水下防噴器應(yīng)急聲納控制系統(tǒng)研究進展

劉立兵

(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

水下防噴器應(yīng)急聲納控制系統(tǒng)研究進展

劉立兵

(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

聲納控制系統(tǒng)是一種完全獨立于防噴器主控制系統(tǒng)的緊急備用控制系統(tǒng)，當(dāng)鉆井船偏離警戒圈或是防噴器主控制系統(tǒng)失效時發(fā)揮作用，避免重大事故的發(fā)生。概述了應(yīng)急聲納系統(tǒng)的構(gòu)成；介紹了國外3家水下防噴器應(yīng)急聲納控制系統(tǒng)供應(yīng)商的最新產(chǎn)品及國內(nèi)公司在該方面的研究進展。水聲通信技術(shù)的不斷進步，使防噴器應(yīng)急聲控系統(tǒng)的可靠性不斷提高，額定工作水深不斷增加，逐漸成為水下防噴器系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。

水下防噴器；聲納控制；水下電子模塊；控制

水下防噴器是半潛式鉆井平臺保證鉆井作業(yè)安全的最關(guān)鍵設(shè)備之一，其作用是在發(fā)生溢流、井涌、井噴時控制井口壓力，在遇臺風(fēng)等緊急情況下鉆井裝置撤離時關(guān)閉井口，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[1-3]。深海鉆井不同于陸地鉆井，若發(fā)生井噴，在人員救援及設(shè)備搶修時都異常困難，所帶來的環(huán)境污染和經(jīng)濟損失更是無法估量。因此，保證防噴器的正常運行在石油勘探開發(fā)的過程中顯得非常重要。API 16D標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定水下防噴器系統(tǒng)必須配備緊急備用控制系統(tǒng)來提高鉆井的安全性。

水下防噴器緊急備用控制系統(tǒng)也稱為水下防噴器應(yīng)急安全控制系統(tǒng)，是一種應(yīng)對海洋鉆井突發(fā)狀況的二級干預(yù)系統(tǒng)。目前廣泛使用的緊急備用控制系統(tǒng)包括自動停機系統(tǒng)(Deadman)、自動模式功能(AMF)、自動剪切系統(tǒng)(Autoshear)、聲納控制系統(tǒng)(Acoustic Control System)、ROV操作系統(tǒng)以及緊急脫斷系統(tǒng)(EDS)等[4-5]。其中聲納控制系統(tǒng)是一種完全獨立于防噴器主控制系統(tǒng)的緊急備用控制系統(tǒng)，當(dāng)鉆井船偏離警戒圈或是防噴器主控制系統(tǒng)失效時發(fā)揮作業(yè)，可有效控制防噴器系統(tǒng)的關(guān)鍵功能、剪切鉆桿并密封井筒壓力，避免重大事故的發(fā)生[6]。

1 應(yīng)急聲納控制系統(tǒng)構(gòu)成

應(yīng)急聲納控制系統(tǒng)主要由水面聲納部分、水下聲納部分、水下聲納控制盒等組成[7]，如圖1所示。

圖1 應(yīng)急聲納控制系統(tǒng)

控制指令通過水面聲納部分的水聲換能器編碼形成獨特的聲波信號，發(fā)送至水下聲納部分；水下聲納部分的水聲換能器接收水面水聲換能器發(fā)送的聲波信號并解碼成電信號；水下電子模塊接收水下水聲換能器傳送的電信號，經(jīng)過邏輯運算輸出控制命令，驅(qū)動水下聲納控制盒上相應(yīng)的電磁閥動作，從而實現(xiàn)防噴器的功能操作。

1.1 水面聲納部分

水面聲納部分包括地面控制單元和沉浸式水聲換能器。地面控制單元用來進行應(yīng)急聲納系統(tǒng)的操作，接收操作指令并將其傳輸至水下聲納部分，接收水下聲納部分傳來的信息并顯示系統(tǒng)的狀態(tài)。沉浸式水聲換能器放置到海下一定深度，通過電纜與地面控制單元連接，將地面控制單元發(fā)出的電信號轉(zhuǎn)換成聲波信號并傳送給水下水聲換能器。

1.2 水下聲納部分

水下聲納部分包括水下電子模塊和水下水聲換能器。水下電子模塊包括電池組、DI/DO模塊、模擬量輸入模塊等。水下電子模塊接收水聲換能器傳輸?shù)男盘柌⑦M行處理，輸出驅(qū)動水下聲納控制盒上電磁閥的命令信號；具備通用的模擬量輸入端口，可以接入各類傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過水聲換能器把信號傳輸至水面上的數(shù)據(jù)顯示終端。

1.3 水下聲納控制盒

水下聲納控制盒安裝在水下防噴器組框架內(nèi)，用于將聲納控制系統(tǒng)的水下電子模塊發(fā)出的控制信號轉(zhuǎn)化為液壓信號，從而執(zhí)行防噴器功能。剪切蓄能器以及應(yīng)急蓄能器配合聲納控制盒工作，用于提供各執(zhí)行機構(gòu)操作所需壓力液。所有零部件必須采用耐海水腐蝕性好的不銹鋼或特殊海洋涂層保護，可長期在水下工作。

