新型防提安全互鎖技術(shù)研究

王 林，滕 華，趙政清，王建良

（中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司，上海 201206）

在石油鉆井工程歷史上，曾經(jīng)多次發(fā)生BOP關(guān)閉時，誤操作絞車將鉆具拉斷、井口套管頭滑脫、BOP損壞等惡性事故，造成重大經(jīng)濟損失。為了從根本上解決這一問題，前輩們發(fā)明了防提安全裝置，從而可以比較有效地避免此類事故的發(fā)生，并已成為國內(nèi)強制執(zhí)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鉆井絞車和BOP控制系統(tǒng)都發(fā)生了翻天覆地的變化。目前，世界范圍內(nèi)的新型鉆井平臺幾乎都配置了自動鉆井系統(tǒng)和更加安全的操作控制系統(tǒng)，而之前的防提裝置卻不能很好地與先進(jìn)鉆井控制系統(tǒng)相結(jié)合，且安裝維護費用高，可以說已經(jīng)落伍，甚至終將被淘汰。但是無論設(shè)備怎樣先進(jìn)，控制系統(tǒng)怎樣自動化，防提斷的安全理念不能廢棄。然而目前鉆井絞車和BOP控制仍是兩個相對獨立的控制系統(tǒng)，沒能實現(xiàn)從根本上杜絕提斷鉆具等事故發(fā)生的目的。因此，本文將基于目前較為先進(jìn)的鉆井和BOP控制系統(tǒng)，對新型防提安全互鎖技術(shù)進(jìn)行研究，對設(shè)計理念加以介紹。

1 鉆井絞車和BOP控制系統(tǒng)簡介

1.1 鉆井絞車的發(fā)展

傳統(tǒng)石油鉆機是以National 1320-UE（圖1）為代表的剎把控制，以帶式剎車為主、渦磁剎車為輔的由直流電機驅(qū)動的鉆井絞車。這種形式曾在石油鉆機發(fā)展初期普遍采用，它具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、操作有手感、司鉆便于掌握井下鉆頭的工作情況等優(yōu)點。但同時它也有勞動強度大、工作環(huán)境惡劣、危險系數(shù)高等缺點[1]。

圖1 National 1320-UE鉆井絞車

為了改善司鉆的工作環(huán)境，自20世紀(jì)80年代起，National等各大國際鉆機公司陸續(xù)推出盤式剎車系統(tǒng)，先后發(fā)明出液控和氣動兩種盤式剎車系統(tǒng)，但液控盤式剎車系統(tǒng)受制于諸多不利因素影響，最終被氣控盤式剎車系統(tǒng)所取代，隨著多盤整園式的伊頓剎車系統(tǒng)日臻完善，目前它已成為主流配置。而鉆井絞車革命性的轉(zhuǎn)變是交流電機在鉆井絞車上的應(yīng)用（圖2），采用交流變頻驅(qū)動，計算機控制，實現(xiàn)自動鉆井控制[2]。

圖2 NOV的ADS系列鉆井絞車參數(shù)

交流變頻鉆機控制系統(tǒng)特點是：絞車數(shù)字矢量控制，能耗制動與起下鉆能量監(jiān)控；防止游車上碰下砸；自動送鉆；恒鉆壓、恒轉(zhuǎn)速、恒泵壓降；轉(zhuǎn)盤扭矩和泵壓限制與調(diào)控；數(shù)字化多參數(shù)調(diào)控、顯示、儲存與遠(yuǎn)程通訊；鉆井工況與設(shè)備的監(jiān)控管理。

石油鉆機的智能化始于National公司的TA3000型絞車，同時西德BENTEC和美國TPC公司推出智能化計算機控制系統(tǒng)（圖3），具有實時顯示、模塊化設(shè)計、可更改配置、多用戶處理能力、高分辨率彩色圖像、觸摸屏控制等特點，目前已成為油氣行業(yè)，尤其是海洋石油鉆井平臺的主流配置。

圖3 智能化鉆機控制系統(tǒng)

1.2 BOP控制系統(tǒng)的發(fā)展

BOP控制裝置是控制井口BOP組以及液動壓井、節(jié)流閥等的重要設(shè)備，國內(nèi)的FKQ系列BOP控制系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程控制臺（主控柜）、司鉆控制臺（司控柜）、隊長控制臺（微控柜）、空氣管線、液壓管線等組成。遠(yuǎn)程控制臺由底座、儲能器瓶組、泵組、油箱、閥件、管匯、儀表及電控箱等組成，功能是泵組產(chǎn)生高壓控制液并儲存在儲能器瓶組中。當(dāng)需要開關(guān)BOP時，來自儲能器瓶組的高壓控制液通過三位四通閥被分配到各個控制對象中，泵組配有兩套動力源，分別是電動泵和氣動泵。

