防噴器安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

李園園，陳國明，耿向忠

（1.中國石油大學(xué)（華東）海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東東營257061；2.蘭州理工大學(xué)，蘭州730050） ①

防噴器安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

李園園1，陳國明1，耿向忠2

（1.中國石油大學(xué)（華東）海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東東營257061；2.蘭州理工大學(xué)，蘭州730050）①

防噴器組作為海上鉆完井作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，可有效防止井涌、井噴等事故，對于保護(hù)人員、設(shè)備、海洋環(huán)境和油氣資源免受慘重破壞和污染起到重要作用。根據(jù)功能安全國際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，將防噴器及其控制系統(tǒng)等看作一個(gè)廣義的安全儀表系統(tǒng)，分析該系統(tǒng)的安全儀表功能及各部分可能存在的失效模式和冗余設(shè)置，可為防噴器的定量安全評估提供依據(jù)。

防噴器；安全儀表系統(tǒng)；安全功能

隨著石油開采向海洋進(jìn)軍，在經(jīng)歷過幾次大的海洋石油開采事故之后，海洋石油生產(chǎn)安全越來越受到關(guān)注［1］。安全儀表系統(tǒng)在保障平臺安全生產(chǎn)方面發(fā)揮了重要作用，其本身的安全性受到各國的重視，國內(nèi)外紛紛制定了相關(guān)的法律法規(guī)及對策措施來保障安全儀表系統(tǒng)的安全，從而預(yù)防和控制事故的發(fā)生。墨西哥灣“深水地平線”號鉆井平臺井噴爆炸著火事故的調(diào)查結(jié)果顯示：事故發(fā)生后不斷擴(kuò)大的一個(gè)重要的原因是安全防護(hù)措施失效，防噴器膠芯刺漏和緊急關(guān)斷系統(tǒng)等多項(xiàng)安全系統(tǒng)同時(shí)失效促進(jìn)了事故的后續(xù)發(fā)展，最終導(dǎo)致了事故的嚴(yán)重后果。

海洋平臺石油開采中，防噴器及其控制系統(tǒng)對預(yù)防井涌和井噴等危險(xiǎn)事故、保護(hù)人員和設(shè)備的安全起了重要作用［2－4］，其可靠與否對于保護(hù)整個(gè)平臺的安全都是至關(guān)重要的，因此很有必要展開防噴器

1 安全儀表功能分析

依據(jù)功能安全國際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定及要求，防噴器及其控制系統(tǒng)以及用于井涌、井噴檢測的設(shè)備設(shè)施等可以組成一個(gè)龐大復(fù)雜的安全儀表系統(tǒng)（以下稱為防噴器安全儀表系統(tǒng)）［5－6］。防噴器安全儀表系統(tǒng)的核心部件是防噴器組，在需要的情況下，通過對防噴器組的控制關(guān)閉防噴器，以保護(hù)井口及平臺的安全。因此，防噴器安全儀表系統(tǒng)的安全功能可根據(jù)防噴器組的功能確定，而防噴器組的安全功能則要考慮其組成部分的各個(gè)防噴器。

由于目前防噴器配置選型還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，水下防噴器根據(jù)水深和工作海域的不同而有所不同。防噴器的選配要根據(jù)地層壓力和工作環(huán)境條件來確定，主要由環(huán)形防噴器和閘板防噴器組成。

1.1 環(huán)形防噴器

環(huán)形防噴器必須配備液壓控制系統(tǒng)才能使用，可分為球形防噴器、錐形防噴器，通常與閘板防噴器配套使用，也可單獨(dú)使用。主要功能包括：

1） 當(dāng)井內(nèi)有鉆桿、方鉆桿、鉆桿接頭、鉆鋌等工具時(shí)，密封其與工具之間的環(huán)形區(qū)域。

2） 當(dāng)井內(nèi)無鉆具時(shí)，可短時(shí)間封閉整個(gè)井口，但通常情況下不允許做長時(shí)間關(guān)井用。

1.2 閘板防噴器

閘板防噴器是井控裝置的重要組成部分，可以有效控制井口壓力，防止井噴事故的發(fā)生。閘板防噴器按照閘板副數(shù)分為單閘板、雙閘板和三閘板防噴器；按照閘板形狀可分為全封、半封、剪切和變徑閘板防噴器。其主要功能包括：

