深水鉆井防噴器系統關鍵設備技術研究

任鋼峰，王定亞，毋永鋒，牛 敏，李毅平，辛小剛

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞721002）

深水鉆井防噴器系統關鍵設備技術研究

任鋼峰1，2，王定亞1，2，毋永鋒1，牛 敏1，李毅平1，辛小剛1

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞721002）

深水鉆井防噴器系統在保障海上油氣作業安全，保護海洋環境和人身安全中起著關鍵作用。目前，國內深水鉆井防噴器系統研制正在起步階段，為了能提高國產深水鉆井防噴器系統關鍵設備技術水平，在介紹深水鉆井防噴器系統中關鍵設備的國內外技術現狀基礎上，重點對典型深水防噴器系統中深水BOP組和控制單元的關鍵設備進行了研究。分析了深水防噴器系統中其關鍵設備的主要特征，并對其組成和功能進行了說明。結合國內實際情況，提出了深水鉆井防噴器系統研究建議。

深水；防噴器；關鍵技術；水下控制器

深水鉆井防噴器系統（The deepwater drilling BOP system）作為海洋水下最為關鍵的井控設備，不僅在深水鉆井和完井作業中發揮著重要作用，而且更重要的是該裝備關系著海洋鉆井裝備，海洋環境和人身安全等。自2010-04美國墨西哥灣發生井噴事故后，美國及其他相關國家均對該類設備提出了更加苛刻的要求。美國墨西哥灣發生井噴事故也證明了以前開發的深水防噴器系統還存在著問題，系統安全可靠性還需提高。目前國外幾家水下防噴器系統設計制造公司正對深水防噴器系統中關鍵設備進行分析和改進，已取得了一些進展。

我國石油開發的主戰場已經逐漸轉向深海。深海鉆井防噴器系統作為海洋油氣開發的關鍵裝備之一，需求越來越大。目前，國內平臺所配套的深水鉆井防噴器系統全為國外公司所掌控，嚴重制約了我國海洋油氣資源的開發。因此，深入研究水下防噴器系統關鍵設備技術并合理選擇其系統配套方式對于國內深水防噴器系統建造很有意義。

1 深水鉆井防噴器系統技術現狀

鉆井防噴器從簡單到復雜，從陸地到海洋，從淺海到深海已經歷了上百年的發展過程。當前，就鉆井防噴器技術而言，具備陸地和淺海等技術開發能力的國家和單位較多，但具備深水、特別是深水水下井口井控設備開發能力的企業卻為數甚少。截止目前，完全具備性能可靠、配套齊全的深水防噴器開發制造能力的供應商主要包括NOV、CAMERON和GE等幾家公司，且長期以來在世界上處于壟斷地位。我國自20世紀60～70年代開始陸地井口井控裝備研制工作，發展規模較大的企業主要包括寶石機械公司、華北榮盛公司、上海神開公司等幾家單位。近10多年來，圍繞海洋技術領域，我國先后在固定式、自升式等平臺開發配套了部分井口井控裝備，但也僅限于平臺臺面，仍未涉足水下。直到“十一五”以來，由于我國加大了深水海洋油氣資源的開發投資力度，國內寶石機械公司、華北榮盛公司及有關高等院校等才開始著手水下井口井控裝備的研究工作，并開發試制了水下井口裝置、水下防噴器等部分單元裝備，但由于多方面條件限制，至今還未能投入工業性試驗。

深水鉆井防噴器系統主要包括防噴器組和控制單元，國外深水鉆井防噴器系統的設計制造都采用美標，同樣國內深水鉆井防噴器系統設計制造也采用美標［1］，主要包括API 6A／ISO 10423—2003井口裝置和采油樹設備規范；API 16系列標準，ASME第8卷第1和2分冊鍋爐和壓力容器規范；NACE-MR0175／ISO 15156石油和天然氣工業－石油和天然氣生產中含硫化氫（H2S）環境下使用的材料；IEC國際電工委員會標準及近2 a來美國政府新提出的水下防噴器組設計新要求等。

