国内外深水防喷器控制系统的发展

吴国辉，许宏奇，陈艳东，刘立兵，王建伟

（河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北　任丘062552）①

国内外深水防喷器控制系统的发展

吴国辉，许宏奇，陈艳东，刘立兵，王建伟

（河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北任丘062552）①

深水防喷器及控制系统是保证深水钻井作业安全的关键设备，其作用是控制井口压力，保证人员、设备安全，避免海洋环境污染和油气资源破坏。由于深水钻井的抢险、逃生和救援极为困难，因此对深水防喷器组及控制系统的技术性能和可靠性要求非常高。

近10 a来，在墨西哥湾深水开钻的高压高温井，垂直深度超过9 144 m，储层压力达到140～175 MPa，温度超过149℃；有时油井在泥水分界线的关闭压力超过105 MPa。因此，国外井控设备生产厂家开始研制这种级别的防喷器。随着这些防喷器逐步应用于深水，防喷器控制系统也在进行技术性能升级。

南海深水油气资源勘探开发是我国能源发展的战略，水下防喷器组及控制系统是深水油气钻井的关键装备，相关技术一直被美国等厂商垄断，国内完全依赖进口。为打破国外垄断，摆脱关键装备对进口的依赖，2008-09，国家高技术研究发展计划（863计划）正式立项“3000米深水防喷器组及控制系统的研制”课题。

1　Cameron公司新的三重冗余MarkIV型防喷器控制系统［1-2］

传统的水下防喷器控制系统设计有2个控制箱，当第一个控制箱失效，另一个作为备用。MarkⅣ型控制系统的第3个控制箱提供额外冗余，解决了因一个控制箱失效后需要提出防喷器组的问题，可以使控制系统的可用率达到98%，控制箱提出水面的可能性减少73%，如图1所示。

为了在更小的空间简化设计，增加可靠性和功能性，MarkⅣ型控制系统简化设计每个控制箱的功能，成套设备更小、更轻。减少了50%的管路连接，降低了潜在的泄露；在控制箱增加冗余电磁先导调压阀，使他们不再是一个失效单点。每个控制箱增加33%的可用功能（达到160个），可以同时控制8个防喷器。新的控制箱带有压力补偿蓄能器，可以自动适应水深。MarkⅣ型比原有系统体积小26%，比其他公司的控制箱质量轻1／3。另外，提高了SPM（Sub Plate Mounted）阀和碳化钨涂层小阀的可靠性，压力补偿调压阀的先导蓄能器可以自适应。MarkⅣ型控制系统符合API 16D／53，DNV Drill和ABS CDS标准要求。

图1　Cameron三重冗余水下控制箱

2　NOV公司新一代清洁控制系统［3-4］

现有控制系统使用添加润滑液和防腐剂的水基液压液，在很多国家、地区认为这种液压液对环境是安全的，所以操作防喷器时液压液可排放到海水里。为了保护环境，一些地区法规规定防喷器的液压液要求被回收。NOV公司液压液回收系统原理如图2所示。

一些环形防喷器功能流量可达到850 L／min，相当于背压升高到28 MPa，液压液回收到水面的回收泵体积非常大，并且损耗大量的液压液；需要更加合理、体积更小的回收泵，则需要增加储液罐数量。

在3 660 m水深时，回收泵流量大约为227 L／min。在返回管线上装有欠压和超压保护装置，保证回收泵有效和失效时系统完整。在紧急情况下，回收泵损坏时液压液可排放到海里，防喷器可以正常工作。

电液复合控制系统启动液压液回收系统，通过机械方式和先导阀触发回收泵往复运动；回收泵往复运动不需要间断的输入或输出信号。一旦储液罐排空，回收泵停止工作，等待防喷器下一次动作。使用的阀件与已使用20多a的阀件类型相同。

图2　NOV公司的液压液回收系统原理

3　GE公司深水先锋140 MPa钻井系统［5-6］

防喷器组是水下钻井关键设备，用于钻井过程中隔离油气压力的防喷器组高18 m左右，重几百吨。目前，GE的水下防喷器组额定压力只到105 MPa；为了满足更深水域的油气开发，GE公司设计研制出新的140 MPa防喷器组，如图3所示。

图3　GE公司的140 MPa防喷器系统

关键技术包括：

1） 升级GE闸板和环形防喷器，满足特殊需求的高温高压储层。

2） 基于原水力和电力控制系统开发的SeaONYXTM防喷器控制系统，该系统具有最长无故障工作时间。

3） GE Sea LyticsTM防喷器顾问软件。该软件提供实时状态和维修数据显示，可以减少计划外维修需求。

GE公司新的防喷器系统使用户能够开发105 MPa系统无法触及的深水油田。新的防喷器系统利用GE最新的PredictivityTM通信软件，可以实时远程监控设备状态和性能。140 MPa防喷器组结合了很多GE在互联网技术领域的丰富经验，SeaONYX TM和Sea LyticsTM软件使水下工程用户更加及时地做出决策。