2 國外深水防噴器應(yīng)急聲納控制系統(tǒng)

2.1 挪威Kongsberg公司

Kongsberg公司的防噴器應(yīng)急聲控系統(tǒng)專為水下防噴器系統(tǒng)和其它水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計，應(yīng)用極其廣泛。美國的三大防噴器制造商NOV、GE Hydril和Cameron公司的水下防噴器系統(tǒng)都配備過Kongsberg公司的ACS433應(yīng)急聲控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可控制12個功能，接收12個數(shù)字量反饋信號和7個模擬量輸入信號；可在海底3 000 m應(yīng)用。水下聲納部分配備2個水聲換能器，保證聲納信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

為了適應(yīng)更深水域的應(yīng)用，Kongsberg公司開發(fā)的最新一代ACS500防噴器應(yīng)急聲控系統(tǒng)應(yīng)用了最新的聲波通信技術(shù)，抗噪聲能力更強；水下聲控單元可控制16個功能；可在水下4 000 m應(yīng)用[8]。如圖2所示。具有如下特點：

1) 地面控制單元內(nèi)部的可充電電池可續(xù)航超過10 h操作。

2) 冗余的水下電子模塊配置和冗余水下水聲換能器配置，系統(tǒng)可靠性更高。

3) 地面控制單元便攜式設(shè)計，可耐海水噴濺，密封性更好。

4) 系統(tǒng)具備自測試和診斷功能。

圖2 Kongsberg公司ACS500系統(tǒng)

2.2 英國Sonardyne公司

Sonardyne公司的防噴器應(yīng)急聲控系統(tǒng)是專為水下防噴器系統(tǒng)設(shè)計，額定工作水深4 000 m，如圖3。系統(tǒng)可驅(qū)動12個先導(dǎo)電磁閥來操作液壓功能；接收12個壓力開關(guān)信號和4個傳感器模擬量信號來顯示防噴器的狀態(tài)。所有的水下部件采用超級雙相不銹鋼材料，確保在海底長時間應(yīng)用不受腐蝕，且不需要配置陰極保護。

水下聲納部分是完全的雙重冗余設(shè)計，采用2個水聲換能器連接到2個冗余的SEM上。2個水聲換能器可以避免聲納信號被隔水管干擾，可根據(jù)系統(tǒng)可靠性需求，擴展到4個換能器，提高冗余度。SEM提供與客戶防噴器的接口，可以連接到主要防噴器廠商的產(chǎn)品上。

圖3 Sonardyne公司的防噴器應(yīng)急聲控系統(tǒng)

水聲換能器安裝在搖臂上，一般為2～3 m長，可以從水下防噴器組框架中伸出，這樣可以保證聲納信號的可靠通信，信號不被遮擋。連接水下?lián)Q能器和SEM的電纜是充油補償式電纜。所有密封處采用雙重O形圈密封，帶一個壓力測試端口，滿足API標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 美國Nautronix公司

Nautronix公司的NASeBOP系統(tǒng)是為滿足關(guān)鍵防噴器控制需求設(shè)計的最新一代的應(yīng)急聲控系統(tǒng)。系統(tǒng)配置如圖4所示，系統(tǒng)是完全冗余的配置，水面聲納部分和水下聲納部分均采用雙重冗余設(shè)計，可控制16個功能；額定工作水深4 000 m，并可定制水深6 000 m的應(yīng)用配置；連接器和終端都采用雙O形圈密封，所有電纜均為充油補償式電纜，確保在海底壓力下可靠工作。系統(tǒng)設(shè)計滿足API 16D和API 17E標(biāo)準(zhǔn)要求。

NASeBOP系統(tǒng)可以控制防噴器關(guān)鍵功能，監(jiān)控防噴器狀態(tài)，并且配備EDS功能。系統(tǒng)每分鐘執(zhí)行1次回路測試，每小時顯示1次電池電量信息和模擬量讀數(shù)，電池壽命高達(dá)270 d。

NASeBOP的核心技術(shù)是Nautronix公司的ADS2(Acoustic Digital Spread Spectrum)信號處理技術(shù)。ADS2的關(guān)鍵優(yōu)勢是編碼技術(shù)，先進的信號處理技術(shù)使應(yīng)用范圍廣、集中控制高和有效監(jiān)控水下設(shè)備的最優(yōu)化，確保不受其它聲波噪聲或是環(huán)境噪聲干涉，系統(tǒng)應(yīng)用的協(xié)議使系統(tǒng)完整性達(dá)到最高級別[9]。系統(tǒng)特點如下：

1) 具備EDS功能。

2) 電池電量、蓄能器壓力、電磁閥狀態(tài)的周期性狀態(tài)報告。

3) 具有周期性聲納回路測試功能。

4) 具有事件和數(shù)據(jù)記錄功能，用作事故分析。

5) 具有報警監(jiān)控、記錄和報告系統(tǒng)。

圖4 Nautronix公司的NASeBOP系統(tǒng)

