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 - 图文

５４卷增刊ｌ２０１３年１月中国造船Ｖ０１．５４ＳｐｅｃｉａｌｌＪａｎ．２０１３Ｓ蛐吨ＵＩＬＤⅪＮＧＯＦＣＨＩＮＡ文章编号：１０００－４８８２（２０１３）Ｓ１．０２６７—０９“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林瑶生１，周守为１，李浪清２，晏绍枝２（１．中国海洋石油总公司，北京１０００１０；２．中海油深水钻井船２－程项目组，北京１０００１６）摘要“海洋石油９８１”是国内第一艘深水半潜式钻井平台，防喷器组与防喷器控制系统是在深水钻井作业时执行海底井口控制作业、保证井口及平台安全运行的最为关键的设备与系统。论文对“海洋石油９８ｌ”平台的防喷器及控制系统在功能设计和选型上的创新与实践进行了探讨，可为今后类似平台的建造提供参考和指导。关键词：半潜式平台；防喷器；防喷器组；ＢＯＰ控制；隔水管０引言“海洋石油９８１”深水半潜式钻井平台的防喷器组与防喷器控制系统由ＣＮＯＯＣ提出基本设计要求并全程管理、控制产品的设计、制造、安装与调试。“海洋石油９８１”深水防喷器组及防喷器控制系统为国内首次独立自主的设计及应用，它的设计除了满足相应的规范及规则要求外，还增加了凝聚着ＣＮＯＯＣ特殊要求的能够更安全控制防喷器的深水应急控制系统。此平台的防喷器组及防喷器控制系统与国内其它常规作业水深半潜式钻井平台的系统相比，在压力等级、控制方式、冗余设计、应急措施等方面都有重大的区别。１设计基础１．１目的和要求深水半潜式钻井平台井控系统的主要目的是容纳井眼中的流体，能使泥浆泵入井眼并在可控的状态下使井流安全地泄出：在隔水管偏移角度过大时，井控系统中的隔水管还能通过应急解脱装置迅速与海底防喷器脱开。“海洋石油９８１”深水半潜式钻井平台的井控系统主要由防喷系统、节流和压井系统、导流系统、隔水管系统以及控制和监控系统等组成。防喷系统是整个平台井控系统的关键，深水防喷系统主要由海底防喷器组及防喷器控制系统两部分组成。防喷器组与防喷器控制系统的设计需要满足平台的最大作业水深及相应的环境条件。１．２规范及规则海底防喷器组与防喷器控制系统的设计、制造、试验和检验，满足美国石油协会（ＡｍｅｒｉｃａｎＰｅｔｒｏｌｅｕｍＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，简称ＡＰＩ）的标准、规则及有关国家船级社规范的要求，诸如：美国石油协会（ＡＰＩ）的ＡＰｌｌ６系列规则【ｌｊ；中国造船学术论文中国船级社（ＣＣＳ）的《钻井装置发证指南》；美国船级社（ＡＢＳ）的ＧｕｉｄｅｆｏｒＣｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＤｒｉｌｌｉｎｇＳｙｓｔｅｍ；挪威船级社（ＤＮＶ）的ＤｒｉｌｌｉｎｇＰｌａｎｔ等。另外，ＣＮＯＯＣ为了进一步保证防喷器系统控制的安全性，对防喷器组控制液压泵站能力及蓄能瓶的容量特别要求ＮＯＶ公司采用壳牌（ＳＨＥＬＬ）公司的ＳｈｅｌｌＥＰ２００２．１５００标准进行设计。１．３设计原则深水防喷器组与防喷器控制系统的相关设备可以划分为地面设备及水下设备两部分。地面设备主要是布置于平台舱室内的控制设备及系统与布置于月池区的控制缆收放绞车等；其中控制设备必须布置在有遮蔽的区域内，控制缆收放绞车可以布置在月池区开敝区域内。水下部分设备主要是海底防喷器组及隔水管系统等，水下设备需要按照危险区来设计考虑。对于在危险区域内的电力设备，除需要满足Ｉ类危险区的要求外，还需要满足Ｇ级大气、Ｔ３级温升等级的要求。液压泵站虽然处于安全区内，但也需要按照Ｉ类危险区的标准设计。１．４控制方式防喷器组控制系统有正常控制和应急控制两种工作方式。正常控制是通过在司钻或者钻井队长室的控制面板上的触摸屏或者按钮实现控制，应急操作可以通过移动式的声纳、ＲＯＶ的机械手及海底防喷器组自带的应急液压备用控制系统实现控制。