國內外深水防噴器控制系統的發展

吳國輝，許宏奇，陳艷東，劉立兵，王建偉

（河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北　任丘062552）①

國內外深水防噴器控制系統的發展

吳國輝，許宏奇，陳艷東，劉立兵，王建偉

（河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北任丘062552）①

深水防噴器及控制系統是保證深水鉆井作業安全的關鍵設備，其作用是控制井口壓力，保證人員、設備安全，避免海洋環境污染和油氣資源破壞。由于深水鉆井的搶險、逃生和救援極為困難，因此對深水防噴器組及控制系統的技術性能和可靠性要求非常高。

近10 a來，在墨西哥灣深水開鉆的高壓高溫井，垂直深度超過9 144 m，儲層壓力達到140～175 MPa，溫度超過149℃；有時油井在泥水分界線的關閉壓力超過105 MPa。因此，國外井控設備生產廠家開始研制這種級別的防噴器。隨著這些防噴器逐步應用于深水，防噴器控制系統也在進行技術性能升級。

南海深水油氣資源勘探開發是我國能源發展的戰略，水下防噴器組及控制系統是深水油氣鉆井的關鍵裝備，相關技術一直被美國等廠商壟斷，國內完全依賴進口。為打破國外壟斷，擺脫關鍵裝備對進口的依賴，2008-09，國家高技術研究發展計劃（863計劃）正式立項“3000米深水防噴器組及控制系統的研制”課題。

1　Cameron公司新的三重冗余MarkIV型防噴器控制系統［1-2］

傳統的水下防噴器控制系統設計有2個控制箱，當第一個控制箱失效，另一個作為備用。MarkⅣ型控制系統的第3個控制箱提供額外冗余，解決了因一個控制箱失效后需要提出防噴器組的問題，可以使控制系統的可用率達到98%，控制箱提出水面的可能性減少73%，如圖1所示。

為了在更小的空間簡化設計，增加可靠性和功能性，MarkⅣ型控制系統簡化設計每個控制箱的功能，成套設備更小、更輕。減少了50%的管路連接，降低了潛在的泄露；在控制箱增加冗余電磁先導調壓閥，使他們不再是一個失效單點。每個控制箱增加33%的可用功能（達到160個），可以同時控制8個防噴器。新的控制箱帶有壓力補償蓄能器，可以自動適應水深。MarkⅣ型比原有系統體積小26%，比其他公司的控制箱質量輕1／3。另外，提高了SPM（Sub Plate Mounted）閥和碳化鎢涂層小閥的可靠性，壓力補償調壓閥的先導蓄能器可以自適應。MarkⅣ型控制系統符合API 16D／53，DNV Drill和ABS CDS標準要求。

圖1　Cameron三重冗余水下控制箱

2　NOV公司新一代清潔控制系統［3-4］

現有控制系統使用添加潤滑液和防腐劑的水基液壓液，在很多國家、地區認為這種液壓液對環境是安全的，所以操作防噴器時液壓液可排放到海水里。為了保護環境，一些地區法規規定防噴器的液壓液要求被回收。NOV公司液壓液回收系統原理如圖2所示。

一些環形防噴器功能流量可達到850 L／min，相當于背壓升高到28 MPa，液壓液回收到水面的回收泵體積非常大，并且損耗大量的液壓液；需要更加合理、體積更小的回收泵，則需要增加儲液罐數量。

在3 660 m水深時，回收泵流量大約為227 L／min。在返回管線上裝有欠壓和超壓保護裝置，保證回收泵有效和失效時系統完整。在緊急情況下，回收泵損壞時液壓液可排放到海里，防噴器可以正常工作。

電液復合控制系統啟動液壓液回收系統，通過機械方式和先導閥觸發回收泵往復運動；回收泵往復運動不需要間斷的輸入或輸出信號。一旦儲液罐排空，回收泵停止工作，等待防噴器下一次動作。使用的閥件與已使用20多a的閥件類型相同。

圖2　NOV公司的液壓液回收系統原理

3　GE公司深水先鋒140 MPa鉆井系統［5-6］

防噴器組是水下鉆井關鍵設備，用于鉆井過程中隔離油氣壓力的防噴器組高18 m左右，重幾百噸。目前，GE的水下防噴器組額定壓力只到105 MPa；為了滿足更深水域的油氣開發，GE公司設計研制出新的140 MPa防噴器組，如圖3所示。

