水下防噴器自動(dòng)剪切和失效安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路探討

方宏偉

中海油田服務(wù)股份有限公司深圳分公司 廣東深圳 518057

水下防噴器是海洋石油鉆井行業(yè)水下作業(yè)過(guò)程中必須具備的實(shí)用器具之一，主要設(shè)置在海底，是控制和防止井噴的一種井口設(shè)備。美國(guó)安全與環(huán)境執(zhí)法局在2016 年公布了一則關(guān)于水下防噴器的最終井口控制規(guī)范[1]，要求水下防噴器除了要配備兩組鉆桿剪切閘板之外，還需要具備自動(dòng)剪切技術(shù)和失效安全技術(shù)這兩種應(yīng)急系統(tǒng)。面對(duì)這樣的強(qiáng)制性規(guī)定措施，所有現(xiàn)役的水下防噴器全部需要根據(jù)要求進(jìn)行改進(jìn)。

1 安全控制系統(tǒng)

安全控制系統(tǒng)又稱電液多路控制應(yīng)急系統(tǒng)，主要分為水面和水下兩個(gè)部分。其中液壓沖蓄能、控制面板、中央處理器，以及系統(tǒng)的所有電力通信裝置均設(shè)置于水上（水面）。水下主要是電子運(yùn)行系統(tǒng)、總閥門組和應(yīng)急控制單元。水面之上的液壓沖蓄能和水面之下的控制面板直接連接，水面上下分別由隔水管進(jìn)行連接。水面部分的液壓通過(guò)隔水管上的剛性液壓管和軟管為水下的控制回路液壓提供動(dòng)能，負(fù)責(zé)對(duì)先導(dǎo)信號(hào)進(jìn)行控制[2]。水面之上的電力通信裝置與水面之下的電子運(yùn)行系統(tǒng)相連，電力通信裝置可以通過(guò)隔水管的依附電纜接收水下電子模塊的信號(hào)，并提供該模塊必要的電能。所有控制系統(tǒng)終端均在水上，液壓先導(dǎo)回路直接控制主液壓控制回路。水下液壓控制回路與電子模塊同為一體。

1.1 水下防噴器應(yīng)急系統(tǒng)裝置設(shè)置

水下防噴器的應(yīng)急系統(tǒng)分為四大板塊，分別為自動(dòng)剪切系統(tǒng)、失效安全系統(tǒng)、聲學(xué)控制系統(tǒng)和水下機(jī)器人。自動(dòng)剪切系統(tǒng)受到下部隔水管的直接控制，其應(yīng)用與下部隔水管和防噴器組有關(guān)，因此在這兩個(gè)單元之間加設(shè)推桿液壓閥。當(dāng)自動(dòng)剪切系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)作時(shí)，需要先等待隔水管總成部分和防噴器組部分脫離后，液壓閥會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟；先導(dǎo)液進(jìn)入到主控制閥中后會(huì)與主控制回路相連接，后續(xù)控制液開(kāi)始對(duì)防噴器組進(jìn)行推動(dòng)，直到關(guān)閉切斷閘板。在此之前，主液壓控制和電信號(hào)回路會(huì)相繼中斷。失效安全控制系統(tǒng)主要是在主液壓控制和電信號(hào)回路均關(guān)閉，且自動(dòng)關(guān)井之后進(jìn)行的一種安全防護(hù)措施。安全系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)在所有預(yù)備情況實(shí)現(xiàn)后展開(kāi)，即液壓先導(dǎo)回路串聯(lián)到液壓閥上，此時(shí)的液壓閥已經(jīng)失去了供電信號(hào)和液壓信號(hào)，處于停擺狀態(tài)。這意味著水下防噴器的隔水管總成同時(shí)失去了雙重控制，此時(shí)失效安全預(yù)備裝置實(shí)行隔離安全系統(tǒng)運(yùn)行，對(duì)主控制回路進(jìn)行管理[3]。

1.2 應(yīng)急備份系統(tǒng)

