海洋油氣開發水下防噴器緊急備用控制系統研究

耿艷東，王　莎，王衛華，吳國輝，侯國慶

(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

?

海洋油氣開發水下防噴器緊急備用控制系統研究

耿艷東，王莎，王衛華，吳國輝，侯國慶

(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

摘要：針對國內外老舊半潛式鉆井平臺缺乏有效二級干預手段來快速遏制井噴的問題，分析國際主流水下防噴器緊急備用控制系統特點與工作原理，綜合考慮各系統可靠性、響應速度以及配置影響因素，確定梯度布置多種緊急備用控制系統的總體方案。探討未來水下防噴器緊急備用控制系統的發展趨勢，為海洋油氣開發用井控設備的國產化提供參考。

關鍵詞：水下防噴器；控制系統；分析

國內外有很多在役半潛式鉆井平臺建造于20世紀80～90年代[1]，平臺配套的防噴器組和控制系統歷經多次大修，大多存在設備老化、控制系統使用性能下降、缺乏有效二級干預手段遏制井噴等諸多安全隱患。2010年發生的Deepwater Horizon井噴事故造成重大損失，促使各大鉆井公司、相關機構及組織出臺多種應對措施，其中重要的一項措施就是要求增加水下防噴器緊急備用控制系統，同時提高緊急備用控制系統的維護頻率，從而提升鉆井安全可靠性[2-3]。

1緊急備用控制系統特點分析

水下防噴器緊急備用控制系統也可稱為水下防噴器應急安全控制系統，是一種應對海洋鉆井突發狀況的二級干預系統。該系統不同于搶險所用的應急封堵裝置(即Capping Stack)[4]，兩者使用階段不同。水下防噴器緊急備用控制系統主要用于水下防噴器主控制系統失效后，發生井噴的初期或井噴還未發生時，是保證海洋井控安全的最后一道屏障；應急封堵裝置則是在主控系統與緊急備用控制系統全部失效且井噴事故發生后搶險使用。

目前廣泛使用的緊急備用控制系統包含：自動停機系統(Deadman或EHBS)、自動模式功能(Automatic Mode Function，簡稱AMF)、自動剪切系統(Autoshear)、聲控系統(Acoustic Control System)、ROV操作系統以及緊急脫斷系統(Emergency Disconnect System，簡稱EDS)等[5-7]。

1.1自動停機系統

自動停機系統具備獨立的控制箱或液壓回路，可在水下防噴器主控系統的電路、液路均失效時自動關閉井口，主要用于NOV公司所產水下防噴器控制系統中，其基本液壓原理如圖1。該系統具備功能多樣、響應迅速以及獨立程度高等優點，但是系統激活需整個水下防噴器主控制系統處于完全失控狀態，若有一項處于正常狀態就不能激活，這樣設定雖可避免非緊急情況的停鉆事故，但也存在問題。例如井噴已經發生，主控系統電路完全失效但蓄能器仍舊有壓力，自動停機系統因僅檢測到電缺失無法激活，從而錯過最佳響應期，導致事故擴大。

圖1　典型自動停機系統的液壓原理

1.2自動模式功能

自動模式功能是一種非獨立式緊急備用控制系統，需借助主控系統部分組件及油路來實現井控操作，主要用于Cameron公司所產水下防噴器控制系統中。其觸發條件及功能與自動停機系統相似，均需要主控制系統電液信號全部缺失時才能激活。該系統結構簡單，成本較低且可完成較為復雜的動作指令。但由于該系統是非獨立系統，需借用主控系統的部件，生存能力差，一旦主控系統的部分零部件失效時，系統亦無法啟動。2010年發生的深水地平線鉆井平臺事故中的平臺配備的自動模式功能未正常工作，錯失了成功控制井壓的機會，造成了嚴重后果。圖2為深水地平線鉆井平臺自動模式功能簡化失效原理圖[8]。

