深水防噴器組自動剪切系統模擬分析

李 博，鄭德貴，郭江艷，李迅科

（1.中海油研究總院，北京100028；2.中國石油長慶油田公司第六采油廠，西安710200）

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深水防噴器組自動剪切系統模擬分析

李 博1，鄭德貴2，郭江艷1，李迅科1

（1.中海油研究總院，北京100028；2.中國石油長慶油田公司第六采油廠，西安710200）

摘要：利用simulation X系統仿真軟件，對深水水下防噴器組自動剪切系統進行了建模及仿真分析。以南海某油氣田的深水防噴器組自動剪切系統為例，利用其設備參數及現場反饋的數據作為輸入參數，模擬了防噴器的水下蓄能器組部分失效時剪切閘板的封井過程，得到了系統實現封井所需的最少蓄能器配置。仿真結果對工程實際有重要意義。

關鍵詞：深水；防噴器；二次井控；模擬

當防噴器組主控制系統部分或者完全失效時，需要有輔助以及備用的控制系統來完成防噴器組的操作，這個操作過程稱為二次井控［1］。二次井控系統是深水防噴器主控系統失效后的最后1道安全防線，其可靠性是深水鉆井作業的生命線［2］。2010-04-20發生的墨西哥灣深水地平線漏油事故中，防噴器組的緊急脫開系統在鉆井平臺發生爆炸后，沒有能夠執行剪斷鉆桿封閉井口的功能，導致原油大量泄漏［3-4］。

本文研究的目的是要分析自動剪切系統在防噴器組發生意外情況時是否能夠完成封井動作。以南海某油氣田的深水防噴器組為例，并考慮極端工況——水下蓄能器組部分失效時自動剪切功能的執行情況，仿真結果對于工程實際有重要參考價值。

1 系統簡介

自動剪切系統是二次井控系統的重要組成部分，其運行模式為：整個系統先處于待命模式，可以通過平臺上的手動操作，或者通過R O V在防噴器組固定到井口上后將其啟動。自動剪切系統的觸發裝置是1個有壓縮彈簧驅動的機械操作式的接近開關（如圖1所示），安裝在防噴器組的頂部LMRP下部。當LMRP處于正常工作位置時，其處于不激活的狀態；當LMRP脫開時，彈簧力將其打開，自動剪切系統被激活，然后該系統的專用蓄能器內的高壓動力液就會直接作用到剪切閘板防噴器的液壓缸上，將剪切閘板防噴器關閉［5］。自動剪切系統的工作原理如圖2所示。

圖1　LMRP接近開關

圖2　自動剪切系統原理

自動剪切系統的設計是為了當LMRP與BOP組分離后，關閉盲板剪切閘板以密封井眼。根據南海某鉆井平臺操作手冊，該平臺的自動剪切系統將自動啟動3 747.5 L（990 U Sgal）的蓄能器關閉剪切閘板。

鉆桿剪切可以分為剪切閘板運動、鉆桿受到擠壓（剪切力增大至突然下降）、鉆桿錯斷成形3個過程［6］，如圖3所示。

圖3　剪切鉆桿過程示意

2 深水防噴器組自動剪切系統建模

2.1 仿真軟件

本文采用系統仿真軟件simulation X進行模擬分析，該軟件應用于海洋及近海工程并經過了大量工程實踐驗證，可以進行防噴器組液壓控制系統的動態響應分析，也可對防噴器組蓄能器的配置進行分析［7-8］。

2.2 仿真模型

水下防噴器環空存在壓井液或井內溢出液，同時其處于海底還受到海水靜液壓力的作用。因此，在實際使用中，這2個壓力真實存在且不能忽略［9-10］。剪切防噴器受力分析如圖4所示。