極端情況下水下防噴器的隔水管總成及所有防噴器組均會(huì)失去控制脫開(kāi)，此時(shí)的防噴器組元件將會(huì)失去液壓控制能量。因此，為了保證系統(tǒng)能源的持續(xù)供應(yīng)，需要在防噴器的底部再放置一個(gè)備用能源。其負(fù)責(zé)在失去常規(guī)液壓控制能量時(shí)，繼續(xù)行使防噴器的主要任務(wù)。它負(fù)責(zé)切斷閘板及盲封閘板，并進(jìn)行應(yīng)急系統(tǒng)開(kāi)關(guān)操作。正常情況下，水下防噴器在應(yīng)急系統(tǒng)啟動(dòng)之后，可以依靠應(yīng)急備份系統(tǒng)持續(xù)工作。該備份儲(chǔ)能系統(tǒng)能源來(lái)自水面蓄能器組的單向能源。

2 應(yīng)急裝置控制需求的實(shí)現(xiàn)方案

單獨(dú)來(lái)看，自動(dòng)剪切系統(tǒng)回路需要由下部隔水管總成和防噴器組進(jìn)行調(diào)動(dòng)，失效安全系統(tǒng)需要在失去電信號(hào)和液壓信號(hào)之后啟動(dòng)。而如何完成兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)安裝設(shè)計(jì)的需要，就要把單獨(dú)兩者的實(shí)現(xiàn)因素統(tǒng)一起來(lái)看待。首先，要對(duì)利用梭閥將自動(dòng)剪切回路和失效安全回路連接起來(lái)；之后，需要對(duì)單個(gè)的剪切閘板水下防噴器組進(jìn)行連接。

3 自動(dòng)剪切系統(tǒng)與失效安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)剪切系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采用仿真模型設(shè)計(jì)參考的方式來(lái)進(jìn)行自動(dòng)剪切系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程選擇仿真軟件為Simulation X，該軟件有大量的海洋工程工作經(jīng)驗(yàn)。仿真模型的設(shè)計(jì)在井液壓力和海水壓力同步作用下進(jìn)行，因?yàn)樵谒路绹娖鞯膶?shí)際工作環(huán)境中，同時(shí)存在海水靜液的壓力和壓井液、井內(nèi)溢出液的壓力。

自動(dòng)剪切設(shè)計(jì)需要考慮剪切過(guò)程的受力變化情況，包括彈性變形、塑性變形最終到斷裂成形。彈性變形主要是在剪切閘板剪斷鉆桿的過(guò)程中形成，之后隨著當(dāng)剪切力度不斷加大，鉆桿會(huì)從彈性變形進(jìn)一步發(fā)展成為塑性變形。當(dāng)剪切力發(fā)展到一定程度，刀刃穿過(guò)鉆桿時(shí)的剪切力最大，此時(shí)鉆桿會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)位和變形，應(yīng)力隨之降低。這期間一共發(fā)生了四次剪切閘板的不同活動(dòng)，即閘板先對(duì)應(yīng)到鉆桿位置，擠壓鉆桿，開(kāi)始剪切鉆桿，最后剪斷鉆桿。根據(jù)這四個(gè)不同階段剪切閘板的受力曲線變化情況進(jìn)行仿真模型設(shè)計(jì)。仿真模型由四個(gè)主要部分構(gòu)成，分別為剪切閘板執(zhí)行關(guān)閉腔、運(yùn)動(dòng)阻尼器、剪切閘板執(zhí)行器和剪切閘板執(zhí)行器開(kāi)啟腔。閘板執(zhí)行器的開(kāi)啟腔和關(guān)閉腔控制模型兩端，讓模型形成一個(gè)閉環(huán)。剪切閘板即自動(dòng)剪切系統(tǒng)的整體運(yùn)作動(dòng)力來(lái)源于備用的蓄能系統(tǒng)，因此除了考慮剪切閘板與備用蓄能之間的連接問(wèn)題，還需要考慮蓄能裝置的安全設(shè)計(jì)問(wèn)題。因?yàn)楫?dāng)失去電信號(hào)和液壓信號(hào)之后，自動(dòng)剪切系統(tǒng)和失效安全系統(tǒng)都需要由備用蓄能組來(lái)提供高壓油液，因此如果該備用系統(tǒng)出現(xiàn)了油液泄露，很可能影響到剪切閘板的任務(wù)執(zhí)行[4]。因此，仿真模型應(yīng)盡量縮小蓄能器組的容積，降低可能出現(xiàn)漏液的情況。只要該備用系統(tǒng)能夠滿足自動(dòng)剪切系統(tǒng)和實(shí)效安全系統(tǒng)的蓄能需求，就可以安裝和使用。

