水下防噴器自動剪切和失效安全系統的設計思路探討

方宏偉

中海油田服務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水下作業過程中必須具備的實用器具之一，主要設置在海底，是控制和防止井噴的一種井口設備。美國安全與環境執法局在2016 年公布了一則關于水下防噴器的最終井口控制規范[1]，要求水下防噴器除了要配備兩組鉆桿剪切閘板之外，還需要具備自動剪切技術和失效安全技術這兩種應急系統。面對這樣的強制性規定措施，所有現役的水下防噴器全部需要根據要求進行改進。

1 安全控制系統

安全控制系統又稱電液多路控制應急系統，主要分為水面和水下兩個部分。其中液壓沖蓄能、控制面板、中央處理器，以及系統的所有電力通信裝置均設置于水上（水面）。水下主要是電子運行系統、總閥門組和應急控制單元。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行連接。水面部分的液壓通過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能，負責對先導信號進行控制[2]。水面之上的電力通信裝置與水面之下的電子運行系統相連，電力通信裝置可以通過隔水管的依附電纜接收水下電子模塊的信號，并提供該模塊必要的電能。所有控制系統終端均在水上，液壓先導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 水下防噴器應急系統裝置設置

水下防噴器的應急系統分為四大板塊，分別為自動剪切系統、失效安全系統、聲學控制系統和水下機器人。自動剪切系統受到下部隔水管的直接控制，其應用與下部隔水管和防噴器組有關，因此在這兩個單元之間加設推桿液壓閥。當自動剪切系統開始運作時，需要先等待隔水管總成部分和防噴器組部分脫離后，液壓閥會自動開啟；先導液進入到主控制閥中后會與主控制回路相連接，后續控制液開始對防噴器組進行推動，直到關閉切斷閘板。在此之前，主液壓控制和電信號回路會相繼中斷。失效安全控制系統主要是在主液壓控制和電信號回路均關閉，且自動關井之后進行的一種安全防護措施。安全系統的運轉會在所有預備情況實現后展開，即液壓先導回路串聯到液壓閥上，此時的液壓閥已經失去了供電信號和液壓信號，處于停擺狀態。這意味著水下防噴器的隔水管總成同時失去了雙重控制，此時失效安全預備裝置實行隔離安全系統運行，對主控制回路進行管理[3]。

1.2 應急備份系統

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失去控制脫開，此時的防噴器組元件將會失去液壓控制能量。因此，為了保證系統能源的持續供應，需要在防噴器的底部再放置一個備用能源。其負責在失去常規液壓控制能量時，繼續行使防噴器的主要任務。它負責切斷閘板及盲封閘板，并進行應急系統開關操作。正常情況下，水下防噴器在應急系統啟動之后，可以依靠應急備份系統持續工作。該備份儲能系統能源來自水面蓄能器組的單向能源。

2 應急裝置控制需求的實現方案

單獨來看，自動剪切系統回路需要由下部隔水管總成和防噴器組進行調動，失效安全系統需要在失去電信號和液壓信號之后啟動。而如何完成兩個系統同時安裝設計的需要，就要把單獨兩者的實現因素統一起來看待。首先，要對利用梭閥將自動剪切回路和失效安全回路連接起來；之后，需要對單個的剪切閘板水下防噴器組進行連接。

3 自動剪切系統與失效安全系統設計

3.1 自動剪切系統的設計

采用仿真模型設計參考的方式來進行自動剪切系統的設計，設計過程選擇仿真軟件為Simulation X，該軟件有大量的海洋工程工作經驗。仿真模型的設計在井液壓力和海水壓力同步作用下進行，因為在水下防噴器的實際工作環境中，同時存在海水靜液的壓力和壓井液、井內溢出液的壓力。

自動剪切設計需要考慮剪切過程的受力變化情況，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程中形成，之后隨著當剪切力度不斷加大，鉆桿會從彈性變形進一步發展成為塑性變形。當剪切力發展到一定程度，刀刃穿過鉆桿時的剪切力最大，此時鉆桿會出現錯位和變形，應力隨之降低。這期間一共發生了四次剪切閘板的不同活動，即閘板先對應到鉆桿位置，擠壓鉆桿，開始剪切鉆桿，最后剪斷鉆桿。根據這四個不同階段剪切閘板的受力曲線變化情況進行仿真模型設計。仿真模型由四個主要部分構成，分別為剪切閘板執行關閉腔、運動阻尼器、剪切閘板執行器和剪切閘板執行器開啟腔。閘板執行器的開啟腔和關閉腔控制模型兩端，讓模型形成一個閉環。剪切閘板即自動剪切系統的整體運作動力來源于備用的蓄能系統，因此除了考慮剪切閘板與備用蓄能之間的連接問題，還需要考慮蓄能裝置的安全設計問題。因為當失去電信號和液壓信號之后，自動剪切系統和失效安全系統都需要由備用蓄能組來提供高壓油液，因此如果該備用系統出現了油液泄露，很可能影響到剪切閘板的任務執行[4]。因此，仿真模型應盡量縮小蓄能器組的容積，降低可能出現漏液的情況。只要該備用系統能夠滿足自動剪切系統和實效安全系統的蓄能需求，就可以安裝和使用。

