海上采油平臺鉆修井機井控設(shè)備動力可靠性分析

王佳中

(中海油天津分公司渤中作業(yè)公司 天津300451)

0 引 言

在正常生產(chǎn)期間采油平臺鉆修井作業(yè)主要依靠鉆修井機或鉆井船2種裝備，而鉆修井機在場地、設(shè)備配置方面受到的限制較多，且受到采油平臺自動控制系統(tǒng)的影響。井控工作由易到難分為三級，一級井控井下壓力處于平衡狀態(tài)，此時井況安全可控；二級井控時井底壓力小于地層壓力，需要按照正確的程序操作井控設(shè)備逐漸使井底壓力恢復平衡狀態(tài)，是井控工作的重點和核心內(nèi)容；三級井控是指井噴失控后的搶險過程。井噴失控是石油行業(yè)中重大事故之一，提高井控設(shè)備的可靠性具有重要意義。本文從鉆修井機相關(guān)系統(tǒng)動力保障角度探討二級井控、采油平臺自動控制系統(tǒng)導致失電條件下井控設(shè)備動力的可靠性，并總結(jié)該分析方法的一般步驟。

1 海上鉆修井機系統(tǒng)

海上平臺鉆修機一般包括鋼架結(jié)構(gòu)、起升系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、配電照明系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、安全系統(tǒng)以及防噴器系統(tǒng)、泥漿循環(huán)系統(tǒng)等，后兩者通常合稱井控系統(tǒng)。正常工況條件下修井機各系統(tǒng)相互配合使作業(yè)井處于一級井控狀態(tài)，二級井控時修井機大部分系統(tǒng)參與井下壓力異常處理，起升系統(tǒng)、防噴器組、泥漿系統(tǒng)直接執(zhí)行關(guān)井和泥漿循環(huán)兩個井控步驟。

1.1 采油平臺、修井機動力可靠性

系統(tǒng)內(nèi)動力設(shè)備數(shù)量越多、種類越多、傳遞鏈條越短，其可靠性就越高，根據(jù)動力對其他系統(tǒng)的依賴關(guān)系由弱到強、傳遞鏈條從短到長，可分為獨立、半獨立和依附性動力，三者可靠性相對漸次降低。

渤海某采油井口平臺配置有HXJ135型修井機，正常電源為中心平臺動力發(fā)電站，途經(jīng)相互串聯(lián)的3座上游采油平臺，應急電源為1臺500kW柴油應急發(fā)電機，在主電源失電后的45s內(nèi)應急發(fā)電機自動啟動，并向應急負荷連續(xù)供電至少18h。采油平臺同時配備20kVA不間斷電源系統(tǒng)為通信、火災探測及儀表控制等關(guān)鍵系統(tǒng)供電至少0.5h，且正常、應急電源都可為其充電[1]。HXJ135型修井機動力擁有3臺柴油發(fā)動機和1組N2蓄能器，其余動力為采油平臺配電系統(tǒng)和壓縮空氣[2]。

對于采油平臺和修井機，外供電源為依附性，柴油應急機/發(fā)動機為半獨立，只有N2蓄能器和不間斷電源為獨立性動力；采油平臺空壓機和柴油泵都分別在正常和應急電源接線，動力可靠性較高；鉆修井機的防噴器控制系統(tǒng)擁有3種不同的動力源：2臺應急電源供電液壓泵、2臺壓縮空氣動力氣動泵，以及1套N2蓄能器，因此其動力可靠性最高，如圖1所示。

圖1 采油平臺、修井機系統(tǒng)動力簡圖Fig.1 Power sketch of the oil-production platform and the HXJ135

1.2 修井機起升系統(tǒng)重要性分析

二級井控可細化為12種二級溢流、井涌場景下硬關(guān)井動作，其中11種需起下鉆動作配合[3-4]，參見表1。軟關(guān)井與硬關(guān)井前期關(guān)井動作類似，只是泥漿循環(huán)系統(tǒng)介入時間早，下文不再分別贅述。起下鉆動作可為防噴器的可靠關(guān)閉創(chuàng)造有利條件，而防噴器完全關(guān)閉又可為后續(xù)壓井爭取時間，是二級井控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此井控工況下起升系統(tǒng)應受到重視。