自升式鉆井平臺BOP遠(yuǎn)程控制臺主要技術(shù)參數(shù)：系統(tǒng)公稱壓力3 000 psi，21 MPa；管匯工作壓力1 500 psi，10.5 MPa；系統(tǒng)調(diào)壓范圍0~2 000 psi，0~14 MPa；儲能器充氮壓力1 000f100 psi，7f0.7 MPa；氣源壓力93~115 psi，0.65~0.8 MPa。

老式的司鉆控制臺（圖4）工作介質(zhì)為壓縮空氣，為確保操作可靠無誤，司鉆控制臺的轉(zhuǎn)閥采用二級操作方式，即首先要扳動氣源轉(zhuǎn)閥，接通氣源，同時扳動控制氣轉(zhuǎn)閥，才能使相應(yīng)的三位四通閥控制動作，在控制面板上顯示“開”或“關(guān)”字，氣轉(zhuǎn)閥復(fù)位顯示標(biāo)牌保持不變，使操作人員知道前一次司鉆臺上的操作。

圖4 傳統(tǒng)BOP遠(yuǎn)程控制臺和老式司鉆遙控臺

當(dāng)前較先進(jìn)的BOP控制系統(tǒng)多為“電控氣、氣控液”型，即24 V安全電源控制壓縮空氣、壓縮空氣控制高壓控制液，并有司鉆控制和隊長控制兩處遙控臺（圖5）；兩臺大功率三缸泵，或數(shù)臺氣動泵為系統(tǒng)提供高壓控制液，并要求兩套獨立動力源，分別來自主發(fā)電機網(wǎng)和應(yīng)急發(fā)電機網(wǎng)，嚴(yán)格符合API16D的要求。

圖5 CAD-1109型BOP遠(yuǎn)控柜和司鉆控制臺

2 防提斷安全裝置介紹

BOP/鉆機剎車聯(lián)動防提安全裝置，已被列為國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)號為Q/CNPC-TZ 20-2003《防噴器防斷安全裝置安裝調(diào)試與維護技術(shù)規(guī)范》。

FEA型防提安全裝置與井場配備的鉆機氣動剎車系統(tǒng)和防碰天車聯(lián)合使用，能實現(xiàn)鉆機防提功能，防止發(fā)生因誤操作而造成事故。適合于安裝了氣動剎車系統(tǒng)鉆機，由氣控兩位三通閥、按鈕閥和梭閥等組成。它的一端與BOP司鉆控制臺氣路相聯(lián)，另一端并聯(lián)在鉆機防碰天車和氣動剎車氣路上，能使在關(guān)閉BOP的同時，該裝置自動控制鉆機防碰天車進(jìn)氣，使鉆井絞車滾筒處于剎死狀態(tài)；在打開BOP的同時，該裝置自動釋放防碰天車，解除剎車。操作剎把的司鉆即使忘了BOP已經(jīng)關(guān)閉而擅自起鉆，也不可能將剎把抬起，這樣就能從根本上防止提壞BOP或鉆具的惡性事故發(fā)生[3]。此套裝置原理見圖6。

之后，BOP遙控臺由氣控發(fā)展成為24 V安全電壓驅(qū)動的電控裝置，BOP開關(guān)狀態(tài)有了明確指示燈顯示，并陸續(xù)發(fā)明出相應(yīng)防提安全報警裝置。同時，針對National1320-UE這種老式鉆機，也升級改造出電子防碰天車系統(tǒng)，防提裝置也與電子防碰天車一起被植入鉆井絞車控制系統(tǒng)[4]（圖7），即BOP關(guān)閉時絞車斷電，達(dá)到避免誤操作鉆井絞車而造成事故的目的。不過絞車供電恢復(fù)步驟耗時繁瑣，且在特殊緊急情況如強行起下鉆時，此裝置沒有特別明顯的優(yōu)勢，且日常維護及安全檢查要求高[5]。

圖6 FEA型防提安全裝置原理圖

圖7 電子防碰天車系統(tǒng)

3 新型防提安全互鎖技術(shù)研究與實踐

當(dāng)前鉆機的主流配置已經(jīng)沒有了鏈條鏈輪、離合器及渦磁剎車等部件，結(jié)構(gòu)簡化，操作更加輕松便捷、安全可靠。隨著大型鉆井絞車的不斷發(fā)展，石油鉆機智能化時代也已經(jīng)到來，國民油井（National Oil Varco）公司的Amphion自動鉆井控制系統(tǒng)就是其中代表（圖8）[6]。

圖8 高度集成控制的司鉆房及自動鉆井控制系統(tǒng)

雖然是當(dāng)時最先進(jìn)的鉆井操作系統(tǒng)，但是BOP與鉆井絞車控制系統(tǒng)還是兩個相對獨立的部分（圖9），沒有實現(xiàn)很好的關(guān)聯(lián)，引入國內(nèi)后無法滿足國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖9 BOP遙控柜指示燈和鉆井絞車駐車剎車開關(guān)