圖3　GE公司的140 MPa防噴器系統

關鍵技術包括：

1） 升級GE閘板和環形防噴器，滿足特殊需求的高溫高壓儲層。

2） 基于原水力和電力控制系統開發的SeaONYXTM防噴器控制系統，該系統具有最長無故障工作時間。

3） GE Sea LyticsTM防噴器顧問軟件。該軟件提供實時狀態和維修數據顯示，可以減少計劃外維修需求。

GE公司新的防噴器系統使用戶能夠開發105 MPa系統無法觸及的深水油田。新的防噴器系統利用GE最新的PredictivityTM通信軟件，可以實時遠程監控設備狀態和性能。140 MPa防噴器組結合了很多GE在互聯網技術領域的豐富經驗，SeaONYX TM和Sea LyticsTM軟件使水下工程用戶更加及時地做出決策。

4　Oceaneering公司52 MPa控制系統［7-8］

許多油田公司和鉆井承包商需要7個140 MPa閘板防噴器和2個環形防噴器裝備成套，為了控制這些水下防噴器組，現有控制系統必須升級和提高性能，控制箱的電磁閥和功能閥數量需要增加到120～130個。為了提高水下防噴器的性能，需要更大通徑、更大剪切力的閘板防噴器缸徑，需要更多的控制液和更高的系統壓力，為此開發出系統壓力52 MPa的控制系統。52 MPa電液復合控制系統工作流程如圖4所示。

圖4　52 MPa電液復合控制系統工作流程

防噴器控制系統從水上供給到水下蓄能器組壓力提高到52 MPa。水上液壓動力單元和蓄能器組供給分流器和其他水上設備，通過隔水管剛性管匯和熱線軟管分別提供52 MPa液壓液到隔水管總成平臺水下蓄能器組、冗余控制箱和防噴器組平臺應急蓄能器組。液壓液通過調壓閥減壓到35 MPa供給控制箱管匯和下部防噴器組使用。

52 MPa控制系統可以滿足需要35 MPa剪切力的套管和鉆桿剪切閘板防噴器應急系統的需求，而35 MPa控制系統則無法滿足。相對35 MPa系統而言，52 MPa系統儲存高壓液壓液的水上和水下蓄能器數量顯著減少。

52 MPa系統需要研制的關鍵元件包括：水上液壓動力單元、各種規格調壓閥、SPM功能閥、單向閥、梭閥和隔離閥。通徑38 mm調壓閥（從52 MPa減壓到35 MPa）認證測試已超過API要求，正在進行壽命測試，如圖5所示。研制的新閥件證明新一代52 MPa防噴器控制系統控制140 MPa防噴器組是可行的。

圖5　Oceaneering通徑38 mm、壓力52 MPa調壓閥

5　國內首套深水防噴器控制系統

河北華北石油榮盛機械制造有限公司（以下簡稱榮盛公司）研制的水下防噴器組電液復合控制系統，集成了機械、液壓、電氣、自動化、通信等多項技術，系統復雜龐大，技術要求高。為了保證安全可靠性，水下防噴器控制系統配備2套控制系統。其中一套為主控系統，另一套為二次井控系統［9］。主控系統采用模塊化冗余設計，最多可以控制112個控制對象。二次井控系統是在主控制系統失效情況下執行關鍵功能操作，主要包括緊急脫開系統和水下應急裝備等。

深水防噴器組控制系統液壓部分主要包括水上液壓動力單元、水上蓄能器組、剛性管匯、熱線軟管絞車、水下控制箱和水下蓄能器組等，其中水下控制箱有2套互為備份，如圖6所示。水上液壓系統與水下控制箱通過剛性管連接，水下液壓插接可以快速脫斷，適合深水惡劣環境中使用，最大工作水深可達3 050 m。

圖6　榮盛公司水下控制箱樣機

深水防噴器組電控系統主要由水上電控系統、水下電控系統和連接水上、水下電控系統的傳輸光電纜組成。水上電控系統位于鉆井平臺上，主要包括中央控制單元、司鉆控制臺和隊長控制臺、數據服務器、電力分配柜和電纜絞車等；水下電控系統位于海底藍黃控制箱的密封艙內，包括藍箱水下電子模塊和黃箱水下電子模塊。電控系統具有以下優點：

