深水半潜式钻井平台防喷器控制系统升级探讨

2020-11-09钟磊

海洋石油 2020年3期

钟磊

（中海油田服务股份有限公司深圳分公司，广东深圳 518067）

深水油气勘探始于20世纪70年代，深水油气的勘探开发工作主要集中在墨西哥湾、南大西洋两岸的巴西与西非沿海三大区域，被称为深水油气勘探的“金三角”，此外北大西洋两岸、地中海沿岸、东非沿岸都在积极开展深水勘探活动[1]。近年来，我国深水油气勘探开发工作也取得了长足的进步，在南海进行了深水钻探活动，实现了我国海上油气资源由浅海走向深海的开发过程。

深水钻井所面临的挑战对深水井控技术和井控装备提出了更高的要求，防喷器及其控制系统是井控装备的重中之重。目前，世界上能够生产深水防喷器组的厂家只有少数几家欧美公司，在技术和市场上都处于绝对垄断地位。NOV、GE、CAMERON三家公司是世界上深水水下防喷器的主要供应商。

为适应我国深水开发的需要，我国从国外购买（或租赁）了几条90年代建造的深水半潜式钻井平台。受建造时代的影响，此类平台防喷器的配置相对比较落后，存在地面混液系统落后、信号传输慢、应急功能少等特点，给井控工作带来了挑战。

本文通过介绍深水半潜式钻井平台防喷器控制系统组成和特点，对我国深水半潜式钻井平台防喷器控制系统存在的问题进行归纳。通过对比第六代深水半潜式钻井平台防喷器控制系统特点，结合现场工作经验，围绕着“地面控制系统”和“水下控制系统”进行分析和探讨，提出我国深水半潜式平台防喷器控制系统升级内容，为以后我国深水半潜式平台防喷器控制系统升级工作提供经验参考。

1 深水半潜式钻井平台防喷器控制系统原理特点

深水半潜式平台的防喷器控制系统通常使用先导液压和电−液两大控制方式。两种控制方式下都必须满足API SPEC16E规定，水下防喷器组控制系统应在45s或者更短时间内关闭任何一个闸板防喷器，关闭环形防喷器的时间不超过60s，解脱隔水管连接器时间不超过45s[2]。

1.1 深水水下防喷器控制系统原理

深水（500 m<水深<1500 m）水下防喷器一般采用先导液压控制方式。当需要对某个执行元件进行控制时，由平台控制柜向对应的受控部件（SPM阀）发出液压信号，该阀打开，水下防喷器组上储能瓶储存的高压液体进入该执行元件液缸，使该执行元件动作（图1）。

图1 深水水下防喷器控制系统原理图

1.2 超深水水下防喷器控制系统原理

超深水（水深>1500 m）水下防喷器采用电−液控制方式。当需要对某个执行元件进行控制时，由平台控制柜向对应的受控部件发出控制信号，水下控制模块接收到该控制信号后进行解码处理，解码后的信号会使对应的电磁线圈通电，就可以操作该电磁阀动作，使高压动力液打开相应的SPM（液压控制阀）线圈向液压先导阀发出先导信号，该先导信号驱动相应的液压阀阀芯动作，水下防喷器组上储能瓶储存的高压液体进入该执行元件液缸，使该执行元件动作（图2）。

1.3 深水半潜式钻井平台防喷器控制系统组成与特点

深水水下防喷器控制系统可分为地面和水下控制两部分。地面控制部分主要由防喷器远程控制面板（司控柜和微控柜）、本地控制面板（主控柜）、控制液混配装置、地面储能器单元、液压动力装置（泵组）、液压管汇系统、PLC控制单元及应急电池直流电源等组成；水下控制部分主要有控制管缆及绞盘、水下控制盒、水下储能瓶组、液压管汇、梭阀、ROV操作面板及专用和备用防喷器控制系统等组成（图3）。

