深水防喷器状态监控系统研究进展

刘立兵

(河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北 任丘 062552)①



深水防喷器状态监控系统研究进展

刘立兵

(河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

摘要：概述了深水防喷器状态监控系统的研究意义，以及国外三家公司NOV、GE、Cameron的相关产品。介绍了国内对防喷器状态监控系统的研究现状，分析了防喷器状态监控系统的构成。研究深水防喷器状态监控系统可在钻井过程中实时监控系统状态，并可根据钻井数据制定预防性维护计划，有效降低设备故障导致的停机时间，提高系统的可靠性和安全性。

关键词：深水；防喷器；状态监控；闸板位置；数据采集

深水防喷器是半潜式钻井平台保证钻井作业安全的最关键设备之一，其作用是在发生溢流、井涌、井喷时控制井口压力，在遇台风等紧急情况下钻井装置撤离时关闭井口，保证人员、设备安全，避免海洋环境污染和油气资源破坏[1-3]。深海钻井不同于陆地钻井，若发生井喷，在人员救援及设备抢修上都异常困难，所带来的环境污染和经济损失更是无法估量。因此，保证防喷器的正常运行在石油勘探开发的过程中显得非常重要。

深水防喷器系统在钻井工作过程中的主要故障模式包括：防喷器故障、SPM阀故障、梭阀故障、节流压井闸阀故障、电磁阀故障、调压阀故障、管线泄露。这些故障占到防喷器系统故障模式总数的25%[4]。一旦出现故障需要把下部隔水管总成拉上平台进行维修，至少造成14 d停机时间。防喷器停机时间会给钻井承包商造成巨大的经济损失，在2012年损失金额大约是＄8千万美元[5]。国外公司对防喷器系统建立了完善的预防性维护计划，目的是降低设备故障导致的停机时间，减少不必要的维修。在防喷器系统应用期间，尤其是接近5 a大修周期时，对系统进行预防性维护尤为重要[6]。

深水防喷器状态监控系统可以实时监控防喷器系统状态，对防喷器系统操作数据进行周期存储，系统统计大量历史数据，包括每个传感器压力、每个防喷器开关次数、关键阀门的动作次数等。钻井专家可以根据防喷器历史数据来制定系统的预防性维护计划，这种基于状态监测的维护计划对于从根源上消除设备故障非常有效。

1国外先进的深水防喷器状态监控系统

1.1NOV公司的BOP Dashboard系统

NOV公司的BOP Dashboard系统的主画面如图1所示，把复杂的防喷器系统诊断显示在人机交互界面上，把数据服务器上的系统报警信息、模拟量数据、防喷器操作记录等进行采集，分析处理数据，把防喷器及子系统的健康状态转化为不同级别的状态灯来显示。通过3种状态灯的不同颜色定义风险的级别，红色代表功能不正常，黄色代表功能正常但是设备非冗余，绿色代表功能正常并且设备冗余。系统还包括一系列的诊断子画面，即，传感器数据画面、系统通信画面、防喷器开关显示画面、隔水管角度画面等。BP公司已经把BOP Dashboard系统应用于在巴西服役的Ensco DS-4钻井船上[7]。

图1　NOV BOP Dashboard系统主画面

1.2GE公司的钻井iBox系统

GE公司的钻井iBox系统如图2所示，包括硬件系统和软件系统。iBox连接平台上的数据服务器，应用GE软件平台对数据进行分析，生成诊断和监控报告。iBox系统可以应用到GE公司所有的深水防喷器电液多路控制系统上。iBox可以与岸上的数据监控中心通过卫星通信，在监控中心可以实时对防喷器系统进行监控，有助于对系统进行诊断和故障排除。

图2　GE公司的钻井iBox系统

1.3Cameron公司的深水防喷器状态监测系统

Cameron公司的状态监测系统主画面如图3所示，提供给司钻诸多重要信息，包含4项最新技术。

1)水下蓄能器的活塞位置指示。此数据可以用来计算每个蓄能器的可用液量，还可以用来判断是否存在管路泄露。

2)闸板位置显示。通过在闸板防喷器上安装位移传感器来实时显示闸板位置，更加准确判断防喷器开关状态。

3)水下信号无线传输。应用无线信号传输技术把防喷器组上的传感器信号传输给下部隔水管总成框架上的水下电子模块，无线信号传输比传统的水下湿式连接器的信号传输方式更加安全可靠。

4)系统黑匣子记录器。水下黑匣子记录器可以记录和存储防喷器控制系统至少21 d的数据，在事故发生后，利用黑匣子数据可以对事故进行定性分析。

图3　Cameron公司的状态监测系统

2国内深水防喷器状态监控系统研究进展

深水防喷器及控制系统的研制难度大、风险高，国内对该领域的研究起步较晚。河北华北石油荣盛机械制造有限公司自“十一五”规划就承担国家863计划课题“3000米深水防喷器组及控制系统研制”，目前已经研制出深水防喷器组及控制系统的关键单元设备样机，正在开展深水防喷器组及控制系统的配套技术和试验技术研究，研制成套化工程样机[8]。同时配套的深水防喷器状态监控系统研究也取得了一定成果。

2.1闸板位置显示装置

在闸板防喷器的液压油缸内安装磁致伸缩位移传感器，通过PLC模块接收并处理传感器信号，应用工控机的画面组态软件，设计防喷器闸板位置实时显示画面如图4，实现了闸板位置的动态显示。样机已经经过厂内试验，运行稳定，闸板位移测量准确，精度能够达到0.1 mm。操作人员可根据画面上显示的闸板位置来判断防喷器的打开和关闭状态，排除了通过压力和流量判断造成误判断的可能性，提高了系统的可靠性。