1） 信號傳輸采用電光電模式，衰減小、抗干擾，穩定性好。

2） 通訊網絡為雙冗余以太網，安全性好。

3） 主控系統采用三重冗余系統，具有表決冗余、失效安全以及容錯的能力，安全性和可靠性高。

河北華北石油榮盛機械制造有限公司完成了863計劃“3 000米深水防噴器組及控制系統的研制”重大課題的研究，申請國家專利17項，發表論文14篇［10］。2012-09-03，水下防噴器組及控制系統通過科技部組織的專家驗收。在研究成果的基礎上，開展深水防噴器組及控制系統配套技術研究和試驗技術研究，研制成套工程樣機。目前已經完成水下控制箱優化設計、聲吶控制系統設計、應急液壓備用控制系統設計、閥件可靠性試驗和系統故障診斷研究。

6　結論

1） 國內、外制造商的主要差距在于深水防噴器控制系統閥件的設計、生產、測試能力以及經驗的積累。

2） 深水防噴器控制系統向著高系統壓力、三重冗余、高可靠性、智能化和清潔環保方向發展。

3） 國外深水防噴器控制系統已經應用工程實踐多年，國內深水防噴器控制系統已經具備海洋工程化應用水平，有望近期形成量產，投入海洋工程應用。

［1］ Dominique A．New generation of deepwater BOP Stacks ［C］．Paris：Journees annuelles des hydrocarbures，2013．

［2］ OE Staff．Cameron introduces new subsea BOP control system［N］．OE Digital，2014．

［3］ Frank S，Dan F．New generation of subsea BOP equipment controls smaller，stronger，cleaner，smarter［J］．Drilling Contractor Magazine，2008（3／4）：96-102．

［4］ Frank B S，Eric T E．Subsea power fluid recovery systems：US8464525B2［P］．2013．

［5］ GE Oil＆Gas．GE announces introduction of pioneering “20Ksi”deepwaterdrillingSystems［N］．GE News，2014．

［6］ GE Oil＆Gas．SeaONYXSurface control system poweredbyMarkVIecontrol technology［N］．GEA30614 A，2013．

［7］ Earl S，Scott R，Harold D，et al．New generation control system for 20 ksi subsea BOP［R］．OTC23473，2012．

［8］ Earl S，Wesley P，Sean S，et al．Enhanced subsea safety critical systems［R］．OTC23480，2012．

［9］ 林瑤生，周守為，李浪清，等．“海洋石油981”深水半潛式鉆井平臺防噴器組與控制系統創新與實踐［J］．中國船舶，2013，54（增1）：267－275．

［10］ 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］．北京：中國科學技術信息研究所（7387361882007AA09A101／01），2014．

Development of Deepwater BOP Control System at Home and Abroad

WU Guohui，XU Hongqi，CHEN Yandong，LIU Libing，WANG Jianwei （Rongsheng Machinery Manufacture Ltd．of Huabei Oilfield，Renqiu 062552，China）

First new development of major foreign manufacturers such as Cameron，NOV，GE and Oceaneering in deepwater BOP control system is introduced．Then new development of domestic manufacturers Rongsheng Machinery Manufacture Ltd．of Huabei Oilfield in deepwater Bop control system is introduced．Finally，it is pointed out that deepwater BOP control system is developed in the following orientations：high system pressure，three point of distribution，high reliability，intelligent and clean and environmental protection．

deep water；BOP；control system；development

1001-3482（2015）09-0001-04

①2015-02-13

國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2013 AA09 A220）

吳國輝（1982），男，河北廊坊人，工程師，碩士，主要從事石油機械控制系統研究，Email：mnbxhui＠163．com。

①2015-03-19

國家自然科學基金“深水無隔水管鉆井渦動對鉆柱動態響應研究”項目資助（51405032）

鄢 標（1989-），男，湖北仙桃人，碩士研究生，主要從事油氣裝備及井下工具的設計、診斷及動態仿真研究，E-mail：yanbiao1989＠sina．cn。