鐘 磊

（中海油田服務股份有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067）

深水油氣勘探始于20世紀70年代，深水油氣的勘探開發(fā)工作主要集中在墨西哥灣、南大西洋兩岸的巴西與西非沿海三大區(qū)域，被稱為深水油氣勘探的“金三角”，此外北大西洋兩岸、地中海沿岸、東非沿岸都在積極開展深水勘探活動[1]。近年來，我國深水油氣勘探開發(fā)工作也取得了長足的進步，在南海進行了深水鉆探活動，實現(xiàn)了我國海上油氣資源由淺海走向深海的開發(fā)過程。

深水鉆井所面臨的挑戰(zhàn)對深水井控技術和井控裝備提出了更高的要求，防噴器及其控制系統(tǒng)是井控裝備的重中之重。目前，世界上能夠生產(chǎn)深水防噴器組的廠家只有少數(shù)幾家歐美公司，在技術和市場上都處于絕對壟斷地位。NOV、GE、CAMERON三家公司是世界上深水水下防噴器的主要供應商。

為適應我國深水開發(fā)的需要，我國從國外購買（或租賃）了幾條90年代建造的深水半潛式鉆井平臺。受建造時代的影響，此類平臺防噴器的配置相對比較落后，存在地面混液系統(tǒng)落后、信號傳輸慢、應急功能少等特點，給井控工作帶來了挑戰(zhàn)。

本文通過介紹深水半潛式鉆井平臺防噴器控制系統(tǒng)組成和特點，對我國深水半潛式鉆井平臺防噴器控制系統(tǒng)存在的問題進行歸納。通過對比第六代深水半潛式鉆井平臺防噴器控制系統(tǒng)特點，結合現(xiàn)場工作經(jīng)驗，圍繞著“地面控制系統(tǒng)”和“水下控制系統(tǒng)”進行分析和探討，提出我國深水半潛式平臺防噴器控制系統(tǒng)升級內(nèi)容，為以后我國深水半潛式平臺防噴器控制系統(tǒng)升級工作提供經(jīng)驗參考。

1 深水半潛式鉆井平臺防噴器控制系統(tǒng)原理特點

深水半潛式平臺的防噴器控制系統(tǒng)通常使用先導液壓和電?液兩大控制方式。兩種控制方式下都必須滿足API SPEC16E規(guī)定，水下防噴器組控制系統(tǒng)應在45s或者更短時間內(nèi)關閉任何一個閘板防噴器，關閉環(huán)形防噴器的時間不超過60s，解脫隔水管連接器時間不超過45s[2]。

1.1 深水水下防噴器控制系統(tǒng)原理

深水（500 m<水深<1500 m）水下防噴器一般采用先導液壓控制方式。當需要對某個執(zhí)行元件進行控制時，由平臺控制柜向對應的受控部件 （SPM閥）發(fā)出液壓信號，該閥打開，水下防噴器組上儲能瓶儲存的高壓液體進入該執(zhí)行元件液缸，使該執(zhí)行元件動作（圖1）。

圖1 深水水下防噴器控制系統(tǒng)原理圖

1.2 超深水水下防噴器控制系統(tǒng)原理

超深水（水深>1500 m）水下防噴器采用電?液控制方式。當需要對某個執(zhí)行元件進行控制時，由平臺控制柜向對應的受控部件發(fā)出控制信號，水下控制模塊接收到該控制信號后進行解碼處理，解碼后的信號會使對應的電磁線圈通電，就可以操作該電磁閥動作，使高壓動力液打開相應的SPM（液壓控制閥）線圈向液壓先導閥發(fā)出先導信號，該先導信號驅動相應的液壓閥閥芯動作，水下防噴器組上儲能瓶儲存的高壓液體進入該執(zhí)行元件液缸，使該執(zhí)行元件動作（圖2）。

1.3 深水半潛式鉆井平臺防噴器控制系統(tǒng)組成與特點

深水水下防噴器控制系統(tǒng)可分為地面和水下控制兩部分。地面控制部分主要由防噴器遠程控制面板（司控柜和微控柜）、本地控制面板（主控柜）、控制液混配裝置、地面儲能器單元、液壓動力裝置（泵組）、液壓管匯系統(tǒng)、PLC控制單元及應急電池直流電源等組成；水下控制部分主要有控制管纜及絞盤、水下控制盒、水下儲能瓶組、液壓管匯、梭閥、ROV操作面板及專用和備用防噴器控制系統(tǒng)等組成（圖3）。

