深水半潛式鉆井平臺(tái)防噴器控制系統(tǒng)升級(jí)探討

鐘 磊

（中海油田服務(wù)股份有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067）

深水油氣勘探始于20世紀(jì)70年代，深水油氣的勘探開(kāi)發(fā)工作主要集中在墨西哥灣、南大西洋兩岸的巴西與西非沿海三大區(qū)域，被稱(chēng)為深水油氣勘探的“金三角”，此外北大西洋兩岸、地中海沿岸、東非沿岸都在積極開(kāi)展深水勘探活動(dòng)[1]。近年來(lái)，我國(guó)深水油氣勘探開(kāi)發(fā)工作也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在南海進(jìn)行了深水鉆探活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)海上油氣資源由淺海走向深海的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

深水鉆井所面臨的挑戰(zhàn)對(duì)深水井控技術(shù)和井控裝備提出了更高的要求，防噴器及其控制系統(tǒng)是井控裝備的重中之重。目前，世界上能夠生產(chǎn)深水防噴器組的廠家只有少數(shù)幾家歐美公司，在技術(shù)和市場(chǎng)上都處于絕對(duì)壟斷地位。NOV、GE、CAMERON三家公司是世界上深水水下防噴器的主要供應(yīng)商。

為適應(yīng)我國(guó)深水開(kāi)發(fā)的需要，我國(guó)從國(guó)外購(gòu)買(mǎi)（或租賃）了幾條90年代建造的深水半潛式鉆井平臺(tái)。受建造時(shí)代的影響，此類(lèi)平臺(tái)防噴器的配置相對(duì)比較落后，存在地面混液系統(tǒng)落后、信號(hào)傳輸慢、應(yīng)急功能少等特點(diǎn)，給井控工作帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

本文通過(guò)介紹深水半潛式鉆井平臺(tái)防噴器控制系統(tǒng)組成和特點(diǎn)，對(duì)我國(guó)深水半潛式鉆井平臺(tái)防噴器控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題進(jìn)行歸納。通過(guò)對(duì)比第六代深水半潛式鉆井平臺(tái)防噴器控制系統(tǒng)特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)，圍繞著“地面控制系統(tǒng)”和“水下控制系統(tǒng)”進(jìn)行分析和探討，提出我國(guó)深水半潛式平臺(tái)防噴器控制系統(tǒng)升級(jí)內(nèi)容，為以后我國(guó)深水半潛式平臺(tái)防噴器控制系統(tǒng)升級(jí)工作提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 深水半潛式鉆井平臺(tái)防噴器控制系統(tǒng)原理特點(diǎn)

深水半潛式平臺(tái)的防噴器控制系統(tǒng)通常使用先導(dǎo)液壓和電?液兩大控制方式。兩種控制方式下都必須滿足API SPEC16E規(guī)定，水下防噴器組控制系統(tǒng)應(yīng)在45s或者更短時(shí)間內(nèi)關(guān)閉任何一個(gè)閘板防噴器，關(guān)閉環(huán)形防噴器的時(shí)間不超過(guò)60s，解脫隔水管連接器時(shí)間不超過(guò)45s[2]。

1.1 深水水下防噴器控制系統(tǒng)原理

深水（500 m<水深<1500 m）水下防噴器一般采用先導(dǎo)液壓控制方式。當(dāng)需要對(duì)某個(gè)執(zhí)行元件進(jìn)行控制時(shí)，由平臺(tái)控制柜向?qū)?yīng)的受控部件 （SPM閥）發(fā)出液壓信號(hào)，該閥打開(kāi)，水下防噴器組上儲(chǔ)能瓶?jī)?chǔ)存的高壓液體進(jìn)入該執(zhí)行元件液缸，使該執(zhí)行元件動(dòng)作（圖1）。

