深水防噴器狀態監控系統研究進展

劉立兵

(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

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深水防噴器狀態監控系統研究進展

劉立兵

(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

摘要：概述了深水防噴器狀態監控系統的研究意義，以及國外三家公司NOV、GE、Cameron的相關產品。介紹了國內對防噴器狀態監控系統的研究現狀，分析了防噴器狀態監控系統的構成。研究深水防噴器狀態監控系統可在鉆井過程中實時監控系統狀態，并可根據鉆井數據制定預防性維護計劃，有效降低設備故障導致的停機時間，提高系統的可靠性和安全性。

關鍵詞：深水；防噴器；狀態監控；閘板位置；數據采集

深水防噴器是半潛式鉆井平臺保證鉆井作業安全的最關鍵設備之一，其作用是在發生溢流、井涌、井噴時控制井口壓力，在遇臺風等緊急情況下鉆井裝置撤離時關閉井口，保證人員、設備安全，避免海洋環境污染和油氣資源破壞[1-3]。深海鉆井不同于陸地鉆井，若發生井噴，在人員救援及設備搶修上都異常困難，所帶來的環境污染和經濟損失更是無法估量。因此，保證防噴器的正常運行在石油勘探開發的過程中顯得非常重要。

深水防噴器系統在鉆井工作過程中的主要故障模式包括：防噴器故障、SPM閥故障、梭閥故障、節流壓井閘閥故障、電磁閥故障、調壓閥故障、管線泄露。這些故障占到防噴器系統故障模式總數的25%[4]。一旦出現故障需要把下部隔水管總成拉上平臺進行維修，至少造成14 d停機時間。防噴器停機時間會給鉆井承包商造成巨大的經濟損失，在2012年損失金額大約是＄8千萬美元[5]。國外公司對防噴器系統建立了完善的預防性維護計劃，目的是降低設備故障導致的停機時間，減少不必要的維修。在防噴器系統應用期間，尤其是接近5 a大修周期時，對系統進行預防性維護尤為重要[6]。

深水防噴器狀態監控系統可以實時監控防噴器系統狀態，對防噴器系統操作數據進行周期存儲，系統統計大量歷史數據，包括每個傳感器壓力、每個防噴器開關次數、關鍵閥門的動作次數等。鉆井專家可以根據防噴器歷史數據來制定系統的預防性維護計劃，這種基于狀態監測的維護計劃對于從根源上消除設備故障非常有效。

1國外先進的深水防噴器狀態監控系統

1.1NOV公司的BOP Dashboard系統

NOV公司的BOP Dashboard系統的主畫面如圖1所示，把復雜的防噴器系統診斷顯示在人機交互界面上，把數據服務器上的系統報警信息、模擬量數據、防噴器操作記錄等進行采集，分析處理數據，把防噴器及子系統的健康狀態轉化為不同級別的狀態燈來顯示。通過3種狀態燈的不同顏色定義風險的級別，紅色代表功能不正常，黃色代表功能正常但是設備非冗余，綠色代表功能正常并且設備冗余。系統還包括一系列的診斷子畫面，即，傳感器數據畫面、系統通信畫面、防噴器開關顯示畫面、隔水管角度畫面等。BP公司已經把BOP Dashboard系統應用于在巴西服役的Ensco DS-4鉆井船上[7]。

圖1　NOV BOP Dashboard系統主畫面

1.2GE公司的鉆井iBox系統

GE公司的鉆井iBox系統如圖2所示，包括硬件系統和軟件系統。iBox連接平臺上的數據服務器，應用GE軟件平臺對數據進行分析，生成診斷和監控報告。iBox系統可以應用到GE公司所有的深水防噴器電液多路控制系統上。iBox可以與岸上的數據監控中心通過衛星通信，在監控中心可以實時對防噴器系統進行監控，有助于對系統進行診斷和故障排除。