圖2 超深水水下防噴器組控制系統(tǒng)原理圖

圖3 典型防噴器控制系統(tǒng)組成

第六代超深水半潛式平臺防噴器組控制系統(tǒng)主要有以下幾個特點：

（1）具有自動控制液混合與配比系統(tǒng)。

（2）儲能瓶結構強，存儲能力更強。

（3）中央處理器控制單元以及數(shù)字圖形化顯示方式代替了的控制面板。

（4）控制光纖及電纜的使用取代傳統(tǒng)的液壓傳輸管線。

（5）具有獨立的供液硬管。

（6）大量電磁閥及各類傳感器的使用。

（7）具有應急解脫、應急關斷、聲吶控制、自動關斷、ROV操作等應急系統(tǒng)。

（8）具有更高的壓力驅動防噴器功能作用的能力。

（9）具有遠程及便攜式操作系統(tǒng)，滿足應急狀態(tài)下關井。

（10）控制信號的傳輸速度更快，防噴器響應時間、反饋更快。

2 深水半潛式鉆井平臺防噴器控制系統(tǒng)主要問題

中國目前擁有部分深水半潛式鉆井平臺，受建造時代的影響，這些平臺的防噴器控制系統(tǒng)在現(xiàn)場使用時主要問題可分為地面系統(tǒng)問題和水下系統(tǒng)問題兩大類。

2.1 地面系統(tǒng)主要問題

（1）防噴器控制液配比時，控制液濃度采用手動配比，容易導致配置濃度不準確。2016年某深水半潛式平臺在俄羅斯鄂霍次克海作業(yè)時，由于人工控制液濃度配比錯誤，導致防噴器在水下無法正常開關，功能失效。經(jīng)過對防噴器控制系統(tǒng)檢查發(fā)現(xiàn)，防噴器控制液在水下結冰，控制液無法流動，無法正常開關防噴器。另外濃度不準確也容易造成控制管線內(nèi)細菌、雜質滋生，堵塞防噴器控制管線，引起防噴器功能失效。

（2）伸縮節(jié)控制系統(tǒng)采用手動切換模式，當伸縮節(jié)盤根泄漏時，若無人及時發(fā)現(xiàn)，并切換盤根，將造成大量泥漿泄漏污染海面。通常通過巡檢或者司鉆發(fā)現(xiàn)泥漿漏失進行問題排查時，發(fā)現(xiàn)是盤根泄漏引起。此時需要通知水下師進行人工切換，這會造成大量泥漿泄漏。英國北海海域要求海洋鉆井平臺必須提供伸縮節(jié)盤根發(fā)現(xiàn)漏失的快速控制方法。

2.2 水下系統(tǒng)主要問題

（1）防噴器控制系統(tǒng)水下儲能瓶數(shù)量偏少。通過計算氣液壓縮比C=P1/P2（P1：系統(tǒng)最大壓力；P2：操作功能所需的壓力），地面氣液壓縮比：C=3000/1500=2，而水下儲能瓶由于受水深的影響會更小，假設在1200ft的水中（靜液柱壓力535Psi），此時氣液壓縮比C=（3000+535）/（1500+535）=1.74，因此水下需要更多的儲能瓶。

（2）防噴器控制系統(tǒng)水下儲能瓶為了滿足作業(yè)深水的變化，需要對儲能瓶充氮氣，雖然可以緩解部分控制液體的供給，但實際能夠提供的有效控制流體仍然有限，導致防噴器功能腔室開關時間過長。

（3）防噴器控制系統(tǒng)沒有高壓剪切能力，不能確保成功剪斷鉆具，給井控工作帶來挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計，全球大約有40%的深水半潛式鉆井平臺沒有高壓剪切功能。

（4）不具備應急解脫系統(tǒng)，當深水半潛式鉆井平臺遭遇突發(fā)惡劣天氣影響（臺風、風暴等）或者強內(nèi)波流襲擊時，平臺無法實現(xiàn)快速解脫，對井下設備、平臺結構都會有較大損壞風險，對人員生命財產(chǎn)有較大的危害。2014年，某深水半潛式平臺在C井作業(yè)期間遭遇內(nèi)波流，最大監(jiān)測流速達2.05 m/s，平臺最大漂移量達137 m，該平臺沒有應急解脫系統(tǒng)，未能及時解脫防噴器系統(tǒng)，導致張力器鋼絲繩琵琶頭斷裂，張力繩多處斷股；張力器液缸全部被拉到行程極限，沖擊張力器底座；在月池伸縮節(jié)上球接頭處傾斜超過15°，導致伸縮節(jié)上下盤根密封均失效，出現(xiàn)漏失鉆井液情況，現(xiàn)場鉆井作業(yè)暫停，作業(yè)損失8天時間[3]。有研究表明在南海深海海域，最快內(nèi)波流速度可以達到4.5 m/s[3]，嚴重威脅平臺的作業(yè)生產(chǎn)。