图4　闸板位置实时显示画面

2.2防喷器系统状态监控

防喷器状态监控系统包括硬件系统设计和监控软件开发。硬件系统包括上位工控机、PLC系统、压力传感器、流量计等，压力传感器和流量计用来采集系统信号，PLC接收信号并进行处理，上位工控机运行监控软件，可显示系统监控状态。监控软件主要是上位机画面组态软件开发，应用GE公司的画面组态软件进行设计，包括主画面、电控系统、液控系统、诊断记录等诸多子画面。主画面上的防喷器、连接器、闸阀等部件的位置按照深水防喷器组的实际配置进行布局，显示形象直观。主画面上可以显示每个防喷器处于打开或是关闭状态；各个子系统的健康状况等。阀门的动作次数统计画面如图5所示，可以显示每个关键阀门当前的动作次数、推荐的最大动作次数，平台管理人员可以参照该画面制定阀门的预防性维护计划，定期更换阀门，可有效降低系统的故障率。

图5　阀门动作次数统计画面

3深水防喷器状态监控系统构成

3.1数据采集系统

防喷器数据采集主要采用PLC模块，包括CPU、数字量采集模块和模拟量采集模块等，对于电液多路控制系统，一般压力传感器采用4～20 mA电流型。系统压力、流量等数据由PLC模块采集后，传输并存储到平台上的数据服务器中。PLC和数据服务器通过以太网通信，数据服务器以一定的时间间隔采集PLC数据[9]。

对于分离式液压控制系统，每个防喷器的开关状态由安装在相应液压管线上的压力开关来实现，压力开关信号是采集系统的一个数字量输入，每个防喷器状态需要一个或是多个压力开关来判断。例如一个闸板防喷器通常会有3个数字量输入：打开、关闭和中断。对于电液多路控制系统，由安装在相应管线上的压力传感器，结合流量计参数来判断防喷器的开关状态。

3.2数据传输系统

防喷器系统数据通过卫星信号从平台上的深水防喷器系统数据服务器传输到陆上监控中心的数据库中。只有防喷器报警、控制状态和压力变化数据被传输到陆上的数据库中，当报警发生或控制状态改变时，钻井平台上的数据会随之变化。陆上服务器可以同时接受多个钻井平台的数据。

3.3数据监视系统

陆上的防喷器监控中心可以把数据库中的数据进行网络发布，钻井专家可以在任何时间和地点通过个人电脑访问深水防喷器系统数据，查看深水防喷器系统监控画面，包括阀门动作次数画面、防喷器开关次数画面、压力数据显示画面等。根据系统的阀门动作次数和防喷器开关次数等关键数据来制定防喷器预防性维护计划，可以大幅提高系统的可靠性。

4结论

1)深水防喷器及控制系统是钻井平台保证钻井安全的关键设备，对系统可靠性要求极高。钻井专家可通过分析深水防喷器状态监控系统数据来制定系统预防性维护计划，从而提高系统可靠性。

2)国外深水防喷器电液多路控制系统已经配备了成熟的状态监控系统，防喷器及控制系统状态可以被平台操作人员和陆上管理人员同时监控和查看，有效地提高了系统的监控和维护能力。

参考文献

[1]杨进，曹式敬．深水石油钻井技术现状及发展趋势[J].石油钻采工艺，2008(2)：10-13.

[2]窦玉玲，管志川， 徐云龙．海上钻井发展综述与展望[J].海洋石油，2006(2)：64-67.

[3]李博，张作龙． 深水防喷器组控制系统的发展[J].流体传动与控制，2008(4)：39-41.

[4]BOP FAILURE MODE EFFECT CRITICALITY ANALYSIS(FMECA)-3 FOR THE BSEE[R].BSEE，2013.

[5]McKay，Jim.Blowout Prevent(BOP)Health Monitoring[C]// IADC/SPE Drilling Conference.2012.

[6]Faller，Karl.Condition based maintenance holds potential for improving equipment reliability，performance[J].Drilling Contractor，2009(10)：50-52.

[7]Holand，Per.Final Report02-BOP Monitoring and Acoustic Technology[R].Sintef Report，2013.

[8]吴国辉，许宏奇，陈艳东，等.国内外深水防喷器控制系统的发展[J].石油矿场机械，2015，44(9)：1-4.

[9]Chapman F M，Brown R L.Deepwater BOP Control Monitoring-Improving BOP Preventive Maintenance With Control Function Monitoring[R].OTC20059，2009.

文章编号：1001-3482(2016)07-0096-04

收稿日期：①2016-01-27

基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)“深水防喷器组及控制系统国产化研制”(2013AA09A220)

作者简介：刘立兵(1982-)，男，河北河间人，工程师，2007年毕业于燕山大学，现从事深水防喷器控制系统方面的研究工作，E-mail：liulibing51@163.com。

中图分类号：TE951

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.022

Research for Health Monitoring System of Deepwater Blowout Preventer

LIU Libing

(RongshengMachineryManufactureLtd.ofHuabeiOilfield，Renqiu062552，China)

Abstract：Firstly，the research significance of deepwater BOP health monitoring system is summarized，and the related products of major foreign manufacturers，such as NOV，GE and Cameron，are summarized as well.Secondly the domestic research status of the BOP health monitoring system is introduced.Finally，the composition of the BOP health monitoring system is analyzed.Researching the deepwater BOP health monitoring system can be realized at real-time monitoring system condition in the process of drilling，and the preventive maintenance plan was established according to drilling data，downtime caused by equipment failure was effectively reduced，and system reliability and security were improved.

Keywords：deep water；BOP；health monitoring；ram position；data collection