仿真設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)剪切閘板的關(guān)閉情況和關(guān)閉效率進(jìn)行了集中實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)在常規(guī)壓力下，當(dāng)自動(dòng)剪切程序被激活之后，剪切閘板即開(kāi)始對(duì)鉆桿進(jìn)行剪切，一直到鉆桿被完全切斷后，井口完全封閉。這期間剪切閘板會(huì)將操作時(shí)間控制在12s 之內(nèi)，當(dāng)執(zhí)行器開(kāi)始關(guān)閉后，剪切閘板能夠在該時(shí)間區(qū)間內(nèi)到達(dá)鉆桿位置。壓力一直上升，直到閘板能夠抱住鉆桿位置；在15s 的時(shí)候刀口可以接觸到鉆桿，開(kāi)始剪切后可以在3s 之內(nèi)剪斷鉆桿。這個(gè)過(guò)程中開(kāi)啟腔和關(guān)閉腔面臨的壓力一直不變[5]。為了分?jǐn)偤线m的蓄能，并盡可能少調(diào)動(dòng)蓄能器，對(duì)蓄能器的數(shù)量設(shè)置和容積設(shè)置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)如果盡可能多且迅速完成剪切工作，在保持的9 個(gè)蓄能器中，只需要3 個(gè)正常工作即可。而再加上失效安全系統(tǒng)，該數(shù)字可以控制在3 個(gè)或以上，但是不必設(shè)置9 個(gè)蓄能器。

3.2 失效安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

失效安全系統(tǒng)也可以稱為故障保險(xiǎn)系統(tǒng)，在水下防噴器的特定故障情況下開(kāi)啟安全保護(hù)任務(wù)。失效安全系統(tǒng)承擔(dān)的是二次井控任務(wù)，本研究通過(guò)仿真模型設(shè)計(jì)對(duì)其應(yīng)用及性能進(jìn)行評(píng)估。失效安全系統(tǒng)由把手、堵頭、剪切閘板關(guān)位和井口連接器開(kāi)位4 個(gè)單元組成，這是失效安全功能的主要控制面板。在防噴器的應(yīng)急程序打開(kāi)之后，剪切閘板關(guān)閉；然后井口連接器打開(kāi)，堵頭實(shí)行封頂任務(wù)，以防止海水和垃圾在失控情況下進(jìn)入到閘板關(guān)位和井口連接器的開(kāi)位管線及控制閥內(nèi)部，以致造成堵塞。水下機(jī)器人是連接失效安全系統(tǒng)的必要裝置，防噴器應(yīng)急裝置開(kāi)啟之后，需要通過(guò)水下機(jī)器人來(lái)控制面板剪切閘板關(guān)位或者將井口連接器的開(kāi)位堵頭拔出。

3.2.1 剪切閘板關(guān)閉功能測(cè)試

（1）當(dāng)進(jìn)入到防噴器組回收階段時(shí)，儲(chǔ)能器倉(cāng)的選擇閥和剪切閘板及后通閥手柄均需調(diào)整成零壓力。

（2）關(guān)閉防噴器的控制系統(tǒng)，防止導(dǎo)流器控制系統(tǒng)和司控柜的液壓源。

公路項(xiàng)目點(diǎn)多面廣戰(zhàn)線長(zhǎng)，工期制約因素眾多，本文從4個(gè)方面系統(tǒng)地給出了進(jìn)度的影響因素，并淺析了公路工程進(jìn)度制約因素的解決思路對(duì)策和方法，項(xiàng)目管理開(kāi)始實(shí)施時(shí)應(yīng)建立BIM系統(tǒng)進(jìn)行信息化系統(tǒng)管理，便于系統(tǒng)有效監(jiān)管運(yùn)行高效。