3 深水半潛式鉆井平臺防噴器控制系統(tǒng)升級探討

要解決深水半潛式鉆井平臺防噴器控制系統(tǒng)存在的主要問題，需要進行針對性的升級，主要圍繞地面控制系統(tǒng)與水下控制系統(tǒng)兩大部分進行,且保留原防噴器系統(tǒng)。

3.1 地面控制系統(tǒng)升級

深水半潛式鉆井平臺防噴器地面控制系統(tǒng)的升級工作主要圍繞著液壓動力單元進行。

（1）針對此類平臺通常是手動防噴器控制液配比系統(tǒng)，確?？刂埔簼舛葷M足要求是關鍵?？梢酝ㄟ^增加液位傳感器、濃度檢測儀、流量監(jiān)測傳感器、遙控閥門、液位開關啟停裝置等實現(xiàn)自動選擇配置不同濃度的控制液，使控制液的配置更為準確，保障防噴器控制液配置的準確性，并通過實時監(jiān)測控制液濃度，確保防噴器控制液性能符合要求。

（2）伸縮節(jié)盤根控制系統(tǒng)升級為自動轉換盤根控制系統(tǒng)[4]，當氣控盤根壓力降低時，自動切換到液壓盤根作用，來減少伸縮節(jié)盤根泄漏泥漿的風險。伸縮節(jié)盤根自動切換控制系統(tǒng)主要由接線盒、壓力監(jiān)測開關、自動切換電磁閥、按鈕、時間計時器及延時開關組成。升級時需確保自動切換系統(tǒng)與原裝置的手動系統(tǒng)互不影響和沖突，原手動控制系統(tǒng)也可以繼續(xù)使用。也可以通過在管線中安裝POCV（先導單流閥）減少管線中氣體或液體快速流失，為切換工作爭取時間，以防止在鉆井或井控作業(yè)時伸縮節(jié)盤根密封因為損壞而產(chǎn)生泥漿泄漏的情況，特別是油基泥漿的泄漏將會造成溢油污染的風險。

（3）配備兩套獨立且可自動切換的不間斷電源UPS，并與外接電源連接，其功率根據(jù)規(guī)范要求應滿足2h的正常操作，給系統(tǒng)供電時可與外接電源自動互換備用[5]。

另外，通過現(xiàn)場經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)深水半潛式鉆井平臺防噴器的動力流體主要靠液壓動力單元提供，該控制方式主要靠液壓提供先導信號，存在反應時間過長的問題?？梢酝ㄟ^在地面上單獨配置一套獨立的先導液壓信號單元，該單元由具有自動壓力控制的泵和馬達、儲能器單元、壓力保護開關及液壓閥、濾器等。該系統(tǒng)可直接提供液體到防噴器控制系統(tǒng)先導信號管線，由于先導液體相對封閉性，使用獨立的高濃度配比的液壓動力單元可明顯延長信號管內(nèi)先導液的儲存時間，提高防噴器控制系統(tǒng)反應速度，同時降低對主動力單元控制液的配比要求，此外也更便于沖洗信號管線，提高動力單元的穩(wěn)定性

3.2 水下控制系統(tǒng)升級

深水半潛式鉆井平臺防噴器水下控制系統(tǒng)的升級工作較為復雜，也是防噴器控制系統(tǒng)升級的核心工作，主要圍繞水下儲能器單元、高壓剪切單元、聲吶控制單元和應急解脫系統(tǒng)進行。

（1）當前許多深水平臺水下防噴器組存在防噴器水下儲能單元數(shù)量偏少，不能滿足減少防噴器響應時間的要求；另外，水下儲能器單元還為防噴器組的其他功能信號開關提供所需的高壓流體。因此可考慮將原有的水下儲能瓶組換成水下補償儲能瓶組。

無論是增加水下儲能單元還是地面液壓動力單元，核心目的都是為了提高防噴器控制系統(tǒng)及功能的響應時間。研究發(fā)現(xiàn)縮短先導信號傳輸時間可以減少整體防噴器功能反應時間，通過在防噴器信號管路上增加保壓系統(tǒng)，一方面在地面增加低壓供壓系統(tǒng)包括調壓閥和備壓梭閥，減少管線充壓時間；另一方面在控制盒換向閥上方安裝快速泄放閥，能夠明顯提高重要功能關位換向閥的反應時間（圖4）。

圖4 保壓系統(tǒng)

