深水防噴器狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究進(jìn)展

劉立兵

(河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

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深水防噴器狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究進(jìn)展

劉立兵

(河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

摘要：概述了深水防噴器狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的研究意義，以及國外三家公司NOV、GE、Cameron的相關(guān)產(chǎn)品。介紹了國內(nèi)對防噴器狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，分析了防噴器狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成。研究深水防噴器狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)可在鉆井過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，并可根據(jù)鉆井?dāng)?shù)據(jù)制定預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃，有效降低設(shè)備故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。

關(guān)鍵詞：深水；防噴器；狀態(tài)監(jiān)控；閘板位置；數(shù)據(jù)采集

深水防噴器是半潛式鉆井平臺保證鉆井作業(yè)安全的最關(guān)鍵設(shè)備之一，其作用是在發(fā)生溢流、井涌、井噴時(shí)控制井口壓力，在遇臺風(fēng)等緊急情況下鉆井裝置撤離時(shí)關(guān)閉井口，保證人員、設(shè)備安全，避免海洋環(huán)境污染和油氣資源破壞[1-3]。深海鉆井不同于陸地鉆井，若發(fā)生井噴，在人員救援及設(shè)備搶修上都異常困難，所帶來的環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失更是無法估量。因此，保證防噴器的正常運(yùn)行在石油勘探開發(fā)的過程中顯得非常重要。

深水防噴器系統(tǒng)在鉆井工作過程中的主要故障模式包括：防噴器故障、SPM閥故障、梭閥故障、節(jié)流壓井閘閥故障、電磁閥故障、調(diào)壓閥故障、管線泄露。這些故障占到防噴器系統(tǒng)故障模式總數(shù)的25%[4]。一旦出現(xiàn)故障需要把下部隔水管總成拉上平臺進(jìn)行維修，至少造成14 d停機(jī)時(shí)間。防噴器停機(jī)時(shí)間會(huì)給鉆井承包商造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，在2012年損失金額大約是＄8千萬美元[5]。國外公司對防噴器系統(tǒng)建立了完善的預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃，目的是降低設(shè)備故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間，減少不必要的維修。在防噴器系統(tǒng)應(yīng)用期間，尤其是接近5 a大修周期時(shí)，對系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)尤為重要[6]。

深水防噴器狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控防噴器系統(tǒng)狀態(tài)，對防噴器系統(tǒng)操作數(shù)據(jù)進(jìn)行周期存儲(chǔ)，系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)大量歷史數(shù)據(jù)，包括每個(gè)傳感器壓力、每個(gè)防噴器開關(guān)次數(shù)、關(guān)鍵閥門的動(dòng)作次數(shù)等。鉆井專家可以根據(jù)防噴器歷史數(shù)據(jù)來制定系統(tǒng)的預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃，這種基于狀態(tài)監(jiān)測的維護(hù)計(jì)劃對于從根源上消除設(shè)備故障非常有效。

1國外先進(jìn)的深水防噴器狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

1.1NOV公司的BOP Dashboard系統(tǒng)

NOV公司的BOP Dashboard系統(tǒng)的主畫面如圖1所示，把復(fù)雜的防噴器系統(tǒng)診斷顯示在人機(jī)交互界面上，把數(shù)據(jù)服務(wù)器上的系統(tǒng)報(bào)警信息、模擬量數(shù)據(jù)、防噴器操作記錄等進(jìn)行采集，分析處理數(shù)據(jù)，把防噴器及子系統(tǒng)的健康狀態(tài)轉(zhuǎn)化為不同級別的狀態(tài)燈來顯示。通過3種狀態(tài)燈的不同顏色定義風(fēng)險(xiǎn)的級別，紅色代表功能不正常，黃色代表功能正常但是設(shè)備非冗余，綠色代表功能正常并且設(shè)備冗余。系統(tǒng)還包括一系列的診斷子畫面，即，傳感器數(shù)據(jù)畫面、系統(tǒng)通信畫面、防噴器開關(guān)顯示畫面、隔水管角度畫面等。BP公司已經(jīng)把BOP Dashboard系統(tǒng)應(yīng)用于在巴西服役的Ensco DS-4鉆井船上[7]。

圖1　NOV BOP Dashboard系統(tǒng)主畫面

1.2GE公司的鉆井iBox系統(tǒng)