2 深水鉆井防噴器組組成及功能

深水防噴器組體積龐大、質量較重、結構復雜。如圖1所示為典型深水鉆井防噴器組的主體結構，通常由下部隔水管總成（LMRP系統）、中間連接器、下部防噴器組及防噴器組合框架等幾大部分組成。下部隔水管總成的功能主要用來連接上部鉆井隔水管和下部防噴器組，下部隔水管總成內部主要設備包括撓性接頭和2套環形防噴器，撓性接頭主要用于改善和減輕隔水管串受海流作用時附加給水下防噴器等的側向彎扭應力，并保證防噴器、隔水管等在平臺偏移情況下設備的有效連接；2套環形防噴器，即：上部環形防噴器和下部環形防噴器用于過鉆桿、套管接箍時井口環空的封閉，與陸地防噴器組配套環形防噴器方式相比較，水下防噴器之所以配套2組環形防噴器的主要目的是為了安全可靠。中間連接器用于下部隔水管總成與下部防噴器組之間的連接，并保證緊急情況下下部隔水管總成可以隨鉆井隔水管的安全撤離。下部防噴器組上連中間連接器，下連水下井口連接器，中間是閘板防噴器組，主要用途是如遇井噴或其他緊急事件時可及時剪斷鉆桿（或套管）并封閉井口，該部分典型結構主要包括3個雙閘板防噴器［2-3］，即上部閘板防噴器、中部閘板防噴器和下部閘板防噴器，3套雙閘板防噴器共形成六個閘板腔；6個閘板腔中從上到下分別安裝1個套管剪切閘板，1個鉆桿剪切閘板，1個127 mm（5英寸）管子閘板，2個變徑閘板（或1個127 mm（5英寸）管子閘板和1個變徑閘板）和1個測試閘板。防噴器組合框架分上、下2體，主要用于防噴器組的整體安裝吊裝及管線、ROV操作面板等輔助系統的安裝。

圖1 深水防噴器組單元

對于目前國內配套的水下防噴器組，基本配置能滿足功能要求，但配套時往往忽視防噴器組和閥等設備通道中堆焊的材料，材料應防H2S和CO2腐蝕，目前美國幾家公司堆焊的通道材料可以防H2S的體積分數達到25%，CO2的體積分數可以達到15%。配套防噴器組時還要考慮H2S和CO2對橡膠材料的影響，海水對水下防噴器組的腐蝕影響。國內生產的防噴器組和閥等設備，通道堆焊防高體積分數H2S的材料技術還不成熟，還需進一步研究。

3 深水鉆井防噴器控制系統組成及功能［4-6］

深水鉆井防噴器控制系統是具有集電液氣一體化設計功能的多項控制技術的組合，不僅控制點多、系統構成復雜，而且要求系統可靠性高、控制元件靈敏快捷，如圖2所示。水下防噴器控制系統從位置上分為水上控制設備和水下控制設備，水上控制設備主要包括1套液壓動力單元（HPU）、1套遠程控制設備、不間斷動力供給單元（UPS）、2套動力和通信分配柜、2臺臍帶纜盤管裝置及臍帶纜、1臺管線盤管裝置、1套水上測試系統等。水下控制設備主要包括2套水下控制器（POD）、1套水下儲能器、1套液壓緊急恢復系統、1套聲控兩位輔助系統。

圖2 深水鉆井防噴器控制系統構成框圖

3.1 水上控制設備單元

水上控制設備中的液壓動力單元（HPU）用于操作水下防噴器組和LMRP，主要包括液壓動力包（HPP）、儲能器、電機驅動液壓泵系統、液體過濾系統、流量計、閥總成、HPU控制系統、分流器控制系統、已二醇和潤滑混合系統、混合單元控制面板。對于深水使用的液壓動力單元，系統液體壓力一般為35 MPa（5 000 psi），液體的容積、泵和閥等選取滿足API16D的規范要求，但實際上選取已超越API16D的規范。同時所使用的控制液也有較嚴格的規范。

