王 林，滕 華，趙政清，王建良

（中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司，上海 201206）

在石油鉆井工程歷史上，曾經(jīng)多次發(fā)生BOP關(guān)閉時(shí)，誤操作絞車將鉆具拉斷、井口套管頭滑脫、BOP損壞等惡性事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。為了從根本上解決這一問(wèn)題，前輩們發(fā)明了防提安全裝置，從而可以比較有效地避免此類事故的發(fā)生，并已成為國(guó)內(nèi)強(qiáng)制執(zhí)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鉆井絞車和BOP控制系統(tǒng)都發(fā)生了翻天覆地的變化。目前，世界范圍內(nèi)的新型鉆井平臺(tái)幾乎都配置了自動(dòng)鉆井系統(tǒng)和更加安全的操作控制系統(tǒng)，而之前的防提裝置卻不能很好地與先進(jìn)鉆井控制系統(tǒng)相結(jié)合，且安裝維護(hù)費(fèi)用高，可以說(shuō)已經(jīng)落伍，甚至終將被淘汰。但是無(wú)論設(shè)備怎樣先進(jìn)，控制系統(tǒng)怎樣自動(dòng)化，防提斷的安全理念不能廢棄。然而目前鉆井絞車和BOP控制仍是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，沒(méi)能實(shí)現(xiàn)從根本上杜絕提斷鉆具等事故發(fā)生的目的。因此，本文將基于目前較為先進(jìn)的鉆井和BOP控制系統(tǒng)，對(duì)新型防提安全互鎖技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)設(shè)計(jì)理念加以介紹。

1 鉆井絞車和BOP控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 鉆井絞車的發(fā)展

傳統(tǒng)石油鉆機(jī)是以National 1320-UE（圖1）為代表的剎把控制，以帶式剎車為主、渦磁剎車為輔的由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鉆井絞車。這種形式曾在石油鉆機(jī)發(fā)展初期普遍采用，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、操作有手感、司鉆便于掌握井下鉆頭的工作情況等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)它也有勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣、危險(xiǎn)系數(shù)高等缺點(diǎn)[1]。

圖1 National 1320-UE鉆井絞車

為了改善司鉆的工作環(huán)境，自20世紀(jì)80年代起，National等各大國(guó)際鉆機(jī)公司陸續(xù)推出盤式剎車系統(tǒng)，先后發(fā)明出液控和氣動(dòng)兩種盤式剎車系統(tǒng)，但液控盤式剎車系統(tǒng)受制于諸多不利因素影響，最終被氣控盤式剎車系統(tǒng)所取代，隨著多盤整園式的伊頓剎車系統(tǒng)日臻完善，目前它已成為主流配置。而鉆井絞車革命性的轉(zhuǎn)變是交流電機(jī)在鉆井絞車上的應(yīng)用（圖2），采用交流變頻驅(qū)動(dòng)，計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鉆井控制[2]。

圖2 NOV的ADS系列鉆井絞車參數(shù)

交流變頻鉆機(jī)控制系統(tǒng)特點(diǎn)是：絞車數(shù)字矢量控制，能耗制動(dòng)與起下鉆能量監(jiān)控；防止游車上碰下砸；自動(dòng)送鉆；恒鉆壓、恒轉(zhuǎn)速、恒泵壓降；轉(zhuǎn)盤扭矩和泵壓限制與調(diào)控；數(shù)字化多參數(shù)調(diào)控、顯示、儲(chǔ)存與遠(yuǎn)程通訊；鉆井工況與設(shè)備的監(jiān)控管理。

石油鉆機(jī)的智能化始于National公司的TA3000型絞車，同時(shí)西德BENTEC和美國(guó)TPC公司推出智能化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（圖3），具有實(shí)時(shí)顯示、模塊化設(shè)計(jì)、可更改配置、多用戶處理能力、高分辨率彩色圖像、觸摸屏控制等特點(diǎn)，目前已成為油氣行業(yè)，尤其是海洋石油鉆井平臺(tái)的主流配置。