1） 當(dāng)井內(nèi)無鉆具時(shí)，可封閉整個(gè)井口，又稱為封零。

2） 井中有鉆具時(shí)，可使用半封閘板封閉環(huán)形空間。

3） 緊急情況下，當(dāng)井內(nèi)有鉆具需要完全封井時(shí)，可使用剪切閘板剪切鉆具。

由以上環(huán)形防噴器和閘板防噴器的主要功能，歸結(jié)防噴器安全儀表系統(tǒng)的安全功能如下：

1） 井內(nèi)有鉆具時(shí)，可用于密封環(huán)形鉆柱區(qū)域。

2） 空井時(shí)密封整個(gè)井口。

3） 必要時(shí)切斷鉆具密封井口。

安全功能1）可以通過環(huán)形防噴器和管子閘板防噴器來執(zhí)行；安全功能2）需要盲剪切閘板執(zhí)行封井功能；安全功能3）在封井之前需要利用剪切閘板切斷鉆具。安全功能2）和安全功能3）可以歸結(jié)為一個(gè)功能，即封閉整個(gè)井口。

2 安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

確定了防噴器安全儀表系統(tǒng)的安全功能之后，接下來考慮執(zhí)行安全功能所涉及到的各個(gè)結(jié)構(gòu)與組成部分。防噴器安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，主要由檢測部分、控制部分、功能執(zhí)行部分以及輔助部分組成。

圖1 防噴器安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 檢測部分

檢測部分是指能夠檢測和預(yù)報(bào)井涌的儀器或設(shè)備，主要是指鉆井多參數(shù)儀。鉆井多參數(shù)儀是系統(tǒng)工作參數(shù)的集成儀表，有助于司鉆及時(shí)掌握鉆進(jìn)狀態(tài)，保證鉆進(jìn)安全。現(xiàn)場作業(yè)中，井眼和泥漿池是封閉的循環(huán)系統(tǒng)，發(fā)生井涌井漏時(shí)，在人機(jī)接口上會有所顯示，如鉆井液的性能及鉆井液數(shù)量會發(fā)生變化等。鉆井工程參數(shù)與井噴密切相關(guān)，通過對這些參數(shù)變化的監(jiān)測，便可預(yù)測井噴發(fā)生的可能性。可用于識別和判斷井涌發(fā)生的信號主要有：鉆井液返出量和鉆井液池體積增加、停泵后鉆井液外溢、起鉆時(shí)灌不進(jìn)鉆井液或灌入量少于起出的鉆具體積、循環(huán)系統(tǒng)壓力上升或下降、當(dāng)井底壓力失去平衡及鉆井時(shí)懸重的變化、鉆井時(shí)放空或鉆入低壓層時(shí)會發(fā)生井漏、出口鉆井液密度降低、出口鉆井液電導(dǎo)率升高、返出的鉆井液中有油花氣泡等［7］。這些參數(shù)是通過不同的傳感器探測并在人機(jī)界面上顯示，以便操作員能夠隨時(shí)了解和掌握井底情況。

用于監(jiān)測上述井涌發(fā)生信號的傳感器如圖2所示。這些傳感器都串聯(lián)在CAN總線上［8－9］，當(dāng)某處的傳感器檢測到異常時(shí)，都會在司鉆操控面板和中央控制板上顯示，司鉆需要作出合理的分析并采取相應(yīng)的措施。在現(xiàn)場作業(yè)中，能夠警示發(fā)生井涌的信號不止以上這些，這就要求司鉆或其他操作人員能夠正確分析現(xiàn)場情況，熟悉鉆井工藝。

