水下防喷器自动剪切和失效安全系统的设计思路探讨

方宏伟

中海油田服务股份有限公司深圳分公司 广东深圳 518057

水下防喷器是海洋石油钻井行业水下作业过程中必须具备的实用器具之一，主要设置在海底，是控制和防止井喷的一种井口设备。美国安全与环境执法局在2016 年公布了一则关于水下防喷器的最终井口控制规范[1]，要求水下防喷器除了要配备两组钻杆剪切闸板之外，还需要具备自动剪切技术和失效安全技术这两种应急系统。面对这样的强制性规定措施，所有现役的水下防喷器全部需要根据要求进行改进。

1 安全控制系统

安全控制系统又称电液多路控制应急系统，主要分为水面和水下两个部分。其中液压冲蓄能、控制面板、中央处理器，以及系统的所有电力通信装置均设置于水上（水面）。水下主要是电子运行系统、总阀门组和应急控制单元。水面之上的液压冲蓄能和水面之下的控制面板直接连接，水面上下分别由隔水管进行连接。水面部分的液压通过隔水管上的刚性液压管和软管为水下的控制回路液压提供动能，负责对先导信号进行控制[2]。水面之上的电力通信装置与水面之下的电子运行系统相连，电力通信装置可以通过隔水管的依附电缆接收水下电子模块的信号，并提供该模块必要的电能。所有控制系统终端均在水上，液压先导回路直接控制主液压控制回路。水下液压控制回路与电子模块同为一体。

1.1 水下防喷器应急系统装置设置

水下防喷器的应急系统分为四大板块，分别为自动剪切系统、失效安全系统、声学控制系统和水下机器人。自动剪切系统受到下部隔水管的直接控制，其应用与下部隔水管和防喷器组有关，因此在这两个单元之间加设推杆液压阀。当自动剪切系统开始运作时，需要先等待隔水管总成部分和防喷器组部分脱离后，液压阀会自动开启；先导液进入到主控制阀中后会与主控制回路相连接，后续控制液开始对防喷器组进行推动，直到关闭切断闸板。在此之前，主液压控制和电信号回路会相继中断。失效安全控制系统主要是在主液压控制和电信号回路均关闭，且自动关井之后进行的一种安全防护措施。安全系统的运转会在所有预备情况实现后展开，即液压先导回路串联到液压阀上，此时的液压阀已经失去了供电信号和液压信号，处于停摆状态。这意味着水下防喷器的隔水管总成同时失去了双重控制，此时失效安全预备装置实行隔离安全系统运行，对主控制回路进行管理[3]。

1.2 应急备份系统

极端情况下水下防喷器的隔水管总成及所有防喷器组均会失去控制脱开，此时的防喷器组元件将会失去液压控制能量。因此，为了保证系统能源的持续供应，需要在防喷器的底部再放置一个备用能源。其负责在失去常规液压控制能量时，继续行使防喷器的主要任务。它负责切断闸板及盲封闸板，并进行应急系统开关操作。正常情况下，水下防喷器在应急系统启动之后，可以依靠应急备份系统持续工作。该备份储能系统能源来自水面蓄能器组的单向能源。

2 应急装置控制需求的实现方案

单独来看，自动剪切系统回路需要由下部隔水管总成和防喷器组进行调动，失效安全系统需要在失去电信号和液压信号之后启动。而如何完成两个系统同时安装设计的需要，就要把单独两者的实现因素统一起来看待。首先，要对利用梭阀将自动剪切回路和失效安全回路连接起来；之后，需要对单个的剪切闸板水下防喷器组进行连接。

3 自动剪切系统与失效安全系统设计

3.1 自动剪切系统的设计

采用仿真模型设计参考的方式来进行自动剪切系统的设计，设计过程选择仿真软件为Simulation X，该软件有大量的海洋工程工作经验。仿真模型的设计在井液压力和海水压力同步作用下进行，因为在水下防喷器的实际工作环境中，同时存在海水静液的压力和压井液、井内溢出液的压力。

自动剪切设计需要考虑剪切过程的受力变化情况，包括弹性变形、塑性变形最终到断裂成形。弹性变形主要是在剪切闸板剪断钻杆的过程中形成，之后随着当剪切力度不断加大，钻杆会从弹性变形进一步发展成为塑性变形。当剪切力发展到一定程度，刀刃穿过钻杆时的剪切力最大，此时钻杆会出现错位和变形，应力随之降低。这期间一共发生了四次剪切闸板的不同活动，即闸板先对应到钻杆位置，挤压钻杆，开始剪切钻杆，最后剪断钻杆。根据这四个不同阶段剪切闸板的受力曲线变化情况进行仿真模型设计。仿真模型由四个主要部分构成，分别为剪切闸板执行关闭腔、运动阻尼器、剪切闸板执行器和剪切闸板执行器开启腔。闸板执行器的开启腔和关闭腔控制模型两端，让模型形成一个闭环。剪切闸板即自动剪切系统的整体运作动力来源于备用的蓄能系统，因此除了考虑剪切闸板与备用蓄能之间的连接问题，还需要考虑蓄能装置的安全设计问题。因为当失去电信号和液压信号之后，自动剪切系统和失效安全系统都需要由备用蓄能组来提供高压油液，因此如果该备用系统出现了油液泄露，很可能影响到剪切闸板的任务执行[4]。因此，仿真模型应尽量缩小蓄能器组的容积，降低可能出现漏液的情况。只要该备用系统能够满足自动剪切系统和实效安全系统的蓄能需求，就可以安装和使用。