圖3 智能化鉆機(jī)控制系統(tǒng)

1.2 BOP控制系統(tǒng)的發(fā)展

BOP控制裝置是控制井口BOP組以及液動(dòng)壓井、節(jié)流閥等的重要設(shè)備，國(guó)內(nèi)的FKQ系列BOP控制系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程控制臺(tái)（主控柜）、司鉆控制臺(tái)（司控柜）、隊(duì)長(zhǎng)控制臺(tái)（微控柜）、空氣管線、液壓管線等組成。遠(yuǎn)程控制臺(tái)由底座、儲(chǔ)能器瓶組、泵組、油箱、閥件、管匯、儀表及電控箱等組成，功能是泵組產(chǎn)生高壓控制液并儲(chǔ)存在儲(chǔ)能器瓶組中。當(dāng)需要開(kāi)關(guān)BOP時(shí)，來(lái)自儲(chǔ)能器瓶組的高壓控制液通過(guò)三位四通閥被分配到各個(gè)控制對(duì)象中，泵組配有兩套動(dòng)力源，分別是電動(dòng)泵和氣動(dòng)泵。

自升式鉆井平臺(tái)BOP遠(yuǎn)程控制臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)：系統(tǒng)公稱壓力3 000 psi，21 MPa；管匯工作壓力1 500 psi，10.5 MPa；系統(tǒng)調(diào)壓范圍0~2 000 psi，0~14 MPa；儲(chǔ)能器充氮壓力1 000f100 psi，7f0.7 MPa；氣源壓力93~115 psi，0.65~0.8 MPa。

老式的司鉆控制臺(tái)（圖4）工作介質(zhì)為壓縮空氣，為確保操作可靠無(wú)誤，司鉆控制臺(tái)的轉(zhuǎn)閥采用二級(jí)操作方式，即首先要扳動(dòng)氣源轉(zhuǎn)閥，接通氣源，同時(shí)扳動(dòng)控制氣轉(zhuǎn)閥，才能使相應(yīng)的三位四通閥控制動(dòng)作，在控制面板上顯示“開(kāi)”或“關(guān)”字，氣轉(zhuǎn)閥復(fù)位顯示標(biāo)牌保持不變，使操作人員知道前一次司鉆臺(tái)上的操作。

圖4 傳統(tǒng)BOP遠(yuǎn)程控制臺(tái)和老式司鉆遙控臺(tái)

當(dāng)前較先進(jìn)的BOP控制系統(tǒng)多為“電控氣、氣控液”型，即24 V安全電源控制壓縮空氣、壓縮空氣控制高壓控制液，并有司鉆控制和隊(duì)長(zhǎng)控制兩處遙控臺(tái)（圖5）；兩臺(tái)大功率三缸泵，或數(shù)臺(tái)氣動(dòng)泵為系統(tǒng)提供高壓控制液，并要求兩套獨(dú)立動(dòng)力源，分別來(lái)自主發(fā)電機(jī)網(wǎng)和應(yīng)急發(fā)電機(jī)網(wǎng)，嚴(yán)格符合API16D的要求。

圖5 CAD-1109型BOP遠(yuǎn)控柜和司鉆控制臺(tái)

2 防提斷安全裝置介紹

BOP/鉆機(jī)剎車聯(lián)動(dòng)防提安全裝置，已被列為國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為Q/CNPC-TZ 20-2003《防噴器防斷安全裝置安裝調(diào)試與維護(hù)技術(shù)規(guī)范》。

FEA型防提安全裝置與井場(chǎng)配備的鉆機(jī)氣動(dòng)剎車系統(tǒng)和防碰天車聯(lián)合使用，能實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)防提功能，防止發(fā)生因誤操作而造成事故。適合于安裝了氣動(dòng)剎車系統(tǒng)鉆機(jī)，由氣控兩位三通閥、按鈕閥和梭閥等組成。它的一端與BOP司鉆控制臺(tái)氣路相聯(lián)，另一端并聯(lián)在鉆機(jī)防碰天車和氣動(dòng)剎車氣路上，能使在關(guān)閉BOP的同時(shí)，該裝置自動(dòng)控制鉆機(jī)防碰天車進(jìn)氣，使鉆井絞車滾筒處于剎死狀態(tài)；在打開(kāi)BOP的同時(shí)，該裝置自動(dòng)釋放防碰天車，解除剎車。操作剎把的司鉆即使忘了BOP已經(jīng)關(guān)閉而擅自起鉆，也不可能將剎把抬起，這樣就能從根本上防止提壞BOP或鉆具的惡性事故發(fā)生[3]。此套裝置原理見(jiàn)圖6。