GE公司的鉆井iBox系統(tǒng)如圖2所示，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。iBox連接平臺上的數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用GE軟件平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，生成診斷和監(jiān)控報(bào)告。iBox系統(tǒng)可以應(yīng)用到GE公司所有的深水防噴器電液多路控制系統(tǒng)上。iBox可以與岸上的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心通過衛(wèi)星通信，在監(jiān)控中心可以實(shí)時(shí)對防噴器系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，有助于對系統(tǒng)進(jìn)行診斷和故障排除。

圖2　GE公司的鉆井iBox系統(tǒng)

1.3Cameron公司的深水防噴器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

Cameron公司的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主畫面如圖3所示，提供給司鉆諸多重要信息，包含4項(xiàng)最新技術(shù)。

1)水下蓄能器的活塞位置指示。此數(shù)據(jù)可以用來計(jì)算每個(gè)蓄能器的可用液量，還可以用來判斷是否存在管路泄露。

2)閘板位置顯示。通過在閘板防噴器上安裝位移傳感器來實(shí)時(shí)顯示閘板位置，更加準(zhǔn)確判斷防噴器開關(guān)狀態(tài)。

3)水下信號無線傳輸。應(yīng)用無線信號傳輸技術(shù)把防噴器組上的傳感器信號傳輸給下部隔水管總成框架上的水下電子模塊，無線信號傳輸比傳統(tǒng)的水下濕式連接器的信號傳輸方式更加安全可靠。

4)系統(tǒng)黑匣子記錄器。水下黑匣子記錄器可以記錄和存儲(chǔ)防噴器控制系統(tǒng)至少21 d的數(shù)據(jù)，在事故發(fā)生后，利用黑匣子數(shù)據(jù)可以對事故進(jìn)行定性分析。

圖3　Cameron公司的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

2國內(nèi)深水防噴器狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究進(jìn)展

深水防噴器及控制系統(tǒng)的研制難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，國內(nèi)對該領(lǐng)域的研究起步較晚。河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司自“十一五”規(guī)劃就承擔(dān)國家863計(jì)劃課題“3000米深水防噴器組及控制系統(tǒng)研制”，目前已經(jīng)研制出深水防噴器組及控制系統(tǒng)的關(guān)鍵單元設(shè)備樣機(jī)，正在開展深水防噴器組及控制系統(tǒng)的配套技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)研究，研制成套化工程樣機(jī)[8]。同時(shí)配套的深水防噴器狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究也取得了一定成果。

2.1閘板位置顯示裝置

在閘板防噴器的液壓油缸內(nèi)安裝磁致伸縮位移傳感器，通過PLC模塊接收并處理傳感器信號，應(yīng)用工控機(jī)的畫面組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)防噴器閘板位置實(shí)時(shí)顯示畫面如圖4，實(shí)現(xiàn)了閘板位置的動(dòng)態(tài)顯示。樣機(jī)已經(jīng)經(jīng)過廠內(nèi)試驗(yàn)，運(yùn)行穩(wěn)定，閘板位移測量準(zhǔn)確，精度能夠達(dá)到0.1 mm。操作人員可根據(jù)畫面上顯示的閘板位置來判斷防噴器的打開和關(guān)閉狀態(tài)，排除了通過壓力和流量判斷造成誤判斷的可能性，提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖4　閘板位置實(shí)時(shí)顯示畫面

2.2防噴器系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控

防噴器狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和監(jiān)控軟件開發(fā)。硬件系統(tǒng)包括上位工控機(jī)、PLC系統(tǒng)、壓力傳感器、流量計(jì)等，壓力傳感器和流量計(jì)用來采集系統(tǒng)信號，PLC接收信號并進(jìn)行處理，上位工控機(jī)運(yùn)行監(jiān)控軟件，可顯示系統(tǒng)監(jiān)控狀態(tài)。監(jiān)控軟件主要是上位機(jī)畫面組態(tài)軟件開發(fā)，應(yīng)用GE公司的畫面組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括主畫面、電控系統(tǒng)、液控系統(tǒng)、診斷記錄等諸多子畫面。主畫面上的防噴器、連接器、閘閥等部件的位置按照深水防噴器組的實(shí)際配置進(jìn)行布局，顯示形象直觀。主畫面上可以顯示每個(gè)防噴器處于打開或是關(guān)閉狀態(tài)；各個(gè)子系統(tǒng)的健康狀況等。閥門的動(dòng)作次數(shù)統(tǒng)計(jì)畫面如圖5所示，可以顯示每個(gè)關(guān)鍵閥門當(dāng)前的動(dòng)作次數(shù)、推薦的最大動(dòng)作次數(shù)，平臺管理人員可以參照該畫面制定閥門的預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃，定期更換閥門，可有效降低系統(tǒng)的故障率。