圖1 深水水下防噴器控制系統(tǒng)原理圖

1.2 超深水水下防噴器控制系統(tǒng)原理

超深水（水深>1500 m）水下防噴器采用電?液控制方式。當(dāng)需要對(duì)某個(gè)執(zhí)行元件進(jìn)行控制時(shí)，由平臺(tái)控制柜向?qū)?yīng)的受控部件發(fā)出控制信號(hào)，水下控制模塊接收到該控制信號(hào)后進(jìn)行解碼處理，解碼后的信號(hào)會(huì)使對(duì)應(yīng)的電磁線圈通電，就可以操作該電磁閥動(dòng)作，使高壓動(dòng)力液打開(kāi)相應(yīng)的SPM（液壓控制閥）線圈向液壓先導(dǎo)閥發(fā)出先導(dǎo)信號(hào)，該先導(dǎo)信號(hào)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的液壓閥閥芯動(dòng)作，水下防噴器組上儲(chǔ)能瓶?jī)?chǔ)存的高壓液體進(jìn)入該執(zhí)行元件液缸，使該執(zhí)行元件動(dòng)作（圖2）。

1.3 深水半潛式鉆井平臺(tái)防噴器控制系統(tǒng)組成與特點(diǎn)

深水水下防噴器控制系統(tǒng)可分為地面和水下控制兩部分。地面控制部分主要由防噴器遠(yuǎn)程控制面板（司控柜和微控柜）、本地控制面板（主控柜）、控制液混配裝置、地面儲(chǔ)能器單元、液壓動(dòng)力裝置（泵組）、液壓管匯系統(tǒng)、PLC控制單元及應(yīng)急電池直流電源等組成；水下控制部分主要有控制管纜及絞盤(pán)、水下控制盒、水下儲(chǔ)能瓶組、液壓管匯、梭閥、ROV操作面板及專(zhuān)用和備用防噴器控制系統(tǒng)等組成（圖3）。

圖2 超深水水下防噴器組控制系統(tǒng)原理圖

圖3 典型防噴器控制系統(tǒng)組成

第六代超深水半潛式平臺(tái)防噴器組控制系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）具有自動(dòng)控制液混合與配比系統(tǒng)。

（2）儲(chǔ)能瓶結(jié)構(gòu)強(qiáng)，存儲(chǔ)能力更強(qiáng)。

（3）中央處理器控制單元以及數(shù)字圖形化顯示方式代替了的控制面板。

（4）控制光纖及電纜的使用取代傳統(tǒng)的液壓傳輸管線。

（5）具有獨(dú)立的供液硬管。

（6）大量電磁閥及各類(lèi)傳感器的使用。

（7）具有應(yīng)急解脫、應(yīng)急關(guān)斷、聲吶控制、自動(dòng)關(guān)斷、ROV操作等應(yīng)急系統(tǒng)。

（8）具有更高的壓力驅(qū)動(dòng)防噴器功能作用的能力。

（9）具有遠(yuǎn)程及便攜式操作系統(tǒng)，滿足應(yīng)急狀態(tài)下關(guān)井。

（10）控制信號(hào)的傳輸速度更快，防噴器響應(yīng)時(shí)間、反饋更快。

2 深水半潛式鉆井平臺(tái)防噴器控制系統(tǒng)主要問(wèn)題

中國(guó)目前擁有部分深水半潛式鉆井平臺(tái)，受建造時(shí)代的影響，這些平臺(tái)的防噴器控制系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)主要問(wèn)題可分為地面系統(tǒng)問(wèn)題和水下系統(tǒng)問(wèn)題兩大類(lèi)。

2.1 地面系統(tǒng)主要問(wèn)題

（1）防噴器控制液配比時(shí)，控制液濃度采用手動(dòng)配比，容易導(dǎo)致配置濃度不準(zhǔn)確。2016年某深水半潛式平臺(tái)在俄羅斯鄂霍次克海作業(yè)時(shí)，由于人工控制液濃度配比錯(cuò)誤，導(dǎo)致防噴器在水下無(wú)法正常開(kāi)關(guān)，功能失效。經(jīng)過(guò)對(duì)防噴器控制系統(tǒng)檢查發(fā)現(xiàn)，防噴器控制液在水下結(jié)冰，控制液無(wú)法流動(dòng)，無(wú)法正常開(kāi)關(guān)防噴器。另外濃度不準(zhǔn)確也容易造成控制管線內(nèi)細(xì)菌、雜質(zhì)滋生，堵塞防噴器控制管線，引起防噴器功能失效。