之后，BOP遙控臺(tái)由氣控發(fā)展成為24 V安全電壓驅(qū)動(dòng)的電控裝置，BOP開(kāi)關(guān)狀態(tài)有了明確指示燈顯示，并陸續(xù)發(fā)明出相應(yīng)防提安全報(bào)警裝置。同時(shí)，針對(duì)National1320-UE這種老式鉆機(jī)，也升級(jí)改造出電子防碰天車系統(tǒng)，防提裝置也與電子防碰天車一起被植入鉆井絞車控制系統(tǒng)[4]（圖7），即BOP關(guān)閉時(shí)絞車斷電，達(dá)到避免誤操作鉆井絞車而造成事故的目的。不過(guò)絞車供電恢復(fù)步驟耗時(shí)繁瑣，且在特殊緊急情況如強(qiáng)行起下鉆時(shí)，此裝置沒(méi)有特別明顯的優(yōu)勢(shì)，且日常維護(hù)及安全檢查要求高[5]。

圖6 FEA型防提安全裝置原理圖

圖7 電子防碰天車系統(tǒng)

3 新型防提安全互鎖技術(shù)研究與實(shí)踐

當(dāng)前鉆機(jī)的主流配置已經(jīng)沒(méi)有了鏈條鏈輪、離合器及渦磁剎車等部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，操作更加輕松便捷、安全可靠。隨著大型鉆井絞車的不斷發(fā)展，石油鉆機(jī)智能化時(shí)代也已經(jīng)到來(lái)，國(guó)民油井（National Oil Varco）公司的Amphion自動(dòng)鉆井控制系統(tǒng)就是其中代表（圖8）[6]。

圖8 高度集成控制的司鉆房及自動(dòng)鉆井控制系統(tǒng)

雖然是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的鉆井操作系統(tǒng)，但是BOP與鉆井絞車控制系統(tǒng)還是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分（圖9），沒(méi)有實(shí)現(xiàn)很好的關(guān)聯(lián)，引入國(guó)內(nèi)后無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖9 BOP遙控柜指示燈和鉆井絞車駐車剎車開(kāi)關(guān)

勘探六號(hào)平臺(tái)根據(jù)現(xiàn)有條件，將BOP控制系統(tǒng)和Amphion鉆井絞車控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合并加以改進(jìn)，發(fā)明出新型防提安全互鎖裝置，即把司鉆房?jī)?nèi)BOP遙控臺(tái)與鉆井絞車駐車剎車系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)在任何一個(gè)BOP關(guān)閉時(shí)絞車無(wú)法操作的安全可靠的防提斷功能。

具體實(shí)施方案：

從BOP司鉆控制臺(tái)上關(guān)閉指示燈取信號(hào)，一路與駐車剎車Parking On回路并聯(lián)，一路與Parking Off 串聯(lián)。當(dāng)任何一個(gè)BOP關(guān)閉到位后，壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作，關(guān)閉指示燈亮起。此時(shí)，并聯(lián)在該指示燈上的繼電器動(dòng)作，與該繼電器對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，防提控制電路接通，時(shí)間繼電器KT1、中間繼電器KA6工作。KT1為通電延時(shí)繼電器，定時(shí)1.5秒，與Parking On并聯(lián)的KA6常開(kāi)觸點(diǎn)閉合1.5秒后再打開(kāi)（模擬司鉆人工操作），激活絞車駐車剎車；此時(shí)與Parking Off串聯(lián)的KT1常閉觸點(diǎn)打開(kāi)，此時(shí)將無(wú)法進(jìn)行剎車復(fù)位Parking Off操作。即當(dāng)任何一個(gè)BOP關(guān)閉時(shí)，相當(dāng)于駐車剎車啟動(dòng)，在BOP打開(kāi)前無(wú)法解除駐車剎車，絞車不能操作。

