水下防噴器應急聲納控制系統研究進展

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

水下防噴器應急聲納控制系統研究進展

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

聲納控制系統是一種完全獨立于防噴器主控制系統的緊急備用控制系統，當鉆井船偏離警戒圈或是防噴器主控制系統失效時發揮作用，避免重大事故的發生。概述了應急聲納系統的構成；介紹了國外3家水下防噴器應急聲納控制系統供應商的最新產品及國內公司在該方面的研究進展。水聲通信技術的不斷進步，使防噴器應急聲控系統的可靠性不斷提高，額定工作水深不斷增加，逐漸成為水下防噴器系統的標準配置。

水下防噴器；聲納控制；水下電子模塊；控制

水下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時都異常困難，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。API 16D標準中規定水下防噴器系統必須配備緊急備用控制系統來提高鉆井的安全性。

水下防噴器緊急備用控制系統也稱為水下防噴器應急安全控制系統，是一種應對海洋鉆井突發狀況的二級干預系統。目前廣泛使用的緊急備用控制系統包括自動停機系統(Deadman)、自動模式功能(AMF)、自動剪切系統(Autoshear)、聲納控制系統(Acoustic Control System)、ROV操作系統以及緊急脫斷系統(EDS)等[4-5]。其中聲納控制系統是一種完全獨立于防噴器主控制系統的緊急備用控制系統，當鉆井船偏離警戒圈或是防噴器主控制系統失效時發揮作業，可有效控制防噴器系統的關鍵功能、剪切鉆桿并密封井筒壓力，避免重大事故的發生[6]。

1 應急聲納控制系統構成

應急聲納控制系統主要由水面聲納部分、水下聲納部分、水下聲納控制盒等組成[7]，如圖1所示。

圖1 應急聲納控制系統

控制指令通過水面聲納部分的水聲換能器編碼形成獨特的聲波信號，發送至水下聲納部分；水下聲納部分的水聲換能器接收水面水聲換能器發送的聲波信號并解碼成電信號；水下電子模塊接收水下水聲換能器傳送的電信號，經過邏輯運算輸出控制命令，驅動水下聲納控制盒上相應的電磁閥動作，從而實現防噴器的功能操作。

1.1 水面聲納部分

水面聲納部分包括地面控制單元和沉浸式水聲換能器。地面控制單元用來進行應急聲納系統的操作，接收操作指令并將其傳輸至水下聲納部分，接收水下聲納部分傳來的信息并顯示系統的狀態。沉浸式水聲換能器放置到海下一定深度，通過電纜與地面控制單元連接，將地面控制單元發出的電信號轉換成聲波信號并傳送給水下水聲換能器。

1.2 水下聲納部分

水下聲納部分包括水下電子模塊和水下水聲換能器。水下電子模塊包括電池組、DI/DO模塊、模擬量輸入模塊等。水下電子模塊接收水聲換能器傳輸的信號并進行處理，輸出驅動水下聲納控制盒上電磁閥的命令信號；具備通用的模擬量輸入端口，可以接入各類傳感器輸出的標準模擬量信號，將其轉換為數字信號，并通過水聲換能器把信號傳輸至水面上的數據顯示終端。

1.3 水下聲納控制盒

水下聲納控制盒安裝在水下防噴器組框架內，用于將聲納控制系統的水下電子模塊發出的控制信號轉化為液壓信號，從而執行防噴器功能。剪切蓄能器以及應急蓄能器配合聲納控制盒工作，用于提供各執行機構操作所需壓力液。所有零部件必須采用耐海水腐蝕性好的不銹鋼或特殊海洋涂層保護，可長期在水下工作。

2 國外深水防噴器應急聲納控制系統

2.1 挪威Kongsberg公司

Kongsberg公司的防噴器應急聲控系統專為水下防噴器系統和其它水下生產系統設計，應用極其廣泛。美國的三大防噴器制造商NOV、GE Hydril和Cameron公司的水下防噴器系統都配備過Kongsberg公司的ACS433應急聲控系統。該系統可控制12個功能，接收12個數字量反饋信號和7個模擬量輸入信號；可在海底3 000 m應用。水下聲納部分配備2個水聲換能器，保證聲納信號傳輸的可靠性。

為了適應更深水域的應用，Kongsberg公司開發的最新一代ACS500防噴器應急聲控系統應用了最新的聲波通信技術，抗噪聲能力更強；水下聲控單元可控制16個功能；可在水下4 000 m應用[8]。如圖2所示。具有如下特點：

1) 地面控制單元內部的可充電電池可續航超過10 h操作。

2) 冗余的水下電子模塊配置和冗余水下水聲換能器配置，系統可靠性更高。

3) 地面控制單元便攜式設計，可耐海水噴濺，密封性更好。

4) 系統具備自測試和診斷功能。

圖2 Kongsberg公司ACS500系統

2.2 英國Sonardyne公司

Sonardyne公司的防噴器應急聲控系統是專為水下防噴器系統設計，額定工作水深4 000 m，如圖3。系統可驅動12個先導電磁閥來操作液壓功能；接收12個壓力開關信號和4個傳感器模擬量信號來顯示防噴器的狀態。所有的水下部件采用超級雙相不銹鋼材料，確保在海底長時間應用不受腐蝕，且不需要配置陰極保護。

水下聲納部分是完全的雙重冗余設計，采用2個水聲換能器連接到2個冗余的SEM上。2個水聲換能器可以避免聲納信號被隔水管干擾，可根據系統可靠性需求，擴展到4個換能器，提高冗余度。SEM提供與客戶防噴器的接口，可以連接到主要防噴器廠商的產品上。