（3）利用1500psi 液壓源通過(guò)4000psi 的高壓軟管，將其傳遞到剪切閘板的關(guān)位腔體內(nèi)部。當(dāng)主控制室內(nèi)的流體劑量超過(guò)了15.6 加侖時(shí)，水下防噴組的剪切閘板被判定處于關(guān)閉狀態(tài)[6]。

（4）檢查閘板關(guān)閉之后，再次回復(fù)備用蓄能系統(tǒng)的控制。剪切閘板負(fù)責(zé)控制手柄的中位，設(shè)備的下部外側(cè)壓井事故安全閥和下部?jī)?nèi)側(cè)壓井事故安全閥全部打開(kāi)，將固井泵打壓到套管能承受的壓力，大約為2000psi，一直穩(wěn)壓15min，確保該過(guò)程無(wú)任何的泄露情況和穩(wěn)壓情況后即可判定剪切板為關(guān)閉，封井功能完好。

3.2.2 井口連接器打開(kāi)功能測(cè)試

（1）安排水下機(jī)器人游走到下防噴器組井口連接器的位置，并在系統(tǒng)的“開(kāi)位”和“關(guān)位”指示桿附近觀察，確保指示系統(tǒng)處于正常狀態(tài)。

（2）當(dāng)水下防噴器的運(yùn)作完全停止，確定可以進(jìn)入到回收階段之后，將預(yù)備蓄能系統(tǒng)打開(kāi)，對(duì)防噴器的控制面板藍(lán)黃系統(tǒng)進(jìn)行控制。手動(dòng)選擇閥門井口連接器的三位四通閥手柄，將其扳至中位，保證管位的會(huì)聚壓力和先導(dǎo)壓力調(diào)為零。

（3）將防噴器控制系統(tǒng)與導(dǎo)流器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)司控柜系統(tǒng)之間的液壓源連接切斷。

（4）操作1500psi 液壓源通過(guò)4000psi 的高壓軟管，保證應(yīng)急功能井口開(kāi)位腔體正常，且傳遞能量充足，無(wú)任何蓄能不良狀態(tài)。當(dāng)主控柜的流量計(jì)讀數(shù)顯示為6.2 加侖時(shí)，理論可以判斷井口連接器已打開(kāi)。

（5）指示系統(tǒng)觀察井口連接器指示桿的“關(guān)位”狀態(tài)是否變?yōu)椤伴_(kāi)位”狀態(tài)，判斷井口連接器是否可以打開(kāi)，確保防噴器失效安全系統(tǒng)的開(kāi)位功能正常。

（6）指示系統(tǒng)按照標(biāo)準(zhǔn)將防噴器組的連接器拆出后，對(duì)失效安全控制系統(tǒng)的控制面板井口連接器開(kāi)位堵頭裝復(fù)。

（7）恢復(fù)防噴器控制系統(tǒng)到正常使用狀態(tài)，通過(guò)防噴器控制系統(tǒng)來(lái)操作剪切閘板關(guān)位和井口連接器開(kāi)位功能，以及復(fù)核剪切閘板打開(kāi)狀態(tài)、井口連接器開(kāi)位功能，記錄流量計(jì)數(shù)值，轉(zhuǎn)入正常回收水下防噴器組程序。

4 結(jié)語(yǔ)

水下防噴器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)其水下運(yùn)作至關(guān)重要，而自動(dòng)剪切系統(tǒng)和失效安全系統(tǒng)是兩個(gè)主要構(gòu)成部分。自從設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有所改動(dòng)之后，該系統(tǒng)整體的研發(fā)和設(shè)計(jì)實(shí)力一直被發(fā)達(dá)國(guó)家掌握，國(guó)內(nèi)的研究尚沒(méi)有根本性突破。本研究將安全控制系統(tǒng)進(jìn)行拆分，對(duì)自動(dòng)剪切技術(shù)和失效安全系統(tǒng)逐一仿真模擬設(shè)計(jì)，但僅提供了基本的設(shè)計(jì)思路，具體的設(shè)計(jì)方案還需要在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中進(jìn)一步調(diào)整。