图2 超深水水下防喷器组控制系统原理图

图3 典型防喷器控制系统组成

第六代超深水半潜式平台防喷器组控制系统主要有以下几个特点：

（1）具有自动控制液混合与配比系统。

（2）储能瓶结构强，存储能力更强。

（3）中央处理器控制单元以及数字图形化显示方式代替了的控制面板。

（4）控制光纤及电缆的使用取代传统的液压传输管线。

（5）具有独立的供液硬管。

（6）大量电磁阀及各类传感器的使用。

（7）具有应急解脱、应急关断、声呐控制、自动关断、ROV操作等应急系统。

（8）具有更高的压力驱动防喷器功能作用的能力。

（9）具有远程及便携式操作系统，满足应急状态下关井。

（10）控制信号的传输速度更快，防喷器响应时间、反馈更快。

2 深水半潜式钻井平台防喷器控制系统主要问题

中国目前拥有部分深水半潜式钻井平台，受建造时代的影响，这些平台的防喷器控制系统在现场使用时主要问题可分为地面系统问题和水下系统问题两大类。

2.1 地面系统主要问题

（1）防喷器控制液配比时，控制液浓度采用手动配比，容易导致配置浓度不准确。2016年某深水半潜式平台在俄罗斯鄂霍次克海作业时，由于人工控制液浓度配比错误，导致防喷器在水下无法正常开关，功能失效。经过对防喷器控制系统检查发现，防喷器控制液在水下结冰，控制液无法流动，无法正常开关防喷器。另外浓度不准确也容易造成控制管线内细菌、杂质滋生，堵塞防喷器控制管线，引起防喷器功能失效。

（2）伸缩节控制系统采用手动切换模式，当伸缩节盘根泄漏时，若无人及时发现，并切换盘根，将造成大量泥浆泄漏污染海面。通常通过巡检或者司钻发现泥浆漏失进行问题排查时，发现是盘根泄漏引起。此时需要通知水下师进行人工切换，这会造成大量泥浆泄漏。英国北海海域要求海洋钻井平台必须提供伸缩节盘根发现漏失的快速控制方法。

2.2 水下系统主要问题

（1）防喷器控制系统水下储能瓶数量偏少。通过计算气液压缩比C=P1/P2（P1：系统最大压力；P2：操作功能所需的压力），地面气液压缩比：C=3000/1500=2，而水下储能瓶由于受水深的影响会更小，假设在1200ft的水中（静液柱压力535Psi），此时气液压缩比C=（3000+535）/（1500+535）=1.74，因此水下需要更多的储能瓶。

（2）防喷器控制系统水下储能瓶为了满足作业深水的变化，需要对储能瓶充氮气，虽然可以缓解部分控制液体的供给，但实际能够提供的有效控制流体仍然有限，导致防喷器功能腔室开关时间过长。

（3）防喷器控制系统没有高压剪切能力，不能确保成功剪断钻具，给井控工作带来挑战。据统计，全球大约有40%的深水半潜式钻井平台没有高压剪切功能。

（4）不具备应急解脱系统，当深水半潜式钻井平台遭遇突发恶劣天气影响（台风、风暴等）或者强内波流袭击时，平台无法实现快速解脱，对井下设备、平台结构都会有较大损坏风险，对人员生命财产有较大的危害。2014年，某深水半潜式平台在C井作业期间遭遇内波流，最大监测流速达2.05 m/s，平台最大漂移量达137 m，该平台没有应急解脱系统，未能及时解脱防喷器系统，导致张力器钢丝绳琵琶头断裂，张力绳多处断股；张力器液缸全部被拉到行程极限，冲击张力器底座；在月池伸缩节上球接头处倾斜超过15°，导致伸缩节上下盘根密封均失效，出现漏失钻井液情况，现场钻井作业暂停，作业损失8天时间[3]。有研究表明在南海深海海域，最快内波流速度可以达到4.5 m/s[3]，严重威胁平台的作业生产。

3 深水半潜式钻井平台防喷器控制系统升级探讨

要解决深水半潜式钻井平台防喷器控制系统存在的主要问题，需要进行针对性的升级，主要围绕地面控制系统与水下控制系统两大部分进行,且保留原防喷器系统。

3.1 地面控制系统升级

深水半潜式钻井平台防喷器地面控制系统的升级工作主要围绕着液压动力单元进行。

（1）针对此类平台通常是手动防喷器控制液配比系统，确保控制液浓度满足要求是关键。可以通过增加液位传感器、浓度检测仪、流量监测传感器、遥控阀门、液位开关启停装置等实现自动选择配置不同浓度的控制液，使控制液的配置更为准确，保障防喷器控制液配置的准确性，并通过实时监测控制液浓度，确保防喷器控制液性能符合要求。

（2）伸缩节盘根控制系统升级为自动转换盘根控制系统[4]，当气控盘根压力降低时，自动切换到液压盘根作用，来减少伸缩节盘根泄漏泥浆的风险。伸缩节盘根自动切换控制系统主要由接线盒、压力监测开关、自动切换电磁阀、按钮、时间计时器及延时开关组成。升级时需确保自动切换系统与原装置的手动系统互不影响和冲突，原手动控制系统也可以继续使用。也可以通过在管线中安装POCV（先导单流阀）减少管线中气体或液体快速流失，为切换工作争取时间，以防止在钻井或井控作业时伸缩节盘根密封因为损坏而产生泥浆泄漏的情况，特别是油基泥浆的泄漏将会造成溢油污染的风险。