应急控制只具有防喷器组在应急状态下的功能，少于正常控制所有的全部功能。２主要设备２．１海底防喷器组防喷器的主要功能是当井筒出现不正常高压、井液异常外溢时进行封井。通常防喷器分为环形（万能）防喷器和闸板防喷器两种。闸板又分为全封（剪切）和半封（管形）闸板两种，闸板防喷器还可以分为单闸板、双闸板和三闸板防喷器。万能防喷器可以在井喷情况下应急封闭井孔内的任何物件，包括钻具、钢丝绳乃至全封【２１。２．１．１基本构成【３Ｊ深水半潜式钻井平台的海底防喷器组是实现各种作业要求功能的各种防喷器不同组合的集成体，通常由万能防喷器、单闸板防喷器、双闸板防喷器的一种、两种或者几种防喷器与相应的管线及控制阀门等组成。“海洋石油９８１”海底防喷器组可以分为两部分（参见图１）：下部隔水管总成（ＬｏｗｅｒＭａｒｉｎｅＰａｃｋａｇｅ，简称：ＬＭＲＰ）与下部防喷器组（ＬｏｗｅｒＢｌｏｗｏｕｔＰｒｅｖｅｎｔｅｒＲｉｓｅｒＳｔａｃｋ，简称：’ＬＢＯＰ）。两者以隔水管连接器与下万能防喷器为分界面。ＬＭＲＰ上部与隔水管柱连接在一起，能够实现海底防喷器载荷的传递及隔水管系统的联通。ＬＭＲＰ下部能够通过隔水管连接器实现与ＬＢＯＰ的连接及应急解脱。ＬＢＯＰ下部通过井口连接器与井口基盘连接在一起。３“海洋石油９８１”的海底防喷器组通径为１８ｉ英寸（１英寸＝２５．４ｍｍ，下同），闸板防喷器的最大封井工作压力能够达到１５０００ｐｓｉ（约１０３．５Ｍｐａ，１Ｐｓｉ＝６８９４．７６Ｐａ，下同），万能防喷器的最大封井７工作压力可以达到１００００ｐｓｉ（约６９Ｍｐａ）。它具有钻杆剪切闸板一套、套管剪切闸板一套、５ｉ英寸７ｌ７钻杆Ｉ＇甲－Ｊ板两套、５ｉ英寸试压闸板一套、３ｊ英寸～５ｉ英寸可变闸板一套，其总重量约４３０ｔ，外形尺寸：５．５ｍｘ４．８ｍｘ１６．７ｍ，结构组成从项部至底部依次为５４卷增刊１林瑶生，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２６９（１）下部隔水管总成万能防喷器（ＬＭＲＰＳＢＯＰ）；（２）防喷器组万能防喷器（ＳＴＡＣＫＳＢＯＰ）；（３）钻杆剪切闸板（ｃｖｘＳＨＲＲＡＭ）；（４）套管剪切闸板（ＣＡＳＩＮＧＳＨＲＲＡＭ）；（５）可变钻杆闸板（ＰＩＰＥＲＡＭ５～７英寸ＭＵＬＴＩ），也可以变成钻杆闸板（ＰＩＰＥＲＡＭ．７５ｉ英寸ＦＩＸＥＤ）；（６）可变钻杆闸板（ＰＩＰＥＲＡＭ．１．７３ｊ英寸～５ｉ英寸ＭＵＬＴＩ）；（７）钻杆闸板（ＰＩＰＥＲＡＭ一７５虿英寸ＦＩＸＥＤ）；７（８）双面试压钻杆闸板（ＰＩＰＥＲＡＭ５ｉ英寸ＦＩＸＥＤ?ＢＤＣ）。下部防喷器组图１“海洋石油９８１”海底防喷器组的结构示意图２．１．２剪切能力防喷器组执行剪切钻杆或者套管动作是它控制井口、防止井喷最为关键的一个操作步骤，而剪切闸板的剪切能力是它的一个重要考核指标。由于工作水深的不同，所使用的钻杆尺寸也不同，相应的闸板防喷器的剪切能力应满足剪断最大深水钻井作业使用的最大尺寸钻杆的要求。“海洋石油９８１”配置的剪切闸板的剪切能力如表１所示。２７０中国造船学术论文表ｌ“海洋石油９８１”剪切闸板剪切能力表注：１英尺＝０．３０４８ｍ．１磅≈０．４５４ｋｇ每个剪切防喷器组的工作原理（参见图２）基本类似。“海洋石油９８１”海底防喷器组的钻杆剪切闸板共有５种控制方法来实现剪切动作的控制。（１）地面控制：关闭压力为１５００ＰＳＩ；（２）地面控制：关闭压力为５０００ＰＳＩ；（３）ＥＨＢＳ控制：关闭压力为ｌ５００ＰＳＩ，钻杆剪切为５０００ＰＳＩ；（４）声纳控制：关闭压力为３０００～６０００ＰＳＩ，钻杆剪切为５０００ＰＳＩ；（５）ＲＯＶ控制：关闭压力为５０００ＰＳＩ。＋应急管线图２“海洋石油９８１”海底防喷器组剪切闸板关位流程图２．２控制系统设备海底防喷器组控制系统的设备主要包括：液压泵站、蓄能器组、中央处理装置、ＵＰＳ、控制盒等（图３）。