水上控制設備中的遠控設備包括電控鉆井控制面板，推壓式操作控制面板，中心控制臺（CCC）和工程工作站（EWS）。電控鉆井控制面板放置在鉆井司鉆房中，由司鉆來控制。推壓式操作控制面板安裝在平臺（或船）的辦公室中心安全區域，一般用于緊急操作。中心控制臺安裝在1個定制臺上，放在溫度可控的安全區域內，中心控制系統主要提供模塊冗余信息通信平臺，以控制和監視海下控制器，這個系統使用1個主底盤，包含2個主處理器、雙動力源供給、信息通信模塊、模擬器和數據I／O模塊。工程工作站和中心控制臺放在同一位置，主要為防噴器組位置和報警／故障記錄功能提供操作接口。

不間斷動力供給單元（UPS）提供電動力滿足所有電控單元設備，在總電力系統故障下，不間斷動力供給單元必須延續保證2 h使用（API規范要求），通過多相電纜連接到動力和通信分配柜，動力和通信分配柜由A柜和B柜組成，2臺柜分別分配不間斷動力供給單元提供的電動力到水下裝備，動力和通信分配柜中的通信板分配通信信號到每臺水下控制器，在控制中動力和通信分配柜、不間斷動力供給單元和臍帶纜3者結合，能很好地完成系統中的動力和通信分配。

2臺臍帶纜盤管裝置及臍帶纜，臍帶纜盤管裝置用于纏繞和自張緊臍帶纜，采用氣動馬達驅動，臍帶纜用于傳輸介質，傳輸動力和通信信息。1臺管線盤管裝置用于纏繞和自張緊為水下提供液相的軟性管，也是采用氣動馬達驅動，并帶有盤剎和手動超載制止自動剎車系統。

水上測試系統包括1套POD測試裝置，高壓測試單元和防噴器測試箱。POD測試裝置提供了機械、液壓、電子、通信和操作接口到水下控制器，提供了測試閥和測試儀器等，測試裝置對環境要求高，安裝設計在1安全區域位置，并且適合在IP-55環境中。高壓測試單元要求最大測試壓力在140 MPa以上，帶有遠距離控制臺，組成包括三缸泵、水醇液儲存器、防爆電機啟動器、圖表記錄、高壓閥、量程壓力表、交換器等。控制系統中還包括輪式電纜滑輪、軟管滑輪、軟管管夾、液相供給軟管、Hot管匯、隔水管斜度傳感器、儲能器填充工具等裝置和其他輔助工具等。

3.2 水下控制設備單元

水下控制設備中的水下控制器（POD）單元是防噴器水下控制核心，由2套POD（黃色和藍色）組成，安裝在LMRP上，每套POD獨立操作，一用一備，也有公司為水上備1套POD，單個POD如圖3所示，每套POD控制對象達到120多個。POD構造需滿足高可靠性、易服務和易維護，它包括水下電子儀器總成（SEA）、電-液控制總成（E-H）和液控總成3部分。例如CAMERON水下控制器（POD），它由多相控制單元（MUX）和模塊控制器（MOD）組成，兩者之間互相連接形成1個系統去控制水下防噴器各項功能，MUX包括水下電模塊（SEM）、電磁閥模塊、傳感器模塊和封閉電池模塊，MOD包括了各種閥、調節器、液壓部件和接口部件等，水下儲能器為MOD壓力調節閥提供導向壓力［6］。