（2）伸縮節(jié)控制系統(tǒng)采用手動(dòng)切換模式，當(dāng)伸縮節(jié)盤(pán)根泄漏時(shí)，若無(wú)人及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并切換盤(pán)根，將造成大量泥漿泄漏污染海面。通常通過(guò)巡檢或者司鉆發(fā)現(xiàn)泥漿漏失進(jìn)行問(wèn)題排查時(shí)，發(fā)現(xiàn)是盤(pán)根泄漏引起。此時(shí)需要通知水下師進(jìn)行人工切換，這會(huì)造成大量泥漿泄漏。英國(guó)北海海域要求海洋鉆井平臺(tái)必須提供伸縮節(jié)盤(pán)根發(fā)現(xiàn)漏失的快速控制方法。

2.2 水下系統(tǒng)主要問(wèn)題

（1）防噴器控制系統(tǒng)水下儲(chǔ)能瓶數(shù)量偏少。通過(guò)計(jì)算氣液壓縮比C=P1/P2（P1：系統(tǒng)最大壓力；P2：操作功能所需的壓力），地面氣液壓縮比：C=3000/1500=2，而水下儲(chǔ)能瓶由于受水深的影響會(huì)更小，假設(shè)在1200ft的水中（靜液柱壓力535Psi），此時(shí)氣液壓縮比C=（3000+535）/（1500+535）=1.74，因此水下需要更多的儲(chǔ)能瓶。

（2）防噴器控制系統(tǒng)水下儲(chǔ)能瓶為了滿足作業(yè)深水的變化，需要對(duì)儲(chǔ)能瓶充氮?dú)?，雖然可以緩解部分控制液體的供給，但實(shí)際能夠提供的有效控制流體仍然有限，導(dǎo)致防噴器功能腔室開(kāi)關(guān)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

（3）防噴器控制系統(tǒng)沒(méi)有高壓剪切能力，不能確保成功剪斷鉆具，給井控工作帶來(lái)挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球大約有40%的深水半潛式鉆井平臺(tái)沒(méi)有高壓剪切功能。

（4）不具備應(yīng)急解脫系統(tǒng)，當(dāng)深水半潛式鉆井平臺(tái)遭遇突發(fā)惡劣天氣影響（臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴等）或者強(qiáng)內(nèi)波流襲擊時(shí)，平臺(tái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速解脫，對(duì)井下設(shè)備、平臺(tái)結(jié)構(gòu)都會(huì)有較大損壞風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)人員生命財(cái)產(chǎn)有較大的危害。2014年，某深水半潛式平臺(tái)在C井作業(yè)期間遭遇內(nèi)波流，最大監(jiān)測(cè)流速達(dá)2.05 m/s，平臺(tái)最大漂移量達(dá)137 m，該平臺(tái)沒(méi)有應(yīng)急解脫系統(tǒng)，未能及時(shí)解脫防噴器系統(tǒng)，導(dǎo)致張力器鋼絲繩琵琶頭斷裂，張力繩多處斷股；張力器液缸全部被拉到行程極限，沖擊張力器底座；在月池伸縮節(jié)上球接頭處傾斜超過(guò)15°，導(dǎo)致伸縮節(jié)上下盤(pán)根密封均失效，出現(xiàn)漏失鉆井液情況，現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)暫停，作業(yè)損失8天時(shí)間[3]。有研究表明在南海深海海域，最快內(nèi)波流速度可以達(dá)到4.5 m/s[3]，嚴(yán)重威脅平臺(tái)的作業(yè)生產(chǎn)。