圖2 海洋鉆井多參數(shù)儀系統(tǒng)現(xiàn)場分布

檢測部分的主要失效模式包括各個(gè)傳感器的單獨(dú)失效、信號傳輸線（CAN總線）失效、脈沖失效、信號輸入通道失效以及相互之間的共因失效等，對于不同參數(shù)的傳感器所采用的不同結(jié)構(gòu)（NooM）要分別進(jìn)行分析評估。理論上講，只要以上傳感器或者參數(shù)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)就要采取相應(yīng)的措施，但實(shí)際操作中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合分析，在保證安全的情況下應(yīng)盡量減少不必要的停車。

2.2 控制部分

控制部分實(shí)際上就是通常所講的防噴器控制系統(tǒng)，主要包括司鉆控制臺、中央控制臺、輔助控制臺、水下電子模塊（包括藍(lán)箱和黃箱）以及作為操作主體的人。

水下防噴器控制系統(tǒng)主要有液－液先導(dǎo)控制系統(tǒng)、電－液控制系統(tǒng)和多路電液控制系統(tǒng)。對控制系統(tǒng)的選擇主要是依據(jù)其響應(yīng)時(shí)間來決定的，關(guān)閉閘板防噴器的時(shí)間不應(yīng)超過45s，關(guān)閉環(huán)形防噴器的時(shí)間不應(yīng)超過60s。由于液壓先導(dǎo)控制信號在深水中的傳輸時(shí)間比較長，不能滿足關(guān)閉時(shí)間的要求，而單路電液控制系統(tǒng)所需導(dǎo)線多，隨水深增加其系統(tǒng)故障率比較高，因此，深水防噴器控制系統(tǒng)大都采用多路電液控制系統(tǒng)。多路電液控制系統(tǒng)信號衰減小，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，是目前深水防噴器控制的最佳選擇［10］。控制部分的主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 打開環(huán)形防噴器功能電液控制系統(tǒng)

檢測部分檢測到的現(xiàn)場信號輸送到中央控制系統(tǒng)，通過中央處理模塊的處理后顯示在操作界面上，同時(shí)在司鉆面板上顯示。司鉆或其他操作人員根據(jù)面板上現(xiàn)場參數(shù)的顯示來分析和判斷井底情況，并通過司鉆面板、中央控制面板和輔助面板（隊(duì)長面板）以loo3的形式進(jìn)行操作，即通過任何一個(gè)面板都可實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的操作。之后信號通過海底藍(lán)箱或黃箱以loo2的形式傳輸?shù)胶５纂娮幽K，海底電子模塊的處理模塊對信號進(jìn)行解碼響應(yīng)后，將信號傳至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

控制部分的主要失效模式包括面板顯示失效、中央處理單元的失效、各面板之間通訊失效、人員失誤、輸出通道失效、脈沖失效、水上與水下電子模塊通訊失效、水下電子模塊失效等。同時(shí)不能忽略各相關(guān)模塊間的共因失效。共因失效在防噴器控制系統(tǒng)的失效中占有很重要的部分，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的冗余在增加系統(tǒng)可靠性和可用性的同時(shí)也極大增加了系統(tǒng)的共因失效概率，應(yīng)認(rèn)真分析系統(tǒng)的冗余帶來的可靠性與增加冗余所引進(jìn)的失效之間的增減關(guān)系，合理經(jīng)濟(jì)地配置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