圖3 Sonardyne公司的防噴器應急聲控系統

水聲換能器安裝在搖臂上，一般為2～3 m長，可以從水下防噴器組框架中伸出，這樣可以保證聲納信號的可靠通信，信號不被遮擋。連接水下換能器和SEM的電纜是充油補償式電纜。所有密封處采用雙重O形圈密封，帶一個壓力測試端口，滿足API標準要求。

2.3 美國Nautronix公司

Nautronix公司的NASeBOP系統是為滿足關鍵防噴器控制需求設計的最新一代的應急聲控系統。系統配置如圖4所示，系統是完全冗余的配置，水面聲納部分和水下聲納部分均采用雙重冗余設計，可控制16個功能；額定工作水深4 000 m，并可定制水深6 000 m的應用配置；連接器和終端都采用雙O形圈密封，所有電纜均為充油補償式電纜，確保在海底壓力下可靠工作。系統設計滿足API 16D和API 17E標準要求。

NASeBOP系統可以控制防噴器關鍵功能，監控防噴器狀態，并且配備EDS功能。系統每分鐘執行1次回路測試，每小時顯示1次電池電量信息和模擬量讀數，電池壽命高達270 d。

NASeBOP的核心技術是Nautronix公司的ADS2(Acoustic Digital Spread Spectrum)信號處理技術。ADS2的關鍵優勢是編碼技術，先進的信號處理技術使應用范圍廣、集中控制高和有效監控水下設備的最優化，確保不受其它聲波噪聲或是環境噪聲干涉，系統應用的協議使系統完整性達到最高級別[9]。系統特點如下：

1) 具備EDS功能。

2) 電池電量、蓄能器壓力、電磁閥狀態的周期性狀態報告。

3) 具有周期性聲納回路測試功能。

4) 具有事件和數據記錄功能，用作事故分析。

5) 具有報警監控、記錄和報告系統。

圖4 Nautronix公司的NASeBOP系統

3 國內水下防噴器應急聲控系統研究進展

水下防噴器及控制系統的研制難度大、風險高，國內在該領域的研究起步較晚，水下防噴器應急聲納控制系統的研究落后于國際先進水平，我國半潛式海洋鉆井平臺“海洋石油981”配備的是Kongsberg公司的ACS433應急聲控系統[10]。

河北華北石油榮盛機械制造有限公司經過多年的技術攻關，目前已經完成了水下聲納控制盒的設計、聲納控制系統的關鍵技術研究等工作。聲納控制盒三維模型如圖5所示。

圖5 聲納控制盒三維模型

聲納控制盒采用壓力補償技術。電磁閥全部安裝在一個不銹鋼的壓力補償腔外壁上，壓力補償腔內充滿絕緣液，電磁閥的電氣接線在補償腔內部完成，實現電氣接線的高可靠性；為保證壓力補償器內部壓力和外部海水壓力平衡，補償腔連接海水壓力補償器，壓力補償器在海水壓力作用下可隨時向壓力補償器內供給絕緣液，使補償腔內外壓力達到平衡。

4 結論

1) 國外3家公司的水下防噴器應急聲納控制系統，額定工作水深都達到了4 000 m，均采用冗余配置來提高系統可靠性，地面控制單元采用便攜式設計。

2) 隨著海洋石油鉆井工作水深的不斷增加，對水下防噴器系統的可靠性要求越來越高，應急聲納控制系統逐漸成為水下防噴器系統的標準配置。水聲通信技術的不斷進步，使防噴器應急聲控系統的可靠性不斷提高，控制的功能數量也不斷增加。

3) 國外的水下防噴器應急聲控系統技術不斷進步，可靠性越來越高。國內在該領域的研究正處于起步階段，需加快研究步伐，盡早研制出產品。

[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] 蘇尚文，屈志明，侯國慶，等.水下應急封井裝置技術研究進展與建議[J].石油礦場機械，2014，43(4)：96-101.

[5] Raleigh S W.Evaluation of Secondary Intervention Method in Well Control[R].Brookshire，WEST Engineering Services Inc，2003.

[6] Holand P.Evaluation of the need for an acoustic backup control system for the snorrell BOP[R].Sintef，2011.

[7] 耿艷東，王莎，王衛華，等.海洋油氣開發水下防噴器緊急備用控制系統研究[J].石油礦場機械，2016，45(2)：79-83.

[8] Olsen A.New emergency Acoustic BOP Control System from KONGSBERG increases operational depth to 4000 m[R].Kongsberg Maritime，2013.

[9] MacDonald L.Latest Developments in Acoustic Subsea Control and Monitoring for the Drilling Industry[R].SPE 143762，2011.

[10] 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].中國造船，2013(A01)：267-275.

Research Progress for Emergency Acoustic Control System of Subsea Blowout Preventer

LIU Libing

(RongshengMachineryManufactureLtd.ofHuabeiOilfield，Renqiu062552，China)

The acoustic BOP control system is an emergency backup control system，which is completely independent of the primary control system.It can play a key role of the drilling ships off guard ring or primary control system failure，to avoid major deadly accidents.Firstly，the composition of emergency acoustic control system is summarized.Secondly，the latest products of foreign three subsea BOP acoustic control system suppliers.The domestic research status of the system is introduced as well.The progress of underwater acoustic communication technology improves the

2016-10-20 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工程化研制”(2013AA09A220) 作者簡介：劉立兵(1982-)，男，河北河間人，工程師，現從事深水防噴器控制系統方面的研究，E-mail：liulibing51@163.com。

1001-3482(2017)02-0007-04

TE952

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10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.002