圖2　GE公司的鉆井iBox系統

1.3Cameron公司的深水防噴器狀態監測系統

Cameron公司的狀態監測系統主畫面如圖3所示，提供給司鉆諸多重要信息，包含4項最新技術。

1)水下蓄能器的活塞位置指示。此數據可以用來計算每個蓄能器的可用液量，還可以用來判斷是否存在管路泄露。

2)閘板位置顯示。通過在閘板防噴器上安裝位移傳感器來實時顯示閘板位置，更加準確判斷防噴器開關狀態。

3)水下信號無線傳輸。應用無線信號傳輸技術把防噴器組上的傳感器信號傳輸給下部隔水管總成框架上的水下電子模塊，無線信號傳輸比傳統的水下濕式連接器的信號傳輸方式更加安全可靠。

4)系統黑匣子記錄器。水下黑匣子記錄器可以記錄和存儲防噴器控制系統至少21 d的數據，在事故發生后，利用黑匣子數據可以對事故進行定性分析。

圖3　Cameron公司的狀態監測系統

2國內深水防噴器狀態監控系統研究進展

深水防噴器及控制系統的研制難度大、風險高，國內對該領域的研究起步較晚。河北華北石油榮盛機械制造有限公司自“十一五”規劃就承擔國家863計劃課題“3000米深水防噴器組及控制系統研制”，目前已經研制出深水防噴器組及控制系統的關鍵單元設備樣機，正在開展深水防噴器組及控制系統的配套技術和試驗技術研究，研制成套化工程樣機[8]。同時配套的深水防噴器狀態監控系統研究也取得了一定成果。

2.1閘板位置顯示裝置

在閘板防噴器的液壓油缸內安裝磁致伸縮位移傳感器，通過PLC模塊接收并處理傳感器信號，應用工控機的畫面組態軟件，設計防噴器閘板位置實時顯示畫面如圖4，實現了閘板位置的動態顯示。樣機已經經過廠內試驗，運行穩定，閘板位移測量準確，精度能夠達到0.1 mm。操作人員可根據畫面上顯示的閘板位置來判斷防噴器的打開和關閉狀態，排除了通過壓力和流量判斷造成誤判斷的可能性，提高了系統的可靠性。

圖4　閘板位置實時顯示畫面

2.2防噴器系統狀態監控

防噴器狀態監控系統包括硬件系統設計和監控軟件開發。硬件系統包括上位工控機、PLC系統、壓力傳感器、流量計等，壓力傳感器和流量計用來采集系統信號，PLC接收信號并進行處理，上位工控機運行監控軟件，可顯示系統監控狀態。監控軟件主要是上位機畫面組態軟件開發，應用GE公司的畫面組態軟件進行設計，包括主畫面、電控系統、液控系統、診斷記錄等諸多子畫面。主畫面上的防噴器、連接器、閘閥等部件的位置按照深水防噴器組的實際配置進行布局，顯示形象直觀。主畫面上可以顯示每個防噴器處于打開或是關閉狀態；各個子系統的健康狀況等。閥門的動作次數統計畫面如圖5所示，可以顯示每個關鍵閥門當前的動作次數、推薦的最大動作次數，平臺管理人員可以參照該畫面制定閥門的預防性維護計劃，定期更換閥門，可有效降低系統的故障率。

圖5　閥門動作次數統計畫面

3深水防噴器狀態監控系統構成

3.1數據采集系統

防噴器數據采集主要采用PLC模塊，包括CPU、數字量采集模塊和模擬量采集模塊等，對于電液多路控制系統，一般壓力傳感器采用4～20 mA電流型。系統壓力、流量等數據由PLC模塊采集后，傳輸并存儲到平臺上的數據服務器中。PLC和數據服務器通過以太網通信，數據服務器以一定的時間間隔采集PLC數據[9]。

對于分離式液壓控制系統，每個防噴器的開關狀態由安裝在相應液壓管線上的壓力開關來實現，壓力開關信號是采集系統的一個數字量輸入，每個防噴器狀態需要一個或是多個壓力開關來判斷。例如一個閘板防噴器通常會有3個數字量輸入：打開、關閉和中斷。對于電液多路控制系統，由安裝在相應管線上的壓力傳感器，結合流量計參數來判斷防噴器的開關狀態。