3 深水半潛式鉆井平臺(tái)防噴器控制系統(tǒng)升級(jí)探討

要解決深水半潛式鉆井平臺(tái)防噴器控制系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題，需要進(jìn)行針對(duì)性的升級(jí)，主要圍繞地面控制系統(tǒng)與水下控制系統(tǒng)兩大部分進(jìn)行,且保留原防噴器系統(tǒng)。

3.1 地面控制系統(tǒng)升級(jí)

深水半潛式鉆井平臺(tái)防噴器地面控制系統(tǒng)的升級(jí)工作主要圍繞著液壓動(dòng)力單元進(jìn)行。

（1）針對(duì)此類(lèi)平臺(tái)通常是手動(dòng)防噴器控制液配比系統(tǒng)，確?？刂埔簼舛葷M足要求是關(guān)鍵?？梢酝ㄟ^(guò)增加液位傳感器、濃度檢測(cè)儀、流量監(jiān)測(cè)傳感器、遙控閥門(mén)、液位開(kāi)關(guān)啟停裝置等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選擇配置不同濃度的控制液，使控制液的配置更為準(zhǔn)確，保障防噴器控制液配置的準(zhǔn)確性，并通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制液濃度，確保防噴器控制液性能符合要求。

（2）伸縮節(jié)盤(pán)根控制系統(tǒng)升級(jí)為自動(dòng)轉(zhuǎn)換盤(pán)根控制系統(tǒng)[4]，當(dāng)氣控盤(pán)根壓力降低時(shí)，自動(dòng)切換到液壓盤(pán)根作用，來(lái)減少伸縮節(jié)盤(pán)根泄漏泥漿的風(fēng)險(xiǎn)。伸縮節(jié)盤(pán)根自動(dòng)切換控制系統(tǒng)主要由接線盒、壓力監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)、自動(dòng)切換電磁閥、按鈕、時(shí)間計(jì)時(shí)器及延時(shí)開(kāi)關(guān)組成。升級(jí)時(shí)需確保自動(dòng)切換系統(tǒng)與原裝置的手動(dòng)系統(tǒng)互不影響和沖突，原手動(dòng)控制系統(tǒng)也可以繼續(xù)使用。也可以通過(guò)在管線中安裝POCV（先導(dǎo)單流閥）減少管線中氣體或液體快速流失，為切換工作爭(zhēng)取時(shí)間，以防止在鉆井或井控作業(yè)時(shí)伸縮節(jié)盤(pán)根密封因?yàn)閾p壞而產(chǎn)生泥漿泄漏的情況，特別是油基泥漿的泄漏將會(huì)造成溢油污染的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）配備兩套獨(dú)立且可自動(dòng)切換的不間斷電源UPS，并與外接電源連接，其功率根據(jù)規(guī)范要求應(yīng)滿足2h的正常操作，給系統(tǒng)供電時(shí)可與外接電源自動(dòng)互換備用[5]。

另外，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)深水半潛式鉆井平臺(tái)防噴器的動(dòng)力流體主要靠液壓動(dòng)力單元提供，該控制方式主要靠液壓提供先導(dǎo)信號(hào)，存在反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。可以通過(guò)在地面上單獨(dú)配置一套獨(dú)立的先導(dǎo)液壓信號(hào)單元，該單元由具有自動(dòng)壓力控制的泵和馬達(dá)、儲(chǔ)能器單元、壓力保護(hù)開(kāi)關(guān)及液壓閥、濾器等。該系統(tǒng)可直接提供液體到防噴器控制系統(tǒng)先導(dǎo)信號(hào)管線，由于先導(dǎo)液體相對(duì)封閉性，使用獨(dú)立的高濃度配比的液壓動(dòng)力單元可明顯延長(zhǎng)信號(hào)管內(nèi)先導(dǎo)液的儲(chǔ)存時(shí)間，提高防噴器控制系統(tǒng)反應(yīng)速度，同時(shí)降低對(duì)主動(dòng)力單元控制液的配比要求，此外也更便于沖洗信號(hào)管線，提高動(dòng)力單元的穩(wěn)定性