操作人員是控制系統(tǒng)的一部分，在IEC標(biāo)準(zhǔn)中要求當(dāng)人作為安全儀表系統(tǒng)的一部分時(shí)，其動作的可用性和可靠性應(yīng)在安全規(guī)范中加以規(guī)定，并包含在SIS的評估計(jì)算中。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定當(dāng)操作員的動作需要經(jīng)過允許或者開鎖設(shè)施（為防止偶然的動作而配備的）才能執(zhí)行時(shí)，就可排除操作員失誤。本系統(tǒng)中為防止操作員的失誤，當(dāng)需要執(zhí)行關(guān)閉防噴器動作時(shí)，操作員需要同時(shí)按住防噴器的關(guān)閉按鈕和電源按鈕才能執(zhí)行相應(yīng)的關(guān)閉動作，這就有效降低了操作員的失誤。但該系統(tǒng)中操作員需要對鉆井參數(shù)儀檢測到的井底異常或現(xiàn)場出現(xiàn)的異常情況作出分析判斷，因此人員失誤也應(yīng)包括在其中。因此，要求操作人員必須是經(jīng)過嚴(yán)格培訓(xùn)且持有相關(guān)的上崗證件。

2.3 執(zhí)行部分

執(zhí)行部分主要是指封閉井口的防噴器及其控制閥。深水防噴器組是由多個(gè)防噴器組成的，因此執(zhí)行時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的鉆井進(jìn)度，采取不同的關(guān)井步驟，關(guān)閉不同的防噴器。這是防噴器安全儀表系統(tǒng)有多個(gè)安全功能的原因。

需要時(shí)，操作員需一手按住電源按鈕，另一手按住所需關(guān)閉的防噴器的關(guān)閉按鈕，發(fā)出關(guān)閉某個(gè)防噴器的命令，信號傳到水下控制防噴器的電磁閥，將控制油路與防噴器的關(guān)閉腔接通，從而關(guān)閉防噴器。

執(zhí)行部分的失效主要指防噴器控制電磁閥和防噴器自身的失效，以及不同的防噴器之間、防噴器控制電磁閥之間的共因失效等。此部分不能簡單地表示為NooM結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵诓煌那闆r下所需關(guān)閉的防噴器類型及數(shù)量是不同的，應(yīng)根據(jù)實(shí)際安全功能的需要來確定。同時(shí)每一個(gè)防噴器都有屬于自己的一套控制系統(tǒng)，各個(gè)防噴器的控制信號都是通過藍(lán)箱或黃箱控制，并以loo2冗余結(jié)構(gòu)來控制的。單個(gè)防噴器的控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 BOP控制系統(tǒng)

2.4 輔助部分

輔助部分主要指液壓動力單元和電力系統(tǒng)，主要包括液壓泵系統(tǒng)（主泵和輔助泵）、儲液罐、混液罐、液壓控制管匯、水上／下蓄能器組、水上／下電池組、液壓管線和電纜線等。由于該系統(tǒng)不屬于斷電安全系統(tǒng)，所以應(yīng)將系統(tǒng)的各個(gè)輔助部分考慮在SIL（安全完整性等級）評估范圍之內(nèi)。

輔助部分的失效主要是指各部件本身失效以及各部件之間的通訊線路失效。原則上，在水上蓄能器組和水上電池組都可用的情況下，首先使用水上蓄能器組和水上電池組，特殊情況下啟動水下部分。但各個(gè)部分都可以獨(dú)立完成關(guān)閉全部防噴器的功能，因此SIL評估時(shí)也可以看作是loo2結(jié)構(gòu)。

根據(jù)功能安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，安全儀表系統(tǒng)由傳感器、邏輯控制器和最終執(zhí)行元件的任意組合組成，但防噴器安全儀表系統(tǒng)不屬于故障－安全型，要求其動作時(shí)需要液壓動力單元和電力系統(tǒng)的支持才能完成相應(yīng)的功能，因此結(jié)構(gòu)分析及評估時(shí)需將其考慮在內(nèi)，并將其作為一個(gè)單獨(dú)的部分存在。

利用風(fēng)險(xiǎn)圖法為防噴器安全儀表系統(tǒng)選擇安全完整性水平為SIL3，而根據(jù)挪威石油工業(yè)的要求，防噴器安全儀表系統(tǒng)的最低安全完整性水平為SIL2，兩者是一致的。通過對海洋平臺防噴器安全儀表系統(tǒng)的安全完整性評估，使其結(jié)構(gòu)配置和可靠性達(dá)到最優(yōu)化水平。