（2）高壓剪切單元可以滿足當井內(nèi)鉆具無法剪斷時，使用高壓流體推動剪切閘板活塞對鉆具進行剪斷封井，保障井下安全。部分深水平臺不具備高壓剪切單元，控制壓力3000Psi已不能滿足剪斷現(xiàn)使用鉆具的需要，需要采用5000Psi高壓剪斷，可以在水下防噴器組上單獨外接一條滿足該剪切閘板最大操作壓力腔室的一條高壓管線，連接高壓水下儲能瓶單元，地面高壓動力單元。

（3）應急解脫系統(tǒng)主要功能是滿足深水半潛式平臺安全作業(yè)邊界條件，當平臺失去井位位置產(chǎn)生偏離，防止引起隔水管柱損壞及井口失控的情況發(fā)生。該系統(tǒng)主要由控制面板按鈕、PLC邏輯控制單元、電子計時器、延時開關等組成。當收到地面按鈕激活信號后，水下防噴組各功能按照提前設定好的功能進行動作，實現(xiàn)安全關井，并順利解脫隔水管連接器。該解脫方式能夠實現(xiàn)快速的程序化解脫，能避免手動解脫引起的誤操作風險，縮短操作時間，為深水半潛式鉆井平臺提供安全保障。另外，各深水半潛式鉆井平臺可根據(jù)平臺防噴器組能力，結合平臺特點設置合理的解脫時間，目前有平臺防噴器可在12s之內(nèi)完成，保障平臺安全。

對比發(fā)現(xiàn)，為更好地滿足深水半潛式鉆井平臺安全作業(yè)的要求，還可以通過增加以下單元來增強應急解脫系統(tǒng)。

（1）增加聲吶控制單元是滿足深水半潛式鉆井平臺需要棄平臺、遠程進行操作水下防噴器控制單元功能。聲吶系統(tǒng)采用雙向聲控通訊系統(tǒng)，將水上的控制指令通過信號傳遞到水下的聲控接收器，經(jīng)過信號處理后將電控信號轉換為水下控制盒內(nèi)的先導閥和電磁閥動作，并釋放出水下儲能器的控制液到防噴器各功能腔，從而實現(xiàn)關井功能。聲吶控制單元主要由便攜式控制器、信號接收裝置、電池組、聲吶控制管匯、電磁閥組、壓力信號監(jiān)測及反饋開關等組成（圖5）。

圖5 聲吶控制單元組成

（2）增加失液應急關斷系統(tǒng)主要功能是在供液控制管線斷裂等情況下，防噴器主供液和先導液液壓丟失后及時關閉盲板剪切封井，避免井內(nèi)壓力泄漏。部分平臺該系統(tǒng)中還可以配置隔水管連接器解鎖和插入頭回收的功能，為進一步解脫上部隔水管連接器做準備。

針對不同深水半潛式鉆井平臺的防噴器控制系統(tǒng)的升級必須分別做好可行性研究工作，有目的、有選擇性地進行升級改進。通過升級可使深水半潛式鉆井平臺防噴器控制系統(tǒng)滿足逐漸嚴格的安全鉆井要求，避免產(chǎn)生惡性安全事故。已經(jīng)采用較為先進電液控制方式的第六代深水半潛式鉆井平臺可以通過現(xiàn)場作業(yè)實踐有針對性地對防噴器控制系統(tǒng)中的缺陷進行升級。升級工作建議選擇原廠家或者有資質的廠家進行，做好對功能升級后的測試與認證。

4 結語

深水半潛式鉆井平臺防噴器控制系統(tǒng)的升級工作是一項系統(tǒng)工作，防噴器控制系統(tǒng)的升級主要圍繞著地面和水下系統(tǒng)進行有針對性的升級。

（1）深水半潛式鉆井平臺防噴器控制系統(tǒng)地面系統(tǒng)的升級主要圍繞著液壓動力單元和混液裝置進行。

（2）深水半潛式鉆井平臺可以通過增加對伸縮節(jié)盤根的自動控制方式，來減少泥漿泄漏的風險，并通過安裝先導單向閥減慢氣液流失速度。

（3）深水半潛式平臺可以通過合理配置水下儲能器單元來提高供液流體的流量。

（4）深水半潛式鉆井平臺可以通過布置保壓系統(tǒng)來縮短供液響應時間。

（5）深水半潛式鉆井平臺防噴器控制系統(tǒng)可以配置高壓剪切及應急解脫單元來滿足深水安全鉆井的要求。

（6）深水半潛式鉆井平臺可以通過增加聲吶控制、失液應急關斷系統(tǒng)來增強應急解脫系統(tǒng)。

（7）深水半潛式鉆井平臺防噴器控制系統(tǒng)可以根據(jù)作業(yè)實踐采取有針對性的改進與升級，滿足作業(yè)現(xiàn)場的需要。