圖2　深水地平線自動模式功能簡化失效原理

1.3自動剪切系統

自動剪切系統也是一種獨立式緊急備用控制系統，在NOV、Cameron以及Hydril等多家公司所產水下防噴器組控制系統中均有所應用，該系統可在條件滿足時關閉一個全封剪切閘板，圖3是一種典型自動剪切系統的液壓原理圖。其觸發條件與自動停機系統、自動模式功能不同，只有在LMRP隔水管連接器意外斷開時，才可以觸發執行相應井控操作指令。該系統通過改造可以變為自動停機系統，Oceaneering以及Cameron等公司的自動剪切系統，均可實現此種改造，如圖4。該系統結構簡單、響應迅速，但其缺點是功能單一。

圖3　典型自動剪切系統的液壓原理

圖4　Oceaneering自動停機/自動剪切控制箱

1.4聲控系統

聲控系統是一種獨立式緊急備用控制系統，采用遙控控制，靠聲波信號傳遞命令，可以在拖輪或救生艇上控制水下防噴器相關功能。聲控系統主要由水面聲納部分、水下聲納部分以及水下聲控控制箱組成。控制指令通過水面聲納部分編碼形成獨特的聲波信號發送至水下聲納部分，然后水下聲控控制箱的電子部分在接受水下聲納部分傳送過來的聲波信號后解碼并動作相應液壓閥實現防噴器的不同操作。圖5是典型聲控操作系統液壓原理圖。其特點是功能多樣，可由操作人員根據需要進行多種應急操作，但其結構復雜，成本較高，響應速度較慢，易受海底噪聲影響[9-10]。

圖5　典型聲控系統的液壓原理

1.5ROV操作系統

ROV操作系統是一種功能多樣、應用廣泛的緊急備用控制系統。該系統不是一個自動系統，需靠水下機器人靠近水下防噴器組上的控制面板實現操作，可根據需要選擇不同操作順序及功能，以應對多種突發情況。水下控制面板接口與結構均采用國際統一標準，液壓液則由水面熱線絞車或ROV自帶泵提供[10-12]。面板一般根據控制對象位置不同就近安裝，每個控制面板均代表一個控制對象操作指令。圖6為典型ROV操作系統液壓簡圖。ROV操作面板簡單可靠，是鉆井承包商比較認可的一種緊急備用控制系統，缺點是響應速度慢，必須配合水下機器人使用，成本較高。

圖6　典型ROV操作系統的液壓原理

1.6緊急脫斷系統

緊急脫斷系統是一種廣泛應用于浮式鉆井平臺的緊急備用控制系統，能在危急情況下快速封井并脫斷[13-14]。緊急脫斷系統由計算機系統控制，可在浮式鉆井平臺漂移出給定的海上警戒圈后，自動激活既定的功能序列，關閉井口脫開LMRP。警戒圈的范圍大小與鉆井平臺所處水深以及隔水管傾斜的角度直接相關。響應時間取決于防噴器組配置，但需符合API STD 53要求。系統響應速度快，可完成復雜時序動作，缺點是對主控系統依賴性大，主控系統失效可能致其失效。

1.7緊急備用控制系統對比

通過對上述緊急備用控制系統的特點對比分析，水下防噴器緊急備用控制系統可以配合絕大多數主控系統使用；獨立式緊急備用控制系統占較大比重；為提高響應速度，大部分緊急備用控制系統采用自動觸發的時序動作；采用離散功能的緊急備用控制系統只有聲控系統以及ROV操作系統，兩者均為人工觸發，操作者可根據水下情況選擇激發功能，兩者響應速度較差，如表1。

表1　主流水下防噴器緊急備用控制系統對比

2緊急備用控制系統配置影響因素分析

影響水下防噴器緊急備用控制系統配置的因素有很多，例如主系統類型、水深、海況、風險判斷、用戶操作習慣、成本以及響應速度等。另外，隨著鉆井技術日益成熟，相關的法律法規也在逐漸對緊急備用控制系統做出多項規定。這些都是設計人員在配置水下防噴器緊急備用控制系統需考慮的問題，其中尤其以風險判斷、用戶操作習慣、法律法規以及響應速度最為重要。