3 結(jié)語

防噴器安全儀表系統(tǒng)涉及到錄井、井控等多個(gè)階段，包括多個(gè)龐大復(fù)雜的設(shè)備，對該系統(tǒng)的有效分析和評價(jià)是保障海洋石油開采安全的重要內(nèi)容。展開對該系統(tǒng)的定量安全評估可有效地優(yōu)化系統(tǒng)配置和可靠性，并將對該系統(tǒng)安全問題的關(guān)注貫穿于整個(gè)生產(chǎn)階段，而不忽略任何環(huán)節(jié)，從而有效地預(yù)防和控制事故的發(fā)生。

［1］ 趙洪山，劉新華，白立業(yè).深水海洋石油鉆井裝備發(fā)展現(xiàn)狀［J］.石油礦場機(jī)械，2010，39（5）：68－74.

［2］ 肖力彤，宋振華，鄭 泳，等.Cameron結(jié)構(gòu)的防噴器殼體有限元分析［J］.石油礦場機(jī)械，2010，39（2）：38－40.

［3］ 王錫洲，付玉坤，朱海燕，等.閘板防噴器膠芯密封及損壞機(jī)理分析［J］.石油礦場機(jī)械，2010，39（2）：16－18.

［4］ 王存新，李嗣貴，王增國.深水鉆井水下防噴器組配置選型研究［J］.石油礦場機(jī)械，2009，38（2）：72－75.

［5］ ANSI／ISA 84.01—1996，Application of Safety Instrumented Systems for the Process Industries［S］.

［6］ IEC61508—2000，F(xiàn)unctional safety of electrical／electronic／programmable electronic safety－related systems［S］.

［7］ 宋樹濤.鉆井多參數(shù)儀的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢［J］.中國儀器儀表，2003（6）：1－4.

［8］ 鄧忠彬，王 濤，王幼平.海洋鉆井多參數(shù)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.石油礦場機(jī)械，2010，39（7）：54－59.

［9］ 牛文鑒，李硯藻.井涌井漏實(shí)時(shí)預(yù)測策略研究［J］.國外地質(zhì)勘探技術(shù)，1996（2）：29－33.

［10］ 段明星，李明亮，陳瑞峰，等.深水防噴器系統(tǒng)可靠性探討［J］.中國造船，2010，51（增刊2）：297－301.

Structure Analysis of BOP as Safety Instrumented System

LI Yuan－yuan1，CHEN Guo－ming1，GENG Xiang－zhong2
（1.Centre for Offshore Engineering and Safety Technology，China University of Petroleum，Dongying257061，China；2.Lanzhou University of Technology，Lanzhou730050，China）

As the key equipment of offshore drilling and completion work，BOPs can be used effectively to prevent the dangerous accidents，such as well kick and well blowout，and also play an important role on protecting people，equipment，marine environment and oil and gas resources from heavy damage and pollution.On the view of the important role of BOPs on offshore oil exploitation，and according to the requirements of functional safety international standards，the BOP and its control system is treated as a safety instrumented system，and its safety instrumented function is analyzed.By dividing the system into testing section，control section，function execution section and the auxiliary section，an investigation is made on the possible failure mode and redundancy settings of each part.The analysis on the structure and function of BOP may be used to provide certain ideas and guidance for BOP quantitative evaluation.

BOP；SIS；safety function

1001－3482（2011）12－0006－05

TE921.5

A

2011－06－15

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（09CX05008A）

李園園（1985－），女，山東東營人，碩士，主要從事海洋石油裝備安全完整性研究。及其控制系統(tǒng)的整體安全評估。防噴器及其控制系統(tǒng)作為井控的重要裝置，具備特定的安全功能，可以將其看作一個(gè)廣義的安全儀表系統(tǒng)。本文根據(jù)功能安全標(biāo)準(zhǔn)的要求對其展開儀表功能和結(jié)構(gòu)分析，為防噴器的定量安全評估提供分析基礎(chǔ)。