液压泵站可以经过隔水管外部的两条液压管线向防喷器提供液压油来控制水下防喷器的动作。其中液压泵站可以根据需要泵送三种介质：防喷器混合液、高纯度液压油或乙二醇等。液压泵站由两台马达驱动，其中一台马达接入平台的应急供电系统。泵站设有防喷器混合液罐、高纯度液压油罐及乙二醇罐等。液压泵站可以配置并输送防喷器控制所需的控制混合液。蓄能器组是储存并在应急时供给海底防喷器组控制液的装置，在液压泵组失效的情况下，蓄能器的容量（容积和压力）应该能够满足防喷器组控制的需要【４】。“海洋石油９８ｌ”的蓄能器容量已经超出ＡＰＩ一１６Ｄ的要求，是按照ＳｈｅｌｌＥＰ２００２．１５００标准设计的。５４卷增刊１林瑶生，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２７１地面设水下设图３“海洋彳一由９８１”防喷器控制系统图中央处理装置设置在平台的舱室内，它是实现防喷器组控制系统的所有地面控制管汇与海底防喷器的控制功能的数据交换中心。防喷器控制系统ＵＰＳ的容量需要满足防喷器控制系统持续工作２小时的规范要求。控制盒是海底防喷器与地面控制设备的电与液压的转换中心，所有的控制信号均通过此控制枢纽传递给海底防喷器组。３控制设计常规水深的防喷器控制系统大多采用电～气一液一液或者多路传输、数字编码控制的控制方式，而对于深水作业，以上的控制方式已经不能够满足防喷器控制响应时间的要求，目前深水防喷器的控制方式多采用电液一ＭＵＸ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）控制技术，包括新型ＳＰＭ（Ｓｕｂ技术、光纤传输等。“海洋石油９８１”深水半潜式钻井平台防喷器的控制采用电液混合控制系统。它能够保证海底闸板ＰｌａｔｅＭｏｕｎｔｅｄ）阀、特殊密封

中国造船学术论文防喷器从驱动到关闭完成的响应时间不超过４５秒，海底环形防喷器从驱动到关闭完成的响应时间不超过６０秒，隔水管应急解脱隔水管连接器的响应时间不超过４５秒。３．１正常控制关于“海洋石油９８１”防喷器控制系统的控制板，根据ＡＰＩ一１６Ｄ的要求设置两个正常使用的控制板，一个控制板安装在在司钻房内由司钻控制，可以控制防喷器组的所有功能，并能调节和显示控制系统的所需的压力；第二个控制板放置在生活楼的钻井队长室由钻井队长控制。此两块控制板与防喷器控制系统的主要装置直接并联连接，每一控制板至少包括下列控制：（１）关闭和开启防喷器；（２）关闭和开启防喷器上的压井和节流阀；（３）导流器的操作；（４）隔水管的正常和应急解脱。按照ＡＰＩ一１６Ｄ规则要求，在钻井队长室的控制面板上防喷器先导阀的压力状态、充气压力状态、泵站马达失电状态、防喷器组上次状态等可以不必显示。但是，为了保证应急控制时海底防喷器组的信息完全冗余，“海洋石油９８１”钻井队长室的控制面板与司钻房的完全相同。防喷器控制系统的控制画面参见图４。图４防喷器控制系统四面３．２冗余设计海底防喷器能否正常按照要求关闭，实现井ＶＩ控制，关系到整个平台的生命财产安全，所以防喷器控制系统的冗余设计显得尤为重要，“海洋石油９８１”项目充分考虑了控制系统的冗余设计，具体情况如下：（１）设计两套独立的控制阀及先导控制阀安装在位于下部隔水管总成的每个控制接头上。（２）设计两套独立的能够分别供给海底防喷器所需的液压油的液压管线，沿着隔水管的外侧连接到海底防喷器组。５４卷增刊１林瑶生，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２７３（３）设计两套独立的功能完全相同的控制接头及控制电览，并采用蓝、黄两种不同颜色标识。（４）设计两套独立的控制电缆收放绞车系统及导向滑轮系统。（５）设计两套功能完全相同的海底防喷器组控制面板，一套安装在钻台上的司钻房内，另一套安装在生活楼内的钻井队长室内。３．