（3）配备两套独立且可自动切换的不间断电源UPS，并与外接电源连接，其功率根据规范要求应满足2h的正常操作，给系统供电时可与外接电源自动互换备用[5]。

另外，通过现场经验发现深水半潜式钻井平台防喷器的动力流体主要靠液压动力单元提供，该控制方式主要靠液压提供先导信号，存在反应时间过长的问题。可以通过在地面上单独配置一套独立的先导液压信号单元，该单元由具有自动压力控制的泵和马达、储能器单元、压力保护开关及液压阀、滤器等。该系统可直接提供液体到防喷器控制系统先导信号管线，由于先导液体相对封闭性，使用独立的高浓度配比的液压动力单元可明显延长信号管内先导液的储存时间，提高防喷器控制系统反应速度，同时降低对主动力单元控制液的配比要求，此外也更便于冲洗信号管线，提高动力单元的稳定性

3.2 水下控制系统升级

深水半潜式钻井平台防喷器水下控制系统的升级工作较为复杂，也是防喷器控制系统升级的核心工作，主要围绕水下储能器单元、高压剪切单元、声呐控制单元和应急解脱系统进行。

（1）当前许多深水平台水下防喷器组存在防喷器水下储能单元数量偏少，不能满足减少防喷器响应时间的要求；另外，水下储能器单元还为防喷器组的其他功能信号开关提供所需的高压流体。因此可考虑将原有的水下储能瓶组换成水下补偿储能瓶组。

无论是增加水下储能单元还是地面液压动力单元，核心目的都是为了提高防喷器控制系统及功能的响应时间。研究发现缩短先导信号传输时间可以减少整体防喷器功能反应时间，通过在防喷器信号管路上增加保压系统，一方面在地面增加低压供压系统包括调压阀和备压梭阀，减少管线充压时间；另一方面在控制盒换向阀上方安装快速泄放阀，能够明显提高重要功能关位换向阀的反应时间（图4）。

图4 保压系统

（2）高压剪切单元可以满足当井内钻具无法剪断时，使用高压流体推动剪切闸板活塞对钻具进行剪断封井，保障井下安全。部分深水平台不具备高压剪切单元，控制压力3000Psi已不能满足剪断现使用钻具的需要，需要采用5000Psi高压剪断，可以在水下防喷器组上单独外接一条满足该剪切闸板最大操作压力腔室的一条高压管线，连接高压水下储能瓶单元，地面高压动力单元。

（3）应急解脱系统主要功能是满足深水半潜式平台安全作业边界条件，当平台失去井位位置产生偏离，防止引起隔水管柱损坏及井口失控的情况发生。该系统主要由控制面板按钮、PLC逻辑控制单元、电子计时器、延时开关等组成。当收到地面按钮激活信号后，水下防喷组各功能按照提前设定好的功能进行动作，实现安全关井，并顺利解脱隔水管连接器。该解脱方式能够实现快速的程序化解脱，能避免手动解脱引起的误操作风险，缩短操作时间，为深水半潜式钻井平台提供安全保障。另外，各深水半潜式钻井平台可根据平台防喷器组能力，结合平台特点设置合理的解脱时间，目前有平台防喷器可在12s之内完成，保障平台安全。

对比发现，为更好地满足深水半潜式钻井平台安全作业的要求，还可以通过增加以下单元来增强应急解脱系统。

（1）增加声呐控制单元是满足深水半潜式钻井平台需要弃平台、远程进行操作水下防喷器控制单元功能。声呐系统采用双向声控通讯系统，将水上的控制指令通过信号传递到水下的声控接收器，经过信号处理后将电控信号转换为水下控制盒内的先导阀和电磁阀动作，并释放出水下储能器的控制液到防喷器各功能腔，从而实现关井功能。声呐控制单元主要由便携式控制器、信号接收装置、电池组、声呐控制管汇、电磁阀组、压力信号监测及反馈开关等组成（图5）。

图5 声呐控制单元组成

（2）增加失液应急关断系统主要功能是在供液控制管线断裂等情况下，防喷器主供液和先导液液压丢失后及时关闭盲板剪切封井，避免井内压力泄漏。部分平台该系统中还可以配置隔水管连接器解锁和插入头回收的功能，为进一步解脱上部隔水管连接器做准备。

针对不同深水半潜式钻井平台的防喷器控制系统的升级必须分别做好可行性研究工作，有目的、有选择性地进行升级改进。通过升级可使深水半潜式钻井平台防喷器控制系统满足逐渐严格的安全钻井要求，避免产生恶性安全事故。已经采用较为先进电液控制方式的第六代深水半潜式钻井平台可以通过现场作业实践有针对性地对防喷器控制系统中的缺陷进行升级。升级工作建议选择原厂家或者有资质的厂家进行，做好对功能升级后的测试与认证。