圖4　剪切防噴器受力分析

剪切閘板（BS R）剪斷鉆桿的過程中閘板受力是變化的（如圖5），可以看出：鉆桿受到擠壓發生彈性變形（第3幀）；剪切力逐漸增大，鉆桿發生塑性變形，達到鉆桿極限強度后（第14幀），刀刃開始剪切和穿過鉆桿，此時剪切力最大；隨著剪切的進行，剪切刀具迫使鉆桿錯斷、成形，應力也隨之降低（第19幀）。根據鉆桿剪切的力學性能特點，可以將剪切閘板的運動過程分為4個階段：①閘板移動到鉆桿；②閘板擠壓鉆桿；③閘板剪切鉆桿；④閘板剪斷鉆桿。4個階段剪切閘板位移和活塞桿腔內液壓力情況如圖6所示。

圖5　鉆桿剪切過程受力分析

圖6　剪切閘板受力曲線

圖7是simulation X軟件中建立的剪切閘板仿真模型。閘板運動過程由圖6定義，在模型中通過1個位移傳感器組成閉環系統，模擬剪切閘板從開始運動到剪斷鉆桿全過程的受力變化。

剪切閘板的驅動力來自水面下蓄能器組提供的高壓油液。蓄能器組的安全性是設計的關鍵問題，即當蓄能器組中的部分蓄能器失效或發生油液泄露時，剪切閘板是否還能夠執行完成剪斷鉆桿的功能。仿真過程中，通過減小蓄能器組的有效容積模擬蓄能器的失效，從而可以得到執行任務所需最小蓄能器組的有效容積。圖8是水下蓄能器組、臍帶纜和水面動力源的仿真模型。

圖7　剪切閘板仿真模型

圖8　水下蓄能器組、臍帶纜和水面動力源仿真模型

蓄能器組釋放高壓油液后需要一個補液過程，再次達到系統預設的工作壓力。水下蓄能器組的補液是由水面動力源提供的高壓油液，通過臍帶纜中的液壓管線輸送至水下蓄能器。臍帶纜中高壓油液的沿程壓力損失采用有限體積法計算。

3 仿真分析

3.1 關閉剪切閘板

此工況中模擬自動剪切程序被激活后，在水下蓄能器提供的高壓動力液作用下，剪切閘板開始關閉并剪切149.2mm（58英寸）鉆桿，直至鉆桿被剪斷，井口完全封閉，仿真目的是檢驗所建立的仿真模型是否能夠如實地模擬關閉過程。

在1 500 m水深和BOP內10.3MPa（1 500 psi）的壓力下，關閉和剪切鉆桿時，BS R執行器1的行程與剪切閘板（BS R）開啟腔和關閉腔的壓力如圖9～10所示。執行器在2 s開始關閉，在11.4 s刀口到達鉆桿，壓力增加直到足夠抱住鉆桿；在16 s，刀口開始剪切鉆桿，在17.7 s剪斷鉆桿。

圖9　BSR執行器1關閉腔和開啟腔壓力

圖10　BSR執行器1行程

BS R執行器2的行程與開啟腔和關閉腔壓力如圖11～12所示。執行器在2 s開始關閉，在10 s刀口到達鉆桿，行程停止直到11.4 s，此時執行器1到達鉆桿。然后壓力隨著執行器1平行的增加，2個執行器在16 s開始剪切鉆桿。執行器1在17.7 s通過管壁，此時執行器2停止，直到執行器1到達行程末端停止和壓力再一次增加。在19.1 s執行器2通過鉆桿并快速移動到行程末端停止。

圖11　BSR執行器2關閉腔和開啟腔壓力

圖12　BSR執行器2行程

自動剪切蓄能器共9個，總容積3 747.5 L（990 U Sgal），在地面預充氣體到20.7MPa（3 000 psi），在水底工作壓力34.5MPa（5 000 psi）＋靜壓差。蓄能器可用的容積是1 755.7 L（463.8 U Sgal）。剪切之后，體積下降到1 627.7 L（430.1 U Sgal），壓力最小值是42.1MPa（6 111 psi），如圖13所示。