３应急控制“海洋石油９８１”的防喷器控制系统设计除满足规范要求的常规控制外，还设置了本平台所特有的防喷器控制系统：声纳控制系统、水下机器人（ＲｅｍｏｔｅＯｐｅｒａｔｅｄＶｅｈｉｃｌｅ，简称：ＲＯＶ）控制系统、应急液压备用（ＥＨＢＳ）控制系统。３．３．１声纳控制声纳控制系统主要是通过地面声纳遥控装置及水下声纳控制系统来实现对防喷器组应急功能的控制。地面声纳遥控装置发出指令、水下声纳传感器接收到信号并给电磁阀信号指令，控制ＳＰＭ阀操作，完成功能控制。声纳控制系统主要由地面声纳控制系统、水下声纳控制盒、备用电池及储能器组成，在３０００ｍ最大作业水深的情况下，声纳的工作范围为８０２ｍ。声纳主要实现如下三个控制功能：（１）钻杆剪切闸板一关闭，（２）上钻杆闸板一关闭，（３）隔水管连接器一解锁。对于声纳控制系统，在‘＇ＡＲＭ”状态下声纳控制系统起作用，在“ＤＩＳＡＲＭ”状态下声纳控制系统不起作用。３．３．２应急液压备用控制应急液压备用（ＥＨＢＳ）控制与通常的“失效关闭”功能类似。安装在下部防喷器组上，具有独立液压控制盒。当选择“ＡＲＭ”模式时，同时失去液压和防喷器的电力信号情况下，自动启动ＥＨＢＳ的功能，在‘＇ＤＩＳＡＲＭ”状态时ＥＨＢＳ不起作用。应急液压备用主要实现如下三个控制功能：（１）钻杆剪切闸板一关闭，（２）上钻杆闸板一关闭，（３）隔水管连接器一解锁。设定‘＇ＡＲＭ”和“ＤＩＳＡＲＭ”的原则：下完防喷器组准备继续钻井时，设定在‘＇ＡＲＭ”的位置；但剪切闸板的能力不足于剪切井内的下部钻具时，设定在‘＇ＤＩＳＡＲＭ”位置。此系统能够在防喷器组控制系统同时失去防喷器控制系统的液压和电力信号时还能有效控制井控设备：但是在接头盒到应急备用控制盒之间液压系统及电控部分同时出现故障会激活此功能，导致误操作。３．３．３水下机器人控制“海洋石油９８１”在平台左右舷各预留了一个放置第三方设备ＲＯＶ系统的位置，ＲＯＶ在平台正常钻井作业时下放到水下辅助水下井口的安装、连接等工作，或者在应急时能够下放ＲＯＶ实现海底防喷器组的就地控制。在下部隔水管总成及下部防喷器组上都配有ＲＯＶ的控制面板，它们的控制功能如下。下部隔水管总成上的控制板：（１）储能瓶释放，（２）下部隔水管总成连接器二开，（３）连接钢圈释放，２７４中国造船学术论文（４）插入头回收。下部防喷器组上的控制板：（１）钻杆剪切关，（２）套管剪切关，（３）井口连接器二开，（４）插入头回收，（５）剪切储能瓶释放，（６）ＥＨＢＳ储能瓶释放。控制海底防喷器的液压源有两种途径得到：一种是由地面防喷器控制液压泵站，通过独立的绞车及滑轮系统将备用液压软管传递至海底防喷器组，另一种是ＲＯＶ自带的放置于平台的地面液压泵站通过ＲＯＶ的脐带缆液压供给。３．４应急解脱隔水管的应急解脱是保护井口、隔水管及平台安全的重要应急措施。虽然隔水管的应急解脱通常用于动力定位的浮式钻井装置，但是在具有动力定位与锚泊双重定位功能的“海洋石油９８１”半潜式钻井平台上，除在司钻房及钻井队长室的控制面板上设置了隔水管正常解脱的控制功能外，还在备用应急液压与声纳控制的控制板上设置了隔水管应急解脱功能。４防冻措施对于深水钻井作业，海底的温度较低，为了保证海底防喷器本体及控制系统的执行机构能够在工作温度范围之内工作，深水半潜式钻井平台的海底防喷器组必须采取相应的防冻措施并配置相关的设备及系统。“海洋石油９８１”半潜式钻井平台设置了两套独立的防冻装置：（１）使用液压泵站的混合系统配置乙二醇防冻液，并向海底防喷器组及井口连接器注入乙二醇防冻液。（２）使用高压试压泵从平台上设置的独立的乙二醇混合液体罐向海底防喷器组及井口连接器等注入防冻液。５结语深水半潜式钻井平台的海底防喷器组与防喷器控制系统是平台的重要安全控制系统，世界各国的海上石油公司在设计之初及平台的后期运营管理过程中都对此系统给予重点关注。中海油从平台安全运营角度出发，在“海洋石油９８１”深水半潜式钻井平台的防喷器组与防喷器控制系统设计之初就严格执行相关规范并提出更高的要求，并获得国家专利，参考文献在平台后期的运营中将提供有力的安全保障。［１】ＡＰＩ标准．ＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｆｏｒＣｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓｆｏｒｄｒｉｌｌｉｎｇｗｅｌｌｃｏｎｔｒｏｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ［Ｓ］．ＳＰＥＣ１６Ｄ。１９９３．【２】海洋钻井手册编审组．海洋钻井手册（下册）【Ｍ】．中国海洋石油总公司，１９９６．８．［３】ＮＯＶ公司投标深水半潜式钻井平台项目防喷器及控制系统资料【Ｍ】．ｆ４】盛磊祥，许亮斌，蒋世全，刘正礼．深水水下防喷器控制系统蓄能器能力分析［Ｊ］．中国海上油气，２０１０（５）ＩｎｎｏｖａｔｉｏｎａｎｄＰｒａｃｔｉｃｅｏｆＢＯＰＳｔａｃｋａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｆｏｒ“ＨａｉＹａｎｇＳｈｉＹｏｕ９８１’’ＤｅｅｐｗａｔｅｒＳｅｍｉ－ＳｕｂｍｅｒｓｉｂｌｅＤｒｉｌｌｉｎｇＵｎｉｔＬＩＮＹａｏｓｈｅｎ９１，ＺＨＯＵＳｈｏｕｗｅｉｌ，ＬＩＬａｎｇｑｉｎ９２，ＹＡＮＳｈａｏｚｈｉ２（１?ＣｈｉｎａＮａｔｉｏｎａｌＯｆｆｓｈｏｒｅＯｉｌＣｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１０，Ｃｈｉｎａ；２?ＣＮＯＯＣＤｅｅｐｗａｔｅｒＤｒｉｌｌｉｎｇＵｎｉｔＰｒｏｊｅｃｔＴｅａｍ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ“ＨａｉＹａｎｇＳｈｉＹｏｕ９８１”ｉｓｔｈｅｆｉｒｓｔｄｅｅｐｗａｔｅｒｓｅｍｉ－ｓｕｂｍｅｒｓｉｂｌｅｄｒｉｌｌｉｎｇｕｎｉｔｉｎＣｈｉｎａ．ＢＯＰｓｔａｃｋａｎｄｉｔｓｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｓｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｓｙｓｔｅｍｆｏｒｗｅｌｌｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｒｉｇｄｕｒｉｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎ．ＡｇｅｎｅｒａｌａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｉｎｎｏｖａｔｉｏｎＳｈｉＹｏｕ９８１’＇ＢＯＰｓｔａｃｋｏｆｎｅｗｒｉｇｉｓｐｒｏｖｉｄｅｄ．ｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｔｈｅａｎｄｐｒａｃｔｉｃｅｆｏｒｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆ‘ＨａｉⅥｍｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｓｇｉｖｅｎ，ａｎｄｔｈｅｇｕｉｄａｎｃｅｆｏｒｆｕｔｕｒｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｍｉ－ｓｕｂｍｅｒｓｉｂｌｅｒｉｇ；ＢＯＰ；ＢＯＰｓｔａｃｋ；ＢＯＰｃｏｎｔｒｏｌ；ｒｉｓｅｒ作者简介林瑶生男，１９６１年生，高级工程师。主要从事海洋工程设计、建造与项目管理工作。周守为男，１９５０年生，中国工程院院士。主要从事海洋石油开发工程研究工作。李浪清男，１９６７年生，工程师。主要从事海洋石油钻井水下系统专业工作。晏绍枝男，１９７１年生，高级工程师。主要从事海洋工程设计、建造与项目管理工作。

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