深水钻井防