圖13　蓄能器壓力和容積曲線

3.2 減少蓄能器容積關閉剪切閘板

仿真這種情況是為了找出最少保留幾個蓄能器的情況下系統仍能剪切鉆桿。設置了9個蓄能器中只有3個正常工作，總的可用蓄能器容積是1 249.1 L（330 U Sgal）。

執行器1在2 s開始關閉。在12.2 s刀口到達鉆桿，壓力增加直到足夠抱住鉆桿。在19.4 s，執行器1的刀口開始剪切鉆桿，在24.3 s通過鉆桿。執行器2在10.6 s刀口到達鉆桿，行程停止直到12.2 s，此時執行器1到達鉆桿。然后壓力隨著執行器1平行地增加，2個執行器在19.4s開始剪切鉆桿。執行器1在24.3 s通過管壁，此時執行器2停止，直到執行器1到達行程末端停止和壓力再一次增加。在27.4 s執行器2通過鉆桿并快速移動到行程末端停止。

圖14　BSR執行器1和2的行程

圖15　3個蓄能器工作時的壓力和容積變化

蓄能器總容積1 249.1 L（330 U Sgal），在地面預充氣體到20.7MPa（3 000 psi），在海底工作壓力34.5MPa（5 000 psi）＋靜壓差。蓄能器可用的容積是634.8 L（167.7 U Sgal）。剪切之后，容積下降到506.5 L（133.8 U Sgal），壓力最小值是30.4MPa （4 413 psi），如圖15所示。

若只有2個蓄能器能夠正常工作，剪切閘板執行剪切動作失敗，鉆桿未被剪斷，BS R執行器的行程如圖16所示。

自動剪切蓄能器總容積832.7 L（220 U Sgal），在地面預充氣體到20.7MPa（3 000 psi），在海底工作壓力34.5MPa（5 000 psi）＋靜壓差，蓄能器可用的容積是424.3 L（112.1 U Sgal）。仿真結束時，剩余容積331.6 L（87.6 U Sgal），剪切停止時壓力是29.4MPa（4 271 psi），如圖17所示。

圖16　BSR執行器1和2的行程

圖17　2個蓄能器工作時的壓力和容積變化

4 結論

1） 建立了水下防噴器組剪切閘板的仿真模型，在二次井控系統中，剪切閘板關閉程序被激活后，由水下蓄能器組提供高壓動力液驅動閘板剪斷鉆桿，封閉井口。

2） simulation X系統軟件仿真結果表明，所建立的模型如實地模擬了剪切和封井的過程。通過仿真還可以模擬在某些極端工況下（如蓄能器組部分失效時）剪切閘板的動作過程。

3） 以南海某油氣田的深水防噴器組為例，原有9個水下蓄能器，在最少保留3個蓄能器正常工作的極端條件下，二次井控系統仍能剪斷鉆桿并封閉井口。

參考文獻：

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DeepWater BOP Auto Shear System simulation and Analysis

LI Bo1，ZHENG Degui2，GUO Jiangyan1，LI Xunke1
（1.CNOOC Reseɑrch Institute，Beijing 100028，Chinɑ；2. No.6 Production Plɑnt，PetroChinɑ Chɑngqing Oilfield Compɑny，Xi’ɑn 710200，Chinɑ）

Abstract：The shear ram simulation model has been set up by the simulation X software；the model sim ulated the process of shearing the drill pipe while pipe ram closed the wellhead. The south China Sea oil and gas fields deep water BOP stack are used for example，the process of shear ram closed the wellhead was sim ulated，the least subsea accumulators configuration under the condition of subsea accumulators failures had been analyzed，and the simulation results are quite meaningful for engineering.

Key Words：deep water；BOP；secondary well control；simulation

作者簡介：李 博（1983-），男，山東陽谷人，工程師，碩士，主要從事水下生產系統及深水防噴器研發設計工作，E-mail：libo8 @ cnooc.com.cn。

基金項目：國家科技重大專項“半潛式鉆井平臺關鍵技術研究”（2011Z X05027-001-01）

收稿日期：2015-07-27

文章編號：1001-3482（2016）01-0006-06

中圖分類號：TE952

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.002