3.2數據傳輸系統

防噴器系統數據通過衛星信號從平臺上的深水防噴器系統數據服務器傳輸到陸上監控中心的數據庫中。只有防噴器報警、控制狀態和壓力變化數據被傳輸到陸上的數據庫中，當報警發生或控制狀態改變時，鉆井平臺上的數據會隨之變化。陸上服務器可以同時接受多個鉆井平臺的數據。

3.3數據監視系統

陸上的防噴器監控中心可以把數據庫中的數據進行網絡發布，鉆井專家可以在任何時間和地點通過個人電腦訪問深水防噴器系統數據，查看深水防噴器系統監控畫面，包括閥門動作次數畫面、防噴器開關次數畫面、壓力數據顯示畫面等。根據系統的閥門動作次數和防噴器開關次數等關鍵數據來制定防噴器預防性維護計劃，可以大幅提高系統的可靠性。

4結論

1)深水防噴器及控制系統是鉆井平臺保證鉆井安全的關鍵設備，對系統可靠性要求極高。鉆井專家可通過分析深水防噴器狀態監控系統數據來制定系統預防性維護計劃，從而提高系統可靠性。

2)國外深水防噴器電液多路控制系統已經配備了成熟的狀態監控系統，防噴器及控制系統狀態可以被平臺操作人員和陸上管理人員同時監控和查看，有效地提高了系統的監控和維護能力。

參考文獻

[1]楊進，曹式敬．深水石油鉆井技術現狀及發展趨勢[J].石油鉆采工藝，2008(2)：10-13.

[2]竇玉玲，管志川， 徐云龍．海上鉆井發展綜述與展望[J].海洋石油，2006(2)：64-67.

[3]李博，張作龍． 深水防噴器組控制系統的發展[J].流體傳動與控制，2008(4)：39-41.

[4]BOP FAILURE MODE EFFECT CRITICALITY ANALYSIS(FMECA)-3 FOR THE BSEE[R].BSEE，2013.

[5]McKay，Jim.Blowout Prevent(BOP)Health Monitoring[C]// IADC/SPE Drilling Conference.2012.

[6]Faller，Karl.Condition based maintenance holds potential for improving equipment reliability，performance[J].Drilling Contractor，2009(10)：50-52.

[7]Holand，Per.Final Report02-BOP Monitoring and Acoustic Technology[R].Sintef Report，2013.

[8]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，2015，44(9)：1-4.

[9]Chapman F M，Brown R L.Deepwater BOP Control Monitoring-Improving BOP Preventive Maintenance With Control Function Monitoring[R].OTC20059，2009.

文章編號：1001-3482(2016)07-0096-04

收稿日期：①2016-01-27

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國產化研制”(2013AA09A220)

作者簡介：劉立兵(1982-)，男，河北河間人，工程師，2007年畢業于燕山大學，現從事深水防噴器控制系統方面的研究工作，E-mail：liulibing51@163.com。

中圖分類號：TE951

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.022

Research for Health Monitoring System of Deepwater Blowout Preventer

LIU Libing

(RongshengMachineryManufactureLtd.ofHuabeiOilfield，Renqiu062552，China)

Abstract：Firstly，the research significance of deepwater BOP health monitoring system is summarized，and the related products of major foreign manufacturers，such as NOV，GE and Cameron，are summarized as well.Secondly the domestic research status of the BOP health monitoring system is introduced.Finally，the composition of the BOP health monitoring system is analyzed.Researching the deepwater BOP health monitoring system can be realized at real-time monitoring system condition in the process of drilling，and the preventive maintenance plan was established according to drilling data，downtime caused by equipment failure was effectively reduced，and system reliability and security were improved.

Keywords：deep water；BOP；health monitoring；ram position；data collection