水下防喷器应急声纳控制系统研究进展

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

水下防喷器应急声纳控制系统研究进展

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

声纳控制系统是一种完全独立于防喷器主控制系统的紧急备用控制系统，当钻井船偏离警戒圈或是防喷器主控制系统失效时发挥作用，避免重大事故的发生。概述了应急声纳系统的构成；介绍了国外3家水下防喷器应急声纳控制系统供应商的最新产品及国内公司在该方面的研究进展。水声通信技术的不断进步，使防喷器应急声控系统的可靠性不断提高，额定工作水深不断增加，逐渐成为水下防喷器系统的标准配置。

水下防喷器；声纳控制；水下电子模块；控制

水下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时都异常困难，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。API 16D标准中规定水下防喷器系统必须配备紧急备用控制系统来提高钻井的安全性。

水下防喷器紧急备用控制系统也称为水下防喷器应急安全控制系统，是一种应对海洋钻井突发状况的二级干预系统。目前广泛使用的紧急备用控制系统包括自动停机系统(Deadman)、自动模式功能(AMF)、自动剪切系统(Autoshear)、声纳控制系统(Acoustic Control System)、ROV操作系统以及紧急脱断系统(EDS)等[4-5]。其中声纳控制系统是一种完全独立于防喷器主控制系统的紧急备用控制系统，当钻井船偏离警戒圈或是防喷器主控制系统失效时发挥作业，可有效控制防喷器系统的关键功能、剪切钻杆并密封井筒压力，避免重大事故的发生[6]。

1 应急声纳控制系统构成

应急声纳控制系统主要由水面声纳部分、水下声纳部分、水下声纳控制盒等组成[7]，如图1所示。

图1 应急声纳控制系统

控制指令通过水面声纳部分的水声换能器编码形成独特的声波信号，发送至水下声纳部分；水下声纳部分的水声换能器接收水面水声换能器发送的声波信号并解码成电信号；水下电子模块接收水下水声换能器传送的电信号，经过逻辑运算输出控制命令，驱动水下声纳控制盒上相应的电磁阀动作，从而实现防喷器的功能操作。

1.1 水面声纳部分

水面声纳部分包括地面控制单元和沉浸式水声换能器。地面控制单元用来进行应急声纳系统的操作，接收操作指令并将其传输至水下声纳部分，接收水下声纳部分传来的信息并显示系统的状态。沉浸式水声换能器放置到海下一定深度，通过电缆与地面控制单元连接，将地面控制单元发出的电信号转换成声波信号并传送给水下水声换能器。

1.2 水下声纳部分

水下声纳部分包括水下电子模块和水下水声换能器。水下电子模块包括电池组、DI/DO模块、模拟量输入模块等。水下电子模块接收水声换能器传输的信号并进行处理，输出驱动水下声纳控制盒上电磁阀的命令信号；具备通用的模拟量输入端口，可以接入各类传感器输出的标准模拟量信号，将其转换为数字信号，并通过水声换能器把信号传输至水面上的数据显示终端。

1.3 水下声纳控制盒

水下声纳控制盒安装在水下防喷器组框架内，用于将声纳控制系统的水下电子模块发出的控制信号转化为液压信号，从而执行防喷器功能。剪切蓄能器以及应急蓄能器配合声纳控制盒工作，用于提供各执行机构操作所需压力液。所有零部件必须采用耐海水腐蚀性好的不锈钢或特殊海洋涂层保护，可长期在水下工作。

2 国外深水防喷器应急声纳控制系统

2.1 挪威Kongsberg公司

Kongsberg公司的防喷器应急声控系统专为水下防喷器系统和其它水下生产系统设计，应用极其广泛。美国的三大防喷器制造商NOV、GE Hydril和Cameron公司的水下防喷器系统都配备过Kongsberg公司的ACS433应急声控系统。该系统可控制12个功能，接收12个数字量反馈信号和7个模拟量输入信号；可在海底3 000 m应用。水下声纳部分配备2个水声换能器，保证声纳信号传输的可靠性。

为了适应更深水域的应用，Kongsberg公司开发的最新一代ACS500防喷器应急声控系统应用了最新的声波通信技术，抗噪声能力更强；水下声控单元可控制16个功能；可在水下4 000 m应用[8]。如图2所示。具有如下特点：

1) 地面控制单元内部的可充电电池可续航超过10 h操作。

2) 冗余的水下电子模块配置和冗余水下水声换能器配置，系统可靠性更高。

3) 地面控制单元便携式设计，可耐海水喷溅，密封性更好。

4) 系统具备自测试和诊断功能。

图2 Kongsberg公司ACS500系统

2.2 英国Sonardyne公司

Sonardyne公司的防喷器应急声控系统是专为水下防喷器系统设计，额定工作水深4 000 m，如图3。系统可驱动12个先导电磁阀来操作液压功能；接收12个压力开关信号和4个传感器模拟量信号来显示防喷器的状态。所有的水下部件采用超级双相不锈钢材料，确保在海底长时间应用不受腐蚀，且不需要配置阴极保护。

水下声纳部分是完全的双重冗余设计，采用2个水声换能器连接到2个冗余的SEM上。2个水声换能器可以避免声纳信号被隔水管干扰，可根据系统可靠性需求，扩展到4个换能器，提高冗余度。SEM提供与客户防喷器的接口，可以连接到主要防喷器厂商的产品上。