3 國內(nèi)水下防噴器應(yīng)急聲控系統(tǒng)研究進展

水下防噴器及控制系統(tǒng)的研制難度大、風(fēng)險高，國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究起步較晚，水下防噴器應(yīng)急聲納控制系統(tǒng)的研究落后于國際先進水平，我國半潛式海洋鉆井平臺“海洋石油981”配備的是Kongsberg公司的ACS433應(yīng)急聲控系統(tǒng)[10]。

河北華北石油榮盛機械制造有限公司經(jīng)過多年的技術(shù)攻關(guān)，目前已經(jīng)完成了水下聲納控制盒的設(shè)計、聲納控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究等工作。聲納控制盒三維模型如圖5所示。

圖5 聲納控制盒三維模型

聲納控制盒采用壓力補償技術(shù)。電磁閥全部安裝在一個不銹鋼的壓力補償腔外壁上，壓力補償腔內(nèi)充滿絕緣液，電磁閥的電氣接線在補償腔內(nèi)部完成，實現(xiàn)電氣接線的高可靠性；為保證壓力補償器內(nèi)部壓力和外部海水壓力平衡，補償腔連接海水壓力補償器，壓力補償器在海水壓力作用下可隨時向壓力補償器內(nèi)供給絕緣液，使補償腔內(nèi)外壓力達(dá)到平衡。

4 結(jié)論

1) 國外3家公司的水下防噴器應(yīng)急聲納控制系統(tǒng)，額定工作水深都達(dá)到了4 000 m，均采用冗余配置來提高系統(tǒng)可靠性，地面控制單元采用便攜式設(shè)計。

2) 隨著海洋石油鉆井工作水深的不斷增加，對水下防噴器系統(tǒng)的可靠性要求越來越高，應(yīng)急聲納控制系統(tǒng)逐漸成為水下防噴器系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。水聲通信技術(shù)的不斷進步，使防噴器應(yīng)急聲控系統(tǒng)的可靠性不斷提高，控制的功能數(shù)量也不斷增加。

3) 國外的水下防噴器應(yīng)急聲控系統(tǒng)技術(shù)不斷進步，可靠性越來越高。國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究正處于起步階段，需加快研究步伐，盡早研制出產(chǎn)品。

[1] 楊進，曹式敬．深水石油鉆井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].石油鉆采工藝，2008(2)：10-13.

[2] 竇玉玲，管志川，徐云龍．海上鉆井發(fā)展綜述與展望[J].海洋石油，2006(2)：64-67.

[3] 李博，張作龍． 深水防噴器組控制系統(tǒng)的發(fā)展[J].流體傳動與控制，2008(4)：39-41.

[4] 蘇尚文，屈志明，侯國慶，等.水下應(yīng)急封井裝置技術(shù)研究進展與建議[J].石油礦場機械，2014，43(4)：96-101.

[5] Raleigh S W.Evaluation of Secondary Intervention Method in Well Control[R].Brookshire，WEST Engineering Services Inc，2003.

[6] Holand P.Evaluation of the need for an acoustic backup control system for the snorrell BOP[R].Sintef，2011.

[7] 耿艷東，王莎，王衛(wèi)華，等.海洋油氣開發(fā)水下防噴器緊急備用控制系統(tǒng)研究[J].石油礦場機械，2016，45(2)：79-83.

[8] Olsen A.New emergency Acoustic BOP Control System from KONGSBERG increases operational depth to 4000 m[R].Kongsberg Maritime，2013.

[9] MacDonald L.Latest Developments in Acoustic Subsea Control and Monitoring for the Drilling Industry[R].SPE 143762，2011.

[10] 林瑤生，周守為，李浪清，等.“海洋石油981”深水半潛式鉆井平臺防噴器組與控制系統(tǒng)創(chuàng)新與實踐[J].中國造船，2013(A01)：267-275.

Research Progress for Emergency Acoustic Control System of Subsea Blowout Preventer

LIU Libing

(RongshengMachineryManufactureLtd.ofHuabeiOilfield，Renqiu062552，China)

The acoustic BOP control system is an emergency backup control system，which is completely independent of the primary control system.It can play a key role of the drilling ships off guard ring or primary control system failure，to avoid major deadly accidents.Firstly，the composition of emergency acoustic control system is summarized.Secondly，the latest products of foreign three subsea BOP acoustic control system suppliers.The domestic research status of the system is introduced as well.The progress of underwater acoustic communication technology improves the

2016-10-20 基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)“深水防噴器組及控制系統(tǒng)工程化研制”(2013AA09A220) 作者簡介：劉立兵(1982-)，男，河北河間人，工程師，現(xiàn)從事深水防噴器控制系統(tǒng)方面的研究，E-mail：liulibing51@163.com。

1001-3482(2017)02-0007-04

TE952

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10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.002