3.2 水下控制系統(tǒng)升級(jí)

深水半潛式鉆井平臺(tái)防噴器水下控制系統(tǒng)的升級(jí)工作較為復(fù)雜，也是防噴器控制系統(tǒng)升級(jí)的核心工作，主要圍繞水下儲(chǔ)能器單元、高壓剪切單元、聲吶控制單元和應(yīng)急解脫系統(tǒng)進(jìn)行。

（1）當(dāng)前許多深水平臺(tái)水下防噴器組存在防噴器水下儲(chǔ)能單元數(shù)量偏少，不能滿足減少防噴器響應(yīng)時(shí)間的要求；另外，水下儲(chǔ)能器單元還為防噴器組的其他功能信號(hào)開(kāi)關(guān)提供所需的高壓流體。因此可考慮將原有的水下儲(chǔ)能瓶組換成水下補(bǔ)償儲(chǔ)能瓶組。

無(wú)論是增加水下儲(chǔ)能單元還是地面液壓動(dòng)力單元，核心目的都是為了提高防噴器控制系統(tǒng)及功能的響應(yīng)時(shí)間。研究發(fā)現(xiàn)縮短先導(dǎo)信號(hào)傳輸時(shí)間可以減少整體防噴器功能反應(yīng)時(shí)間，通過(guò)在防噴器信號(hào)管路上增加保壓系統(tǒng)，一方面在地面增加低壓供壓系統(tǒng)包括調(diào)壓閥和備壓梭閥，減少管線充壓時(shí)間；另一方面在控制盒換向閥上方安裝快速泄放閥，能夠明顯提高重要功能關(guān)位換向閥的反應(yīng)時(shí)間（圖4）。

圖4 保壓系統(tǒng)

（2）高壓剪切單元可以滿足當(dāng)井內(nèi)鉆具無(wú)法剪斷時(shí)，使用高壓流體推動(dòng)剪切閘板活塞對(duì)鉆具進(jìn)行剪斷封井，保障井下安全。部分深水平臺(tái)不具備高壓剪切單元，控制壓力3000Psi已不能滿足剪斷現(xiàn)使用鉆具的需要，需要采用5000Psi高壓剪斷，可以在水下防噴器組上單獨(dú)外接一條滿足該剪切閘板最大操作壓力腔室的一條高壓管線，連接高壓水下儲(chǔ)能瓶單元，地面高壓動(dòng)力單元。

（3）應(yīng)急解脫系統(tǒng)主要功能是滿足深水半潛式平臺(tái)安全作業(yè)邊界條件，當(dāng)平臺(tái)失去井位位置產(chǎn)生偏離，防止引起隔水管柱損壞及井口失控的情況發(fā)生。該系統(tǒng)主要由控制面板按鈕、PLC邏輯控制單元、電子計(jì)時(shí)器、延時(shí)開(kāi)關(guān)等組成。當(dāng)收到地面按鈕激活信號(hào)后，水下防噴組各功能按照提前設(shè)定好的功能進(jìn)行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)安全關(guān)井，并順利解脫隔水管連接器。該解脫方式能夠?qū)崿F(xiàn)快速的程序化解脫，能避免手動(dòng)解脫引起的誤操作風(fēng)險(xiǎn)，縮短操作時(shí)間，為深水半潛式鉆井平臺(tái)提供安全保障。另外，各深水半潛式鉆井平臺(tái)可根據(jù)平臺(tái)防噴器組能力，結(jié)合平臺(tái)特點(diǎn)設(shè)置合理的解脫時(shí)間，目前有平臺(tái)防噴器可在12s之內(nèi)完成，保障平臺(tái)安全。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，為更好地滿足深水半潛式鉆井平臺(tái)安全作業(yè)的要求，還可以通過(guò)增加以下單元來(lái)增強(qiáng)應(yīng)急解脫系統(tǒng)。

