng)剪切蓄能器共9個(gè)，總?cè)莘e3 747.5 L（990 U Sgal），在地面預(yù)充氣體到20.7MPa（3 000 psi），在水底工作壓力34.5MPa（5 000 psi）＋靜壓差。蓄能器可用的容積是1 755.7 L（463.8 U Sgal）。剪切之后，體積下降到1 627.7 L（430.1 U Sgal），壓力最小值是42.1MPa（6 111 psi），如圖13所示。

圖13　蓄能器壓力和容積曲線

3.2 減少蓄能器容積關(guān)閉剪切閘板

仿真這種情況是為了找出最少保留幾個(gè)蓄能器的情況下系統(tǒng)仍能剪切鉆桿。設(shè)置了9個(gè)蓄能器中只有3個(gè)正常工作，總的可用蓄能器容積是1 249.1 L（330 U Sgal）。

執(zhí)行器1在2 s開始關(guān)閉。在12.2 s刀口到達(dá)鉆桿，壓力增加直到足夠抱住鉆桿。在19.4 s，執(zhí)行器1的刀口開始剪切鉆桿，在24.3 s通過鉆桿。執(zhí)行器2在10.6 s刀口到達(dá)鉆桿，行程停止直到12.2 s，此時(shí)執(zhí)行器1到達(dá)鉆桿。然后壓力隨著執(zhí)行器1平行地增加，2個(gè)執(zhí)行器在19.4s開始剪切鉆桿。執(zhí)行器1在24.3 s通過管壁，此時(shí)執(zhí)行器2停止，直到執(zhí)行器1到達(dá)行程末端停止和壓力再一次增加。在27.4 s執(zhí)行器2通過鉆桿并快速移動(dòng)到行程末端停止。

圖14　BSR執(zhí)行器1和2的行程

圖15　3個(gè)蓄能器工作時(shí)的壓力和容積變化

蓄能器總?cè)莘e1 249.1 L（330 U Sgal），在地面預(yù)充氣體到20.7MPa（3 000 psi），在海底工作壓力34.5MPa（5 000 psi）＋靜壓差。蓄能器可用的容積是634.8 L（167.7 U Sgal）。剪切之后，容積下降到506.5 L（133.8 U Sgal），壓力最小值是30.4MPa （4 413 psi），如圖15所示。

若只有2個(gè)蓄能器能夠正常工作，剪切閘板執(zhí)行剪切動(dòng)作失敗，鉆桿未被剪斷，BS R執(zhí)行器的行程如圖16所示。

自動(dòng)剪切蓄能器總?cè)莘e832.7 L（220 U Sgal），在地面預(yù)充氣體到20.7MPa（3 000 psi），在海底工作壓力34.5MPa（5 000 psi）＋靜壓差，蓄能器可用的容積是424.3 L（112.1 U Sgal）。仿真結(jié)束時(shí)，剩余容積331.6 L（87.6 U Sgal），剪切停止時(shí)壓力是29.4MPa（4 271 psi），如圖17所示。

圖16　BSR執(zhí)行器1和2的行程

圖17　2個(gè)蓄能器工作時(shí)的壓力和容積變化

4 結(jié)論

1） 建立了水下防噴器組剪切閘板的仿真模型，在二次井控系統(tǒng)中，剪切閘板關(guān)閉程序被激活后，由水下蓄能器組提供高壓動(dòng)力液驅(qū)動(dòng)閘板剪斷鉆桿，封閉井口。

2） simulation X系統(tǒng)軟件仿真結(jié)果表明，所建立的模型如實(shí)地模擬了剪切和封井的過程。通過仿真還可以模擬在某些極端工況下（如蓄能器組部分失效時(shí)）剪切閘板的動(dòng)作過程。

3） 以南海某油氣田的深水防噴器組為例，原有9個(gè)水下蓄能器，在最少保留3個(gè)蓄能器正常工作的極端條件下，二次井控系統(tǒng)仍能剪斷鉆桿并封閉井口。

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DeepWater BOP Auto Shear System simulation and Analysis

LI Bo1，ZHENG Degui2，GUO Jiangyan1，LI Xunke1
（1.CNOOC Reseɑrch Institute，Beijing 100028，Chinɑ；2. No.6 Production Plɑnt，PetroChinɑ Chɑngqing Oilfield Compɑny，Xi’ɑn 710200，Chinɑ）

Abstract：The shear ram simulation model has been set up by the simulation X software；the model sim ulated the process of shearing the drill pipe while pipe ram closed the wellhead. The south China Sea oil and gas fields deep water BOP stack are used for example，the process of shear ram closed the wellhead was sim ulated，the least subsea accumulators configuration under the condition of subsea accumulators failures had been analyzed，and the simulation results are quite meaningful for engineering.

Key Words：deep water；BOP；secondary well control；simulation

作者簡(jiǎn)介：李 博（1983-），男，山東陽谷人，工程師，碩士，主要從事水下生產(chǎn)系統(tǒng)及深水防噴器研發(fā)設(shè)計(jì)工作，E-mail：libo8 @ cnooc.com.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專項(xiàng)“半潛式鉆井平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究”（2011Z X05027-001-01）

收稿日期：2015-07-27

文章編號(hào)：1001-3482（2016）01-0006-06

中圖分類號(hào)：TE952

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.002