聲控系統是獨立式系統，生存能力強，但成本最高，且需為電池時常充電，適合海底噪聲較少的海域使用；自動停機/自動剪切響應迅速，生存能力強，成本適中，適合深水惡劣工況使用；ROV操作系統結構最簡單，是獨立系統，生存能力強，若不考慮單獨配備ROV則成本最低，適合各種海況使用；EDS響應速度最快，且成本增加不多，但是由于是非獨立系統，需靠主控系統及其蓄能器才能完成指令，生存能力最差，且一般配備在動力定位鉆井平臺上，適合各種海況使用。

3緊急備用控制系統推薦配置方案

綜合考慮上述配置影響因素，推薦新建鉆井平臺同時配備緊急脫斷系統、自動停機與自動剪切系統、聲控系統以及ROV操作系統等4套緊急備用控制系統。四套系統根據響應時間不同形成梯度布局，確保系統封井成功。各緊急備用控制系統可在不同階段動作，最大限度保證鉆井安全，具體配置如下：

第1階段，發揮作用的是緊急脫斷系統。該系統可在風暴到來之前或動力定位偏移導致隔水管破裂發生前發揮作用，自動執行一串預先設定好的時序動作，確保鉆井安全，預防事故發生。

第2階段，發揮作用的是自動停機與自動剪切系統。當水上、水下設備徹底失聯或LMRP意外脫開時，井口已處于失控狀態，該系統可自動啟動，完成事先指定好的若干關鍵功能，確保井口關閉且LMRP連接器解鎖脫開完畢。

第3階段，發揮作用的是聲控系統。當緊急情況發生而自動停機與自動剪切系統未能成功關井的情況下或平臺無法繼續停留進行緊急操作時，工作人員可以快速搭乘救生艇在距離鉆井平臺一定距離的海面通過便攜式聲控系統對水下防噴器組上的聲控控制箱發出指令。

第4階段，發揮作用的是ROV操作系統。該系統需下放水下機器人靠近事故防噴器組執行相應指令，因此響應速度最慢，一般只用在上述所有緊急備用控制系統全部失效，水下防噴器組無法遙控或自動執行封井操作時才啟用。

4緊急備用控制系統國內研究應用

我國深海油氣開發較晚，水下防噴器緊急備用控制系統的研制與使用遠遠落后于國際水平。國內大多數老舊平臺基本不配備或配備很少緊急備用控制系統，這種情況直至2010年才有所改觀，如表2。河北華北石油榮盛機械制造有限公司是國內首家對水下防噴器緊急備用控制系統進行系統化研究的單位。公司通過對國內外多艘半潛式鉆井平臺配備水下防噴器緊急備用控制系統的使用狀況與結構進行調查分析，完成了自動停機/自動剪切系統、聲納控制系統以及ROV操作面板等的詳細設計，掌握了相關設計技術，為國內在役平臺升級進行技術儲備。

表2　國內主要半潛式鉆井平臺水下防噴器緊急備用控制系統使用情況匯總

5緊急備用控制系統發展趨勢

隨著新技術的發展成熟以及對水下防噴器控制系統的安全可靠性要求越來越高，國外陸續出現了電池驅動水下關閉系統以及ROV可讀水下數顯面板[15-16]等新型緊急備用控制系統，這些新產品的出現標志著水下防噴器緊急備用控制系統呈現出以下發展趨勢：

1)水下防噴器緊急備用控制系統功能更加多樣性，響應更加迅速，性能更加可靠，逐步發展為獨立式控制系統。

2)克服了外壓以及絕緣問題的電控技術越來越多地應用于水下工作的各類控制系統中，系統可控性以及智能化程度大幅增加。

3)應對不同緊急情況的各類緊急備用控制系統逐漸融合，發展成一專多能的緊急備用控制系統。

6結論

1)綜合比對各式水下防噴器緊急備用控制系統的優缺點以及適應情況，形成了多系統梯度布置、適應廣泛的總體配置方案，設計出了國內首套多功能水下防噴器緊急備用控制系統主機。

2)多功能水下防噴器緊急備用控制系統主機在NOV公司自動停機系統的基礎上進行改進，融合了自動剪切系統主要結構，同時具備了兩套系統的優點，克服了兩者不足，具有結構緊湊、響應迅速、適用于鉆井各個階段井控安全保障的特點。

3)雖然國內企業在水下防噴器緊急備用控制系統的整體設計與閥件制造上取得了一定進展，但國內薄弱的水下專用閥件設計制造能力制約了系統關鍵閥件的國產化與可靠性提升。

4)研制的水下防噴器緊急備用控制系統可用于國內外老舊鉆井平臺升級改造，提升海洋鉆井安全可靠性。

5)今后將進一步完善多能水下防噴器緊急備用控制系統設計，并通過詳盡的試驗及模擬仿真分析提高閥件以及系統的可靠性，同時進行系統智能化等方面研究。

參考文獻：

[1]Ted Moon.World Survey of Deepwater Drilling Rigs[J].Offshore Magazine，2014(7)：114.