（1）增加聲吶控制單元是滿足深水半潛式鉆井平臺(tái)需要棄平臺(tái)、遠(yuǎn)程進(jìn)行操作水下防噴器控制單元功能。聲吶系統(tǒng)采用雙向聲控通訊系統(tǒng)，將水上的控制指令通過(guò)信號(hào)傳遞到水下的聲控接收器，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后將電控信號(hào)轉(zhuǎn)換為水下控制盒內(nèi)的先導(dǎo)閥和電磁閥動(dòng)作，并釋放出水下儲(chǔ)能器的控制液到防噴器各功能腔，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)井功能。聲吶控制單元主要由便攜式控制器、信號(hào)接收裝置、電池組、聲吶控制管匯、電磁閥組、壓力信號(hào)監(jiān)測(cè)及反饋開(kāi)關(guān)等組成（圖5）。

圖5 聲吶控制單元組成

（2）增加失液應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)主要功能是在供液控制管線斷裂等情況下，防噴器主供液和先導(dǎo)液液壓丟失后及時(shí)關(guān)閉盲板剪切封井，避免井內(nèi)壓力泄漏。部分平臺(tái)該系統(tǒng)中還可以配置隔水管連接器解鎖和插入頭回收的功能，為進(jìn)一步解脫上部隔水管連接器做準(zhǔn)備。

針對(duì)不同深水半潛式鉆井平臺(tái)的防噴器控制系統(tǒng)的升級(jí)必須分別做好可行性研究工作，有目的、有選擇性地進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)。通過(guò)升級(jí)可使深水半潛式鉆井平臺(tái)防噴器控制系統(tǒng)滿足逐漸嚴(yán)格的安全鉆井要求，避免產(chǎn)生惡性安全事故。已經(jīng)采用較為先進(jìn)電液控制方式的第六代深水半潛式鉆井平臺(tái)可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)實(shí)踐有針對(duì)性地對(duì)防噴器控制系統(tǒng)中的缺陷進(jìn)行升級(jí)。升級(jí)工作建議選擇原廠家或者有資質(zhì)的廠家進(jìn)行，做好對(duì)功能升級(jí)后的測(cè)試與認(rèn)證。

4 結(jié)語(yǔ)

深水半潛式鉆井平臺(tái)防噴器控制系統(tǒng)的升級(jí)工作是一項(xiàng)系統(tǒng)工作，防噴器控制系統(tǒng)的升級(jí)主要圍繞著地面和水下系統(tǒng)進(jìn)行有針對(duì)性的升級(jí)。

（1）深水半潛式鉆井平臺(tái)防噴器控制系統(tǒng)地面系統(tǒng)的升級(jí)主要圍繞著液壓動(dòng)力單元和混液裝置進(jìn)行。

（2）深水半潛式鉆井平臺(tái)可以通過(guò)增加對(duì)伸縮節(jié)盤(pán)根的自動(dòng)控制方式，來(lái)減少泥漿泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，并通過(guò)安裝先導(dǎo)單向閥減慢氣液流失速度。

（3）深水半潛式平臺(tái)可以通過(guò)合理配置水下儲(chǔ)能器單元來(lái)提高供液流體的流量。

（4）深水半潛式鉆井平臺(tái)可以通過(guò)布置保壓系統(tǒng)來(lái)縮短供液響應(yīng)時(shí)間。

（5）深水半潛式鉆井平臺(tái)防噴器控制系統(tǒng)可以配置高壓剪切及應(yīng)急解脫單元來(lái)滿足深水安全鉆井的要求。

（6）深水半潛式鉆井平臺(tái)可以通過(guò)增加聲吶控制、失液應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)來(lái)增強(qiáng)應(yīng)急解脫系統(tǒng)。

（7）深水半潛式鉆井平臺(tái)防噴器控制系統(tǒng)可以根據(jù)作業(yè)實(shí)踐采取有針對(duì)性的改進(jìn)與升級(jí)，滿足作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要。