防噴器安全儀表系統結構分析

李園園，陳國明，耿向忠

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

防噴器安全儀表系統結構分析

李園園1，陳國明1，耿向忠2

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

防噴器組作為海上鉆完井作業的關鍵設備，可有效防止井涌、井噴等事故，對于保護人員、設備、海洋環境和油氣資源免受慘重破壞和污染起到重要作用。根據功能安全國際標準的規定，將防噴器及其控制系統等看作一個廣義的安全儀表系統，分析該系統的安全儀表功能及各部分可能存在的失效模式和冗余設置，可為防噴器的定量安全評估提供依據。

防噴器；安全儀表系統；安全功能

隨著石油開采向海洋進軍，在經歷過幾次大的海洋石油開采事故之后，海洋石油生產安全越來越受到關注［1］。安全儀表系統在保障平臺安全生產方面發揮了重要作用，其本身的安全性受到各國的重視，國內外紛紛制定了相關的法律法規及對策措施來保障安全儀表系統的安全，從而預防和控制事故的發生。墨西哥灣“深水地平線”號鉆井平臺井噴爆炸著火事故的調查結果顯示：事故發生后不斷擴大的一個重要的原因是安全防護措施失效，防噴器膠芯刺漏和緊急關斷系統等多項安全系統同時失效促進了事故的后續發展，最終導致了事故的嚴重后果。

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

1 安全儀表功能分析

依據功能安全國際標準的規定及要求，防噴器及其控制系統以及用于井涌、井噴檢測的設備設施等可以組成一個龐大復雜的安全儀表系統（以下稱為防噴器安全儀表系統）［5－6］。防噴器安全儀表系統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閉防噴器，以保護井口及平臺的安全。因此，防噴器安全儀表系統的安全功能可根據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防噴器。

由于目前防噴器配置選型還沒有統一的標準，水下防噴器根據水深和工作海域的不同而有所不同。防噴器的選配要根據地層壓力和工作環境條件來確定，主要由環形防噴器和閘板防噴器組成。

1.1 環形防噴器

環形防噴器必須配備液壓控制系統才能使用，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，也可單獨使用。主要功能包括：

1） 當井內有鉆桿、方鉆桿、鉆桿接頭、鉆鋌等工具時，密封其與工具之間的環形區域。

2） 當井內無鉆具時，可短時間封閉整個井口，但通常情況下不允許做長時間關井用。

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，防止井噴事故的發生。閘板防噴器按照閘板副數分為單閘板、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） 當井內無鉆具時，可封閉整個井口，又稱為封零。

2） 井中有鉆具時，可使用半封閘板封閉環形空間。

3） 緊急情況下，當井內有鉆具需要完全封井時，可使用剪切閘板剪切鉆具。

由以上環形防噴器和閘板防噴器的主要功能，歸結防噴器安全儀表系統的安全功能如下：

1） 井內有鉆具時，可用于密封環形鉆柱區域。

2） 空井時密封整個井口。

3） 必要時切斷鉆具密封井口。

安全功能1）可以通過環形防噴器和管子閘板防噴器來執行；安全功能2）需要盲剪切閘板執行封井功能；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）可以歸結為一個功能，即封閉整個井口。

2 安全儀表系統結構分析

確定了防噴器安全儀表系統的安全功能之后，接下來考慮執行安全功能所涉及到的各個結構與組成部分。防噴器安全儀表系統結構如圖1，主要由檢測部分、控制部分、功能執行部分以及輔助部分組成。

圖1 防噴器安全儀表系統結構

2.1 檢測部分

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

用于監測上述井涌發生信號的傳感器如圖2所示。這些傳感器都串聯在CAN總線上［8－9］，當某處的傳感器檢測到異常時，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的措施。在現場作業中，能夠警示發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場情況，熟悉鉆井工藝。

圖2 海洋鉆井多參數儀系統現場分布

檢測部分的主要失效模式包括各個傳感器的單獨失效、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，對于不同參數的傳感器所采用的不同結構（NooM）要分別進行分析評估。理論上講，只要以上傳感器或者參數發現異常時就要采取相應的措施，但實際操作中，應根據實際情況綜合分析，在保證安全的情況下應盡量減少不必要的停車。

2.2 控制部分

控制部分實際上就是通常所講的防噴器控制系統，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（包括藍箱和黃箱）以及作為操作主體的人。

水下防噴器控制系統主要有液－液先導控制系統、電－液控制系統和多路電液控制系統。對控制系統的選擇主要是依據其響應時間來決定的，關閉閘板防噴器的時間不應超過45s，關閉環形防噴器的時間不應超過60s。由于液壓先導控制信號在深水中的傳輸時間比較長，不能滿足關閉時間的要求，而單路電液控制系統所需導線多，隨水深增加其系統故障率比較高，因此，深水防噴器控制系統大都采用多路電液控制系統。多路電液控制系統信號衰減小，抗干擾能力強，可靠性高，是目前深水防噴器控制的最佳選擇［10］。控制部分的主要結構如圖3所示。