[2]Joint Industry Task Force to Address Offshore Operating Procedures and Equipment.White Paper：Recommendations for Improving Offshore Safety[R].U.S.Department of the Interior，2010.

[3]許宏奇，侯國慶，陳艷東，等.“3000米深水防噴器組及控制系統的研制”科技報告[R].中國科學技術信息研究所，2014，738736188-2007AA09A101/01.

[4]蘇尚文，屈志明，侯國慶，等.水下應急封井裝置技術研究進展與建議[J].石油礦場機械，2014，43(4)：96-101.

[5]Raleigh S.Williamson.Evaluation of Secondary Intervention Methods in Well Control[R].Brookshire，WEST Engineering Services，Inc.，2003.

[6]Jeff Sattler，Ed Lewis.Qualitative Risk Analysis of Emergency BOP Control Systems to Ensure Availability[C]//IADC/SPE Drilling Conference，2004，IADC/SPE 87157.

[7]許亮斌，張紅生，周建良，等.深水鉆井防噴器選配關鍵因素分析[J].石油機械，2012，40(6)：49-53.

[8]Internal BP incident investigation team.Deepwater Horizon Accident Investigation Report[R].London，BP Inc.，2010.

[9]蘇山林.防噴器控制系統發展趨勢的探討[J].勝利油田職工大學學報，2005，19(3)：45-46.

[10]曹式敬.超深水防噴器組及其控制系統配置探討[J].石油鉆探技術，2012，40(5)：115-118.

[11]API Spec 17H，Remotely Operated Vehicle(ROV)Interfaces on Subsea Production Systems[S].2004.

[12]API Spec 17D，Specification for Subsea Wellhead and Christmas Tree Equipment[S].1992.

[13]API STD 53，Blowout Prevention Equipment Systems for Drilling Wells[S].2012.

[14]API Spec 16D，Specification for Control Systems for Drilling Well Control Equipment[S].2004.

[15]Bamford A S，Mowat C A，Wickramaratne L S，et al.Building and Testing a Battery-Operated Subsea Shut-Off System[C]//IADC/SPE Drilling Conference，2008，IADC/SPE 112660.

[16]吳國輝，許宏奇，陳艷東，等.國內外深水防噴器控制系統的發展[J].石油礦場機械，2014，43(6)：27-30.

Research on Subsea Emergency Backup System in Offshore Oil & Gas Exploitation

GENG Yandong，WANG Sha，WANG Weihua，WU Guohui，HOU Guoqing

(RonghengMachineryManufactureLtd.ofHuabeiOilfield,Renqiu062552,China)

Abstract：Aiming at the problem that domestic and oversea old semi-submersible drilling platforms lacking efficient secondary intervention methods to contain blowout quickly，the character and working principle of international mainstream emergency backup systems are analyzed to take into account the reliability，response speed and configure affection factor，and the main scheme that gradient arranging several emergency backup systems is confirmed.The development trend of subsea emergency backup system is discussed，which offer reference for offshore oil & gas exploitation well control equipment domestic produce.

Keywords：subsea bop；control system；analysis

中圖分類號：TE951

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.018

作者簡介：耿艷東(1983-)，男，河北高碑店人，工程師，現從事石油機械控制技術方面的研究工作，E-mail：18911063585@189.cn。

基金項目：國家高技術研究發展計劃(863計劃)“深水防噴器組及控制系統工程化研制”(2013AA09A220)；國家科技重大專項“深水半潛式鉆井平臺及配套技術”(2011ZX05027-001)

收稿日期：①2015-08-16

文章編號：1001-3482(2016)02-0079-05