圖3 2種水下防噴器控制器（POD）

水下控制設備中的液壓緊急恢復系統（EHBS），平常稱為1個休克系統，是1個獨立的液壓控制器，固定在防噴器組上，如果防噴器組控制系統故障、臍帶纜斷開或是其他突發事件，它就自動執行開關功能，液壓緊急恢復系統自帶液動力，來自固定在防噴器組上的恢復系統儲能器和剪切儲能器，液壓緊急恢復系統操作由儲能器提供導向信號壓力，剪切操作動力由剪切儲能器提供，此系統屬于備用，一般在工作中不使用，但必須在安裝前做試驗。

水下儲能器是一種動力源，其設計配套很關鍵，墨西哥灣井噴事故后，專家分析，其中1個原因就是水下儲能器設計和配套不合理，目前CAMERON公司正在和儲能器廠家合作改進水下儲能器結構，此設計的水下儲能器充分利用水下壓力，能夠提供足夠大的能量，滿足控制系統需求，產品正在試驗中。

聲控兩位備用系統既屬于水上設備，也屬于水下設備，它為水下防噴器組提供了特定關閉功能，系統由水上和水下2部分組成，水上是發射指令設備，水下是接受指令和執行設備。目前所有深水防噴器系統都是采用Kongsberg ACS系統，一般對深水BOP組功能的控制對象是由客戶認可。

4 結論

1） 深水鉆井防噴器系統關系到海洋鉆井的安全，技術要求更高。對于其中的防噴器組，應選擇更為先進的閘板防噴器，要求更加安全可靠。目前陸地上新的閘板防噴器結構比較多，但要用于深水，必須選擇通過深水試驗驗證過的防噴器，并且要選擇合適的防噴器通道材料。

2） 對于深水鉆井防噴器系統中的控制單元，采用模塊化集成，要求有高度冗余。對于整個控制系統要全面分析，并且要進行風險評估，制定多種應急預案。

3） 現國內已具有設計制造深水防噴器組和控制系統的能力，但還沒有把整個防噴器系統集成為安全可靠的產品。建議國內的研究單位大力開展深水防噴器組和控制系統及整體系統結構研究，包括理論分析與研究、標準的統一制定，現場系統配置反饋信息的收集、整理等。

［1］ API 6A，SPECIFICATION FOR WELLHED AND CHRISTMAS TREE EQUIPMENT［S］.2004.

［2］ 王存新.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.

［3］ Shaughnessy J M，Armagost W K.Problems of Ultradeepwater Drilling［R］.SPE52782，1999.

［4］ 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.

［5］ Jerry Tomlin.Blowout Preventer Control System：US，6032742［P］.2000-05-07.

［6］ 李博.深水防噴器組控制系統發展［J］.流體傳動與控制，2008，29（4）：39-41.

Research on Key Equipments of Deepwater Drilling BOP System

REN Gang-feng1，2，WANG Ding-ya1，2，WU Yong-feng1，NIU Ming1，LI Yi-ping1，XING Xiao-gang1
（1.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China；2.National Oil&Gas Drilling Equipment Research Center，Baoji 721002，China）

The deepwater drilling BOP system plays a key role in oil and gas operation security，protecting the marine environment and personal safety.At present，The development of deepwater drilling BOP system in domestic is at the early stage，in order to improve the technical level of the key equipments in deepwater drilling BOP system made in our country，The present technical status of the deepwater BOP system used in marine drilling riser at home and abroad are introduced at the beginning，The key equipments of the BOP stack and control units of deepwater BOP system are researched especially.The main characteristics of the key equipments in deepwater BOP system are analyzed，and their compositions and functions are illustrated.Finally，combined with domestic actual situations，the suggestions of research on deepwater BOP System were given.

deep water；blowout preventer；key technology；subsea POD

TE951

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.022

1001-3482（2014）12-0095-04

2014-06-13

國家高技術研究發展計劃（863計劃）“深水海洋鉆井隔水管系統工程化研制”課題研究部分內容（2013AA09A222）

任鋼峰（1978-），男，陜西富平人，工程師，2003年畢業于西安理工大學，主要從事石油鉆井機械研究，E-mail：rgf90001＠126.com.