4　Oceaneering公司52 MPa控制系统［7-8］

许多油田公司和钻井承包商需要7个140 MPa闸板防喷器和2个环形防喷器装备成套，为了控制这些水下防喷器组，现有控制系统必须升级和提高性能，控制箱的电磁阀和功能阀数量需要增加到120～130个。为了提高水下防喷器的性能，需要更大通径、更大剪切力的闸板防喷器缸径，需要更多的控制液和更高的系统压力，为此开发出系统压力52 MPa的控制系统。52 MPa电液复合控制系统工作流程如图4所示。

图4　52 MPa电液复合控制系统工作流程

防喷器控制系统从水上供给到水下蓄能器组压力提高到52 MPa。水上液压动力单元和蓄能器组供给分流器和其他水上设备，通过隔水管刚性管汇和热线软管分别提供52 MPa液压液到隔水管总成平台水下蓄能器组、冗余控制箱和防喷器组平台应急蓄能器组。液压液通过调压阀减压到35 MPa供给控制箱管汇和下部防喷器组使用。

52 MPa控制系统可以满足需要35 MPa剪切力的套管和钻杆剪切闸板防喷器应急系统的需求，而35 MPa控制系统则无法满足。相对35 MPa系统而言，52 MPa系统储存高压液压液的水上和水下蓄能器数量显著减少。

52 MPa系统需要研制的关键元件包括：水上液压动力单元、各种规格调压阀、SPM功能阀、单向阀、梭阀和隔离阀。通径38 mm调压阀（从52 MPa减压到35 MPa）认证测试已超过API要求，正在进行寿命测试，如图5所示。研制的新阀件证明新一代52 MPa防喷器控制系统控制140 MPa防喷器组是可行的。

图5　Oceaneering通径38 mm、压力52 MPa调压阀

5　国内首套深水防喷器控制系统

河北华北石油荣盛机械制造有限公司（以下简称荣盛公司）研制的水下防喷器组电液复合控制系统，集成了机械、液压、电气、自动化、通信等多项技术，系统复杂庞大，技术要求高。为了保证安全可靠性，水下防喷器控制系统配备2套控制系统。其中一套为主控系统，另一套为二次井控系统［9］。主控系统采用模块化冗余设计，最多可以控制112个控制对象。二次井控系统是在主控制系统失效情况下执行关键功能操作，主要包括紧急脱开系统和水下应急装备等。

深水防喷器组控制系统液压部分主要包括水上液压动力单元、水上蓄能器组、刚性管汇、热线软管绞车、水下控制箱和水下蓄能器组等，其中水下控制箱有2套互为备份，如图6所示。水上液压系统与水下控制箱通过刚性管连接，水下液压插接可以快速脱断，适合深水恶劣环境中使用，最大工作水深可达3 050 m。

图6　荣盛公司水下控制箱样机

深水防喷器组电控系统主要由水上电控系统、水下电控系统和连接水上、水下电控系统的传输光电缆组成。水上电控系统位于钻井平台上，主要包括中央控制单元、司钻控制台和队长控制台、数据服务器、电力分配柜和电缆绞车等；水下电控系统位于海底蓝黄控制箱的密封舱内，包括蓝箱水下电子模块和黄箱水下电子模块。电控系统具有以下优点：

1） 信号传输采用电光电模式，衰减小、抗干扰，稳定性好。

2） 通讯网络为双冗余以太网，安全性好。

3） 主控系统采用三重冗余系统，具有表决冗余、失效安全以及容错的能力，安全性和可靠性高。

河北华北石油荣盛机械制造有限公司完成了863计划“3 000米深水防喷器组及控制系统的研制”重大课题的研究，申请国家专利17项，发表论文14篇［10］。2012-09-03，水下防喷器组及控制系统通过科技部组织的专家验收。在研究成果的基础上，开展深水防喷器组及控制系统配套技术研究和试验技术研究，研制成套工程样机。目前已经完成水下控制箱优化设计、声呐控制系统设计、应急液压备用控制系统设计、阀件可靠性试验和系统故障诊断研究。

6　结论

1） 国内、外制造商的主要差距在于深水防喷器控制系统阀件的设计、生产、测试能力以及经验的积累。

2） 深水防喷器控制系统向着高系统压力、三重冗余、高可靠性、智能化和清洁环保方向发展。

3） 国外深水防喷器控制系统已经应用工程实践多年，国内深水防喷器控制系统已经具备海洋工程化应用水平，有望近期形成量产，投入海洋工程应用。

［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］ 林瑶生，周守为，李浪清，等．“海洋石油981”深水半潜式钻井平台防喷器组与控制系统创新与实践［J］．中国船舶，2013，54（增1）：267－275．

［10］ 许宏奇，侯国庆，陈艳东，等．“3000米深水防喷器组及控制系统的研制”科技报告［R］．北京：中国科学技术信息研究所（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

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2013 AA09 A220）

吴国辉（1982），男，河北廊坊人，工程师，硕士，主要从事石油机械控制系统研究，Email：mnbxhui＠163．com。

①2015-03-19

国家自然科学基金“深水无隔水管钻井涡动对钻柱动态响应研究”项目资助（51405032）

鄢 标（1989-），男，湖北仙桃人，硕士研究生，主要从事油气装备及井下工具的设计、诊断及动态仿真研究，E-mail：yanbiao1989＠sina．cn。