仿真设计过程中，对剪切闸板的关闭情况和关闭效率进行了集中实验。发现在常规压力下，当自动剪切程序被激活之后，剪切闸板即开始对钻杆进行剪切，一直到钻杆被完全切断后，井口完全封闭。这期间剪切闸板会将操作时间控制在12s 之内，当执行器开始关闭后，剪切闸板能够在该时间区间内到达钻杆位置。压力一直上升，直到闸板能够抱住钻杆位置；在15s 的时候刀口可以接触到钻杆，开始剪切后可以在3s 之内剪断钻杆。这个过程中开启腔和关闭腔面临的压力一直不变[5]。为了分摊合适的蓄能，并尽可能少调动蓄能器，对蓄能器的数量设置和容积设置进行了实验。发现如果尽可能多且迅速完成剪切工作，在保持的9 个蓄能器中，只需要3 个正常工作即可。而再加上失效安全系统，该数字可以控制在3 个或以上，但是不必设置9 个蓄能器。

3.2 失效安全系统设计

失效安全系统也可以称为故障保险系统，在水下防喷器的特定故障情况下开启安全保护任务。失效安全系统承担的是二次井控任务，本研究通过仿真模型设计对其应用及性能进行评估。失效安全系统由把手、堵头、剪切闸板关位和井口连接器开位4 个单元组成，这是失效安全功能的主要控制面板。在防喷器的应急程序打开之后，剪切闸板关闭；然后井口连接器打开，堵头实行封顶任务，以防止海水和垃圾在失控情况下进入到闸板关位和井口连接器的开位管线及控制阀内部，以致造成堵塞。水下机器人是连接失效安全系统的必要装置，防喷器应急装置开启之后，需要通过水下机器人来控制面板剪切闸板关位或者将井口连接器的开位堵头拔出。

3.2.1 剪切闸板关闭功能测试

（1）当进入到防喷器组回收阶段时，储能器仓的选择阀和剪切闸板及后通阀手柄均需调整成零压力。

（2）关闭防喷器的控制系统，防止导流器控制系统和司控柜的液压源。

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（3）利用1500psi 液压源通过4000psi 的高压软管，将其传递到剪切闸板的关位腔体内部。当主控制室内的流体剂量超过了15.6 加仑时，水下防喷组的剪切闸板被判定处于关闭状态[6]。

（4）检查闸板关闭之后，再次回复备用蓄能系统的控制。剪切闸板负责控制手柄的中位，设备的下部外侧压井事故安全阀和下部内侧压井事故安全阀全部打开，将固井泵打压到套管能承受的压力，大约为2000psi，一直稳压15min，确保该过程无任何的泄露情况和稳压情况后即可判定剪切板为关闭，封井功能完好。

3.2.2 井口连接器打开功能测试

（1）安排水下机器人游走到下防喷器组井口连接器的位置，并在系统的“开位”和“关位”指示杆附近观察，确保指示系统处于正常状态。

（2）当水下防喷器的运作完全停止，确定可以进入到回收阶段之后，将预备蓄能系统打开，对防喷器的控制面板蓝黄系统进行控制。手动选择阀门井口连接器的三位四通阀手柄，将其扳至中位，保证管位的会聚压力和先导压力调为零。

（3）将防喷器控制系统与导流器系统、控制系统司控柜系统之间的液压源连接切断。

（4）操作1500psi 液压源通过4000psi 的高压软管，保证应急功能井口开位腔体正常，且传递能量充足，无任何蓄能不良状态。当主控柜的流量计读数显示为6.2 加仑时，理论可以判断井口连接器已打开。

（5）指示系统观察井口连接器指示杆的“关位”状态是否变为“开位”状态，判断井口连接器是否可以打开，确保防喷器失效安全系统的开位功能正常。

（6）指示系统按照标准将防喷器组的连接器拆出后，对失效安全控制系统的控制面板井口连接器开位堵头装复。

（7）恢复防喷器控制系统到正常使用状态，通过防喷器控制系统来操作剪切闸板关位和井口连接器开位功能，以及复核剪切闸板打开状态、井口连接器开位功能，记录流量计数值，转入正常回收水下防喷器组程序。

4 结语

水下防喷器控制系统的设计对其水下运作至关重要，而自动剪切系统和失效安全系统是两个主要构成部分。自从设计标准有所改动之后，该系统整体的研发和设计实力一直被发达国家掌握，国内的研究尚没有根本性突破。本研究将安全控制系统进行拆分，对自动剪切技术和失效安全系统逐一仿真模拟设计，但仅提供了基本的设计思路，具体的设计方案还需要在实际应用过程中进一步调整。