勘探六號平臺根據(jù)現(xiàn)有條件，將BOP控制系統(tǒng)和Amphion鉆井絞車控制系統(tǒng)有機結(jié)合并加以改進(jìn)，發(fā)明出新型防提安全互鎖裝置，即把司鉆房內(nèi)BOP遙控臺與鉆井絞車駐車剎車系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)在任何一個BOP關(guān)閉時絞車無法操作的安全可靠的防提斷功能。

具體實施方案：

從BOP司鉆控制臺上關(guān)閉指示燈取信號，一路與駐車剎車Parking On回路并聯(lián)，一路與Parking Off 串聯(lián)。當(dāng)任何一個BOP關(guān)閉到位后，壓力開關(guān)動作，關(guān)閉指示燈亮起。此時，并聯(lián)在該指示燈上的繼電器動作，與該繼電器對應(yīng)的常開觸點閉合，防提控制電路接通，時間繼電器KT1、中間繼電器KA6工作。KT1為通電延時繼電器，定時1.5秒，與Parking On并聯(lián)的KA6常開觸點閉合1.5秒后再打開（模擬司鉆人工操作），激活絞車駐車剎車；此時與Parking Off串聯(lián)的KT1常閉觸點打開，此時將無法進(jìn)行剎車復(fù)位Parking Off操作。即當(dāng)任何一個BOP關(guān)閉時，相當(dāng)于駐車剎車啟動，在BOP打開前無法解除駐車剎車，絞車不能操作。

當(dāng)所有BOP處在開位時，關(guān)閉指示燈上的繼電器失電，防提控制電路恢復(fù)初始狀態(tài)，此時司鉆可以進(jìn)行Parking Off操作，解除絞車駐車剎車，可以正常操作絞車。原理見圖10。

圖10 防提安全裝置電氣原理圖

內(nèi)部接線情況見圖11。

此套裝置系統(tǒng)另外一個特點就是串聯(lián)了一個超限越控開關(guān)Override（如圖12所示），即在防提電路中設(shè)置斷路器CB做為越控開關(guān)。當(dāng)CB斷開，防提電路失電，與Parking Off串聯(lián)的KT1常閉觸點閉合，此時司鉆可以將駐車剎車解除操作絞車，實現(xiàn)BOP關(guān)閉時強行起下鉆及保護井口的功能。

圖11 BOP控制柜及司鉆椅內(nèi)部接線情況

圖12 防提裝置越控開關(guān)

4 結(jié)論

此項技術(shù)設(shè)計與現(xiàn)有防提裝置及電子防碰系統(tǒng)相比，具有以下特點：

（1）基于目前較先進(jìn)的Amphion鉆井系統(tǒng)，將BOP與絞車控制很好的關(guān)聯(lián)起來，實現(xiàn)防提斷安全互鎖功能，是對原系統(tǒng)功能的補充完善。

（2）適用于所有配備了駐車剎車系統(tǒng)的交流變頻電機絞車，具有良好的應(yīng)用和推廣前景。

（3）此項技術(shù)設(shè)計理念巧妙，實施方便，簡單易行，所有普通電氣工程師均可完成。

（4）技術(shù)改造工作都是在24V安全電壓控制系統(tǒng)內(nèi)部完成，安全可靠，只要確保接線正常，無需日常維護。

（5）安裝成本低廉，經(jīng)濟效益高。

“勘探六號”自升式鉆井平臺實施此項新型防提安全互鎖技術(shù)已有一年多時間，經(jīng)過實際生產(chǎn)作業(yè)的驗證，如取芯、試壓及更換鉆頭等多次測試，徹底杜絕了BOP關(guān)閉狀態(tài)下誤操作絞車的可能情況，從根本上消除安全隱患，也彌補了Amphion鉆井控制系統(tǒng)在防提斷功能方面的不足，完美實現(xiàn)BOP控制系統(tǒng)與鉆機控制系統(tǒng)的安全互鎖，是一次非常成功的技術(shù)發(fā)明。

另一方面，防提斷安全裝置是甲方井控檢查的重點，已多次明確提出要求進(jìn)行此項安全隱患的整改。而傳統(tǒng)的防提裝置以及電子防碰天車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需聘請專業(yè)廠家人員上平臺施工，安裝繁瑣、造價高昂（近4.5萬人民幣左右）。而此新型防提安全互鎖技術(shù)裝置結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠，僅僅利用了平臺庫存的常規(guī)電器元件和物料，總計花費不到100元人民幣，大大節(jié)省了人工成本和材料成本，取得了良好的安全效益與經(jīng)濟效益，實現(xiàn)了石油行業(yè)寒冬期內(nèi)的降本增效。因此，該新型防提安全互鎖技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，可以為今后類似平臺提供借鑒。

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