1.3 起升系統(tǒng)組成及動力源

修井機起升系統(tǒng)主要由柴油發(fā)動機、液力變速箱、主絞車及其電動液壓盤剎車、空氣輔助剎車以及液壓系統(tǒng)組成[2]。2臺柴油發(fā)動機為液壓系統(tǒng)與主絞車系統(tǒng)提供主動力，壓縮空氣是本系統(tǒng)設(shè)備控制/輔助系統(tǒng)的動力，平臺雙電源空壓機和2臺柴油機帶空壓機共同供氣，可靠性高；1臺柴油泵和液壓盤式剎車的兩臺電動液壓泵僅由正常電源供電，前者為修井日用油罐供油，后者是起下工具、管柱后將其保持在合適位置繼而關(guān)閉防噴器的必要設(shè)備。上述3臺重要輔助設(shè)備動力保障相對薄弱，如圖2所示。

2 采油平臺自動控制系統(tǒng)對修井機井控系統(tǒng)動力的影響

平臺自動控制系統(tǒng)分為電力分級卸載系統(tǒng)、ESD關(guān)斷系統(tǒng)和火氣探測系統(tǒng)，其中本平臺、上游平臺以及中心平臺火氣探測系統(tǒng)引起的二級關(guān)斷和中心平臺動力故障，隨報警所在設(shè)施、區(qū)域的不同和各平臺卸載分配的差異會導致不同的設(shè)備關(guān)停、平臺局部或全部失電，而全部失電對修井機系統(tǒng)有較大的影響。上游平臺和本平臺主變壓器間、本平臺主配電間火災會關(guān)停正常電源，所在應急配電間火災會導致應急配電盤失電，因此將重要設(shè)備分別用正常電和應急電供電是應對多種惡劣工況同時發(fā)生的最佳組合。采油平臺的四級關(guān)斷可能會對柴油泵、空壓機造成短暫影響，電力分級卸載和除失電引起的其他三級關(guān)斷一般不涉及關(guān)鍵設(shè)備，對修井機不造成持續(xù)影響；一級關(guān)斷是棄平臺關(guān)斷，所有作業(yè)停止、人員30min內(nèi)撤離[1]。

表1 二級井控硬關(guān)井前動作/鉆修井機系統(tǒng)對照表Tab.1 Table of the drill/work-over rig system and steps before the BOP shut of rank II well control

圖2 修井機起升系統(tǒng)動力源簡圖Fig.2 Power sketch of the hoisting system of the HXJ135C

3 建 議

修井機柴油泵、起升系統(tǒng)主剎車系統(tǒng)和2臺液壓泵宜采用正常、應急雙電源供電；防噴器控制系統(tǒng)2臺液壓泵分別由正常和應急電源供電，儀控系統(tǒng)采用應急電源或單獨配置不間斷電源供電。

各關(guān)聯(lián)平臺自動控制系統(tǒng)的關(guān)斷范圍應精細分析，在安全的前提下應減縮配電系統(tǒng)的關(guān)停范圍[5]。

4 結(jié) 論

動力可靠性分析方法可應用于提升復雜機電自動控制系統(tǒng)的安全性，主要步驟總結(jié)如下：

①建立系統(tǒng)工況與設(shè)備/分系統(tǒng)對應關(guān)系，評定重要設(shè)備。

②從設(shè)備和輔助/控制動力源頭沿傳遞路徑繪制系統(tǒng)動力圖，剖析自動控制系統(tǒng)對動力的影響。

③篩選重要設(shè)備關(guān)鍵動力鏈環(huán)，在技術(shù)經(jīng)濟約束條件下通過動力數(shù)量或種類冗余、規(guī)劃設(shè)備布置和管線電纜路由、選擇適宜的設(shè)備和材料來提高整個系統(tǒng)的可靠性[6]。