當(dāng)所有BOP處在開(kāi)位時(shí)，關(guān)閉指示燈上的繼電器失電，防提控制電路恢復(fù)初始狀態(tài)，此時(shí)司鉆可以進(jìn)行Parking Off操作，解除絞車駐車剎車，可以正常操作絞車。原理見(jiàn)圖10。

圖10 防提安全裝置電氣原理圖

內(nèi)部接線情況見(jiàn)圖11。

此套裝置系統(tǒng)另外一個(gè)特點(diǎn)就是串聯(lián)了一個(gè)超限越控開(kāi)關(guān)Override（如圖12所示），即在防提電路中設(shè)置斷路器CB做為越控開(kāi)關(guān)。當(dāng)CB斷開(kāi)，防提電路失電，與Parking Off串聯(lián)的KT1常閉觸點(diǎn)閉合，此時(shí)司鉆可以將駐車剎車解除操作絞車，實(shí)現(xiàn)BOP關(guān)閉時(shí)強(qiáng)行起下鉆及保護(hù)井口的功能。

圖11 BOP控制柜及司鉆椅內(nèi)部接線情況

圖12 防提裝置越控開(kāi)關(guān)

4 結(jié)論

此項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)與現(xiàn)有防提裝置及電子防碰系統(tǒng)相比，具有以下特點(diǎn)：

（1）基于目前較先進(jìn)的Amphion鉆井系統(tǒng)，將BOP與絞車控制很好的關(guān)聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)防提斷安全互鎖功能，是對(duì)原系統(tǒng)功能的補(bǔ)充完善。

（2）適用于所有配備了駐車剎車系統(tǒng)的交流變頻電機(jī)絞車，具有良好的應(yīng)用和推廣前景。

（3）此項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)理念巧妙，實(shí)施方便，簡(jiǎn)單易行，所有普通電氣工程師均可完成。

（4）技術(shù)改造工作都是在24V安全電壓控制系統(tǒng)內(nèi)部完成，安全可靠，只要確保接線正常，無(wú)需日常維護(hù)。

（5）安裝成本低廉，經(jīng)濟(jì)效益高。

“勘探六號(hào)”自升式鉆井平臺(tái)實(shí)施此項(xiàng)新型防提安全互鎖技術(shù)已有一年多時(shí)間，經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)的驗(yàn)證，如取芯、試壓及更換鉆頭等多次測(cè)試，徹底杜絕了BOP關(guān)閉狀態(tài)下誤操作絞車的可能情況，從根本上消除安全隱患，也彌補(bǔ)了Amphion鉆井控制系統(tǒng)在防提斷功能方面的不足，完美實(shí)現(xiàn)BOP控制系統(tǒng)與鉆機(jī)控制系統(tǒng)的安全互鎖，是一次非常成功的技術(shù)發(fā)明。

另一方面，防提斷安全裝置是甲方井控檢查的重點(diǎn)，已多次明確提出要求進(jìn)行此項(xiàng)安全隱患的整改。而傳統(tǒng)的防提裝置以及電子防碰天車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需聘請(qǐng)專業(yè)廠家人員上平臺(tái)施工，安裝繁瑣、造價(jià)高昂（近4.5萬(wàn)人民幣左右）。而此新型防提安全互鎖技術(shù)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠，僅僅利用了平臺(tái)庫(kù)存的常規(guī)電器元件和物料，總計(jì)花費(fèi)不到100元人民幣，大大節(jié)省了人工成本和材料成本，取得了良好的安全效益與經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了石油行業(yè)寒冬期內(nèi)的降本增效。因此，該新型防提安全互鎖技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，可以為今后類似平臺(tái)提供借鑒。

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