圖3 打開環形防噴器功能電液控制系統

檢測部分檢測到的現場信號輸送到中央控制系統，通過中央處理模塊的處理后顯示在操作界面上，同時在司鉆面板上顯示。司鉆或其他操作人員根據面板上現場參數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（隊長面板）以loo3的形式進行操作，即通過任何一個面板都可實現對現場的操作。之后信號通過海底藍箱或黃箱以loo2的形式傳輸到海底電子模塊，海底電子模塊的處理模塊對信號進行解碼響應后，將信號傳至執行機構。

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。同時不能忽略各相關模塊間的共因失效。共因失效在防噴器控制系統的失效中占有很重要的部分，因為結構的冗余在增加系統可靠性和可用性的同時也極大增加了系統的共因失效概率，應認真分析系統的冗余帶來的可靠性與增加冗余所引進的失效之間的增減關系，合理經濟地配置控制系統結構。

操作人員是控制系統的一部分，在IEC標準中要求當人作為安全儀表系統的一部分時，其動作的可用性和可靠性應在安全規范中加以規定，并包含在SIS的評估計算中。標準中規定當操作員的動作需要經過允許或者開鎖設施（為防止偶然的動作而配備的）才能執行時，就可排除操作員失誤。本系統中為防止操作員的失誤，當需要執行關閉防噴器動作時，操作員需要同時按住防噴器的關閉按鈕和電源按鈕才能執行相應的關閉動作，這就有效降低了操作員的失誤。但該系統中操作員需要對鉆井參數儀檢測到的井底異常或現場出現的異常情況作出分析判斷，因此人員失誤也應包括在其中。因此，要求操作人員必須是經過嚴格培訓且持有相關的上崗證件。

2.3 執行部分

執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防噴器組成的，因此執行時應根據不同的鉆井進度，采取不同的關井步驟，關閉不同的防噴器。這是防噴器安全儀表系統有多個安全功能的原因。

需要時，操作員需一手按住電源按鈕，另一手按住所需關閉的防噴器的關閉按鈕，發出關閉某個防噴器的命令，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閉腔接通，從而關閉防噴器。

執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結構，因為在不同的情況下所需關閉的防噴器類型及數量是不同的，應根據實際安全功能的需要來確定。同時每一個防噴器都有屬于自己的一套控制系統，各個防噴器的控制信號都是通過藍箱或黃箱控制，并以loo2冗余結構來控制的。單個防噴器的控制系統如圖4所示。

圖4 BOP控制系統

2.4 輔助部分

輔助部分主要指液壓動力單元和電力系統，主要包括液壓泵系統（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。由于該系統不屬于斷電安全系統，所以應將系統的各個輔助部分考慮在SIL（安全完整性等級）評估范圍之內。

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。但各個部分都可以獨立完成關閉全部防噴器的功能，因此SIL評估時也可以看作是loo2結構。

根據功能安全相關標準的要求，安全儀表系統由傳感器、邏輯控制器和最終執行元件的任意組合組成，但防噴器安全儀表系統不屬于故障－安全型，要求其動作時需要液壓動力單元和電力系統的支持才能完成相應的功能，因此結構分析及評估時需將其考慮在內，并將其作為一個單獨的部分存在。

利用風險圖法為防噴器安全儀表系統選擇安全完整性水平為SIL3，而根據挪威石油工業的要求，防噴器安全儀表系統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的安全完整性評估，使其結構配置和可靠性達到最優化水平。

3 結語

防噴器安全儀表系統涉及到錄井、井控等多個階段，包括多個龐大復雜的設備，對該系統的有效分析和評價是保障海洋石油開采安全的重要內容。展開對該系統的定量安全評估可有效地優化系統配置和可靠性，并將對該系統安全問題的關注貫穿于整個生產階段，而不忽略任何環節，從而有效地預防和控制事故的發生。

［1］ 趙洪山，劉新華，白立業.深水海洋石油鉆井裝備發展現狀［J］.石油礦場機械，2010，39（5）：68－74.

［2］ 肖力彤，宋振華，鄭 泳，等.Cameron結構的防噴器殼體有限元分析［J］.石油礦場機械，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理分析［J］.石油礦場機械，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，Functional safety of electrical／electronic／programmable electronic safety－related systems［S］.

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

［8］ 鄧忠彬，王 濤，王幼平.海洋鉆井多參數儀系統設計研究［J］.石油礦場機械，2010，39（7）：54－59.

［9］ 牛文鑒，李硯藻.井涌井漏實時預測策略研究［J］.國外地質勘探技術，1996（2）：29－33.

［10］ 段明星，李明亮，陳瑞峰，等.深水防噴器系統可靠性探討［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務費專項資金資助（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。及其控制系統的整體安全評估。防噴器及其控制系統作為井控的重要裝置，具備特定的安全功能，可以將其看作一個廣義的安全儀表系統。本文根據功能安全標準的要求對其展開儀表功能和結構分析，為防噴器的定量安全評估提供分析基礎。