图3 Sonardyne公司的防喷器应急声控系统

水声换能器安装在摇臂上，一般为2～3 m长，可以从水下防喷器组框架中伸出，这样可以保证声纳信号的可靠通信，信号不被遮挡。连接水下换能器和SEM的电缆是充油补偿式电缆。所有密封处采用双重O形圈密封，带一个压力测试端口，满足API标准要求。

2.3 美国Nautronix公司

Nautronix公司的NASeBOP系统是为满足关键防喷器控制需求设计的最新一代的应急声控系统。系统配置如图4所示，系统是完全冗余的配置，水面声纳部分和水下声纳部分均采用双重冗余设计，可控制16个功能；额定工作水深4 000 m，并可定制水深6 000 m的应用配置；连接器和终端都采用双O形圈密封，所有电缆均为充油补偿式电缆，确保在海底压力下可靠工作。系统设计满足API 16D和API 17E标准要求。

NASeBOP系统可以控制防喷器关键功能，监控防喷器状态，并且配备EDS功能。系统每分钟执行1次回路测试，每小时显示1次电池电量信息和模拟量读数，电池寿命高达270 d。

NASeBOP的核心技术是Nautronix公司的ADS2(Acoustic Digital Spread Spectrum)信号处理技术。ADS2的关键优势是编码技术，先进的信号处理技术使应用范围广、集中控制高和有效监控水下设备的最优化，确保不受其它声波噪声或是环境噪声干涉，系统应用的协议使系统完整性达到最高级别[9]。系统特点如下：

1) 具备EDS功能。

2) 电池电量、蓄能器压力、电磁阀状态的周期性状态报告。

3) 具有周期性声纳回路测试功能。

4) 具有事件和数据记录功能，用作事故分析。

5) 具有报警监控、记录和报告系统。

图4 Nautronix公司的NASeBOP系统

3 国内水下防喷器应急声控系统研究进展

水下防喷器及控制系统的研制难度大、风险高，国内在该领域的研究起步较晚，水下防喷器应急声纳控制系统的研究落后于国际先进水平，我国半潜式海洋钻井平台“海洋石油981”配备的是Kongsberg公司的ACS433应急声控系统[10]。

河北华北石油荣盛机械制造有限公司经过多年的技术攻关，目前已经完成了水下声纳控制盒的设计、声纳控制系统的关键技术研究等工作。声纳控制盒三维模型如图5所示。

图5 声纳控制盒三维模型

声纳控制盒采用压力补偿技术。电磁阀全部安装在一个不锈钢的压力补偿腔外壁上，压力补偿腔内充满绝缘液，电磁阀的电气接线在补偿腔内部完成，实现电气接线的高可靠性；为保证压力补偿器内部压力和外部海水压力平衡，补偿腔连接海水压力补偿器，压力补偿器在海水压力作用下可随时向压力补偿器内供给绝缘液，使补偿腔内外压力达到平衡。

4 结论

1) 国外3家公司的水下防喷器应急声纳控制系统，额定工作水深都达到了4 000 m，均采用冗余配置来提高系统可靠性，地面控制单元采用便携式设计。

2) 随着海洋石油钻井工作水深的不断增加，对水下防喷器系统的可靠性要求越来越高，应急声纳控制系统逐渐成为水下防喷器系统的标准配置。水声通信技术的不断进步，使防喷器应急声控系统的可靠性不断提高，控制的功能数量也不断增加。

3) 国外的水下防喷器应急声控系统技术不断进步，可靠性越来越高。国内在该领域的研究正处于起步阶段，需加快研究步伐，尽早研制出产品。

[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] 苏尚文，屈志明，侯国庆，等.水下应急封井装置技术研究进展与建议[J].石油矿场机械，2014，43(4)：96-101.

[5] Raleigh S W.Evaluation of Secondary Intervention Method in Well Control[R].Brookshire，WEST Engineering Services Inc，2003.

[6] Holand P.Evaluation of the need for an acoustic backup control system for the snorrell BOP[R].Sintef，2011.

[7] 耿艳东，王莎，王卫华，等.海洋油气开发水下防喷器紧急备用控制系统研究[J].石油矿场机械，2016，45(2)：79-83.

[8] Olsen A.New emergency Acoustic BOP Control System from KONGSBERG increases operational depth to 4000 m[R].Kongsberg Maritime，2013.

[9] MacDonald L.Latest Developments in Acoustic Subsea Control and Monitoring for the Drilling Industry[R].SPE 143762，2011.

[10] 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].中国造船，2013(A01)：267-275.

Research Progress for Emergency Acoustic Control System of Subsea Blowout Preventer

LIU Libing

(RongshengMachineryManufactureLtd.ofHuabeiOilfield，Renqiu062552，China)

The acoustic BOP control system is an emergency backup control system，which is completely independent of the primary control system.It can play a key role of the drilling ships off guard ring or primary control system failure，to avoid major deadly accidents.Firstly，the composition of emergency acoustic control system is summarized.Secondly，the latest products of foreign three subsea BOP acoustic control system suppliers.The domestic research status of the system is introduced as well.The progress of underwater acoustic communication technology improves the

2016-10-20 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工程化研制”(2013AA09A220) 作者简介：刘立兵(1982-)，男，河北河间人，工程师，现从事深水防喷器控制系统方面的研究，E-mail：liulibing51@163.com。

1001-3482(2017)02-0007-04

TE952

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10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.002