圖5　閥門動(dòng)作次數(shù)統(tǒng)計(jì)畫面

3深水防噴器狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

3.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

防噴器數(shù)據(jù)采集主要采用PLC模塊，包括CPU、數(shù)字量采集模塊和模擬量采集模塊等，對于電液多路控制系統(tǒng)，一般壓力傳感器采用4～20 mA電流型。系統(tǒng)壓力、流量等數(shù)據(jù)由PLC模塊采集后，傳輸并存儲(chǔ)到平臺上的數(shù)據(jù)服務(wù)器中。PLC和數(shù)據(jù)服務(wù)器通過以太網(wǎng)通信，數(shù)據(jù)服務(wù)器以一定的時(shí)間間隔采集PLC數(shù)據(jù)[9]。

對于分離式液壓控制系統(tǒng)，每個(gè)防噴器的開關(guān)狀態(tài)由安裝在相應(yīng)液壓管線上的壓力開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，壓力開關(guān)信號是采集系統(tǒng)的一個(gè)數(shù)字量輸入，每個(gè)防噴器狀態(tài)需要一個(gè)或是多個(gè)壓力開關(guān)來判斷。例如一個(gè)閘板防噴器通常會(huì)有3個(gè)數(shù)字量輸入：打開、關(guān)閉和中斷。對于電液多路控制系統(tǒng)，由安裝在相應(yīng)管線上的壓力傳感器，結(jié)合流量計(jì)參數(shù)來判斷防噴器的開關(guān)狀態(tài)。

3.2數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

防噴器系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星信號從平臺上的深水防噴器系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器傳輸?shù)疥懮媳O(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫中。只有防噴器報(bào)警、控制狀態(tài)和壓力變化數(shù)據(jù)被傳輸?shù)疥懮系臄?shù)據(jù)庫中，當(dāng)報(bào)警發(fā)生或控制狀態(tài)改變時(shí)，鉆井平臺上的數(shù)據(jù)會(huì)隨之變化。陸上服務(wù)器可以同時(shí)接受多個(gè)鉆井平臺的數(shù)據(jù)。

3.3數(shù)據(jù)監(jiān)視系統(tǒng)

陸上的防噴器監(jiān)控中心可以把數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，鉆井專家可以在任何時(shí)間和地點(diǎn)通過個(gè)人電腦訪問深水防噴器系統(tǒng)數(shù)據(jù)，查看深水防噴器系統(tǒng)監(jiān)控畫面，包括閥門動(dòng)作次數(shù)畫面、防噴器開關(guān)次數(shù)畫面、壓力數(shù)據(jù)顯示畫面等。根據(jù)系統(tǒng)的閥門動(dòng)作次數(shù)和防噴器開關(guān)次數(shù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)來制定防噴器預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃，可以大幅提高系統(tǒng)的可靠性。

4結(jié)論

1)深水防噴器及控制系統(tǒng)是鉆井平臺保證鉆井安全的關(guān)鍵設(shè)備，對系統(tǒng)可靠性要求極高。鉆井專家可通過分析深水防噴器狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)來制定系統(tǒng)預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃，從而提高系統(tǒng)可靠性。

2)國外深水防噴器電液多路控制系統(tǒng)已經(jīng)配備了成熟的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，防噴器及控制系統(tǒng)狀態(tài)可以被平臺操作人員和陸上管理人員同時(shí)監(jiān)控和查看，有效地提高了系統(tǒng)的監(jiān)控和維護(hù)能力。

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文章編號：1001-3482(2016)07-0096-04

收稿日期：①2016-01-27

基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)“深水防噴器組及控制系統(tǒng)國產(chǎn)化研制”(2013AA09A220)

作者簡介：劉立兵(1982-)，男，河北河間人，工程師，2007年畢業(yè)于燕山大學(xué)，現(xiàn)從事深水防噴器控制系統(tǒng)方面的研究工作，E-mail：liulibing51@163.com。

中圖分類號：TE951

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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