仿真設計過程中，對剪切閘板的關閉情況和關閉效率進行了集中實驗。發現在常規壓力下，當自動剪切程序被激活之后，剪切閘板即開始對鉆桿進行剪切，一直到鉆桿被完全切斷后，井口完全封閉。這期間剪切閘板會將操作時間控制在12s 之內，當執行器開始關閉后，剪切閘板能夠在該時間區間內到達鉆桿位置。壓力一直上升，直到閘板能夠抱住鉆桿位置；在15s 的時候刀口可以接觸到鉆桿，開始剪切后可以在3s 之內剪斷鉆桿。這個過程中開啟腔和關閉腔面臨的壓力一直不變[5]。為了分攤合適的蓄能，并盡可能少調動蓄能器，對蓄能器的數量設置和容積設置進行了實驗。發現如果盡可能多且迅速完成剪切工作，在保持的9 個蓄能器中，只需要3 個正常工作即可。而再加上失效安全系統，該數字可以控制在3 個或以上，但是不必設置9 個蓄能器。

3.2 失效安全系統設計

失效安全系統也可以稱為故障保險系統，在水下防噴器的特定故障情況下開啟安全保護任務。失效安全系統承擔的是二次井控任務，本研究通過仿真模型設計對其應用及性能進行評估。失效安全系統由把手、堵頭、剪切閘板關位和井口連接器開位4 個單元組成，這是失效安全功能的主要控制面板。在防噴器的應急程序打開之后，剪切閘板關閉；然后井口連接器打開，堵頭實行封頂任務，以防止海水和垃圾在失控情況下進入到閘板關位和井口連接器的開位管線及控制閥內部，以致造成堵塞。水下機器人是連接失效安全系統的必要裝置，防噴器應急裝置開啟之后，需要通過水下機器人來控制面板剪切閘板關位或者將井口連接器的開位堵頭拔出。

3.2.1 剪切閘板關閉功能測試

（1）當進入到防噴器組回收階段時，儲能器倉的選擇閥和剪切閘板及后通閥手柄均需調整成零壓力。

（2）關閉防噴器的控制系統，防止導流器控制系統和司控柜的液壓源。

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

（4）檢查閘板關閉之后，再次回復備用蓄能系統的控制。剪切閘板負責控制手柄的中位，設備的下部外側壓井事故安全閥和下部內側壓井事故安全閥全部打開，將固井泵打壓到套管能承受的壓力，大約為2000psi，一直穩壓15min，確保該過程無任何的泄露情況和穩壓情況后即可判定剪切板為關閉，封井功能完好。

3.2.2 井口連接器打開功能測試

（1）安排水下機器人游走到下防噴器組井口連接器的位置，并在系統的“開位”和“關位”指示桿附近觀察，確保指示系統處于正常狀態。

（2）當水下防噴器的運作完全停止，確定可以進入到回收階段之后，將預備蓄能系統打開，對防噴器的控制面板藍黃系統進行控制。手動選擇閥門井口連接器的三位四通閥手柄，將其扳至中位，保證管位的會聚壓力和先導壓力調為零。

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

（4）操作1500psi 液壓源通過4000psi 的高壓軟管，保證應急功能井口開位腔體正常，且傳遞能量充足，無任何蓄能不良狀態。當主控柜的流量計讀數顯示為6.2 加侖時，理論可以判斷井口連接器已打開。

（5）指示系統觀察井口連接器指示桿的“關位”狀態是否變為“開位”狀態，判斷井口連接器是否可以打開，確保防噴器失效安全系統的開位功能正常。

（6）指示系統按照標準將防噴器組的連接器拆出后，對失效安全控制系統的控制面板井口連接器開位堵頭裝復。

（7）恢復防噴器控制系統到正常使用狀態，通過防噴器控制系統來操作剪切閘板關位和井口連接器開位功能，以及復核剪切閘板打開狀態、井口連接器開位功能，記錄流量計數值，轉入正?；厥账路绹娖鹘M程序。

4 結語

水下防噴器控制系統的設計對其水下運作至關重要，而自動剪切系統和失效安全系統是兩個主要構成部分。自從設計標準有所改動之后，該系統整體的研發和設計實力一直被發達國家掌握，國內的研究尚沒有根本性突破。本研究將安全控制系統進行拆分，對自動剪切技術和失效安全系統逐一仿真模擬設計，但僅提供了基本的設計思路，具體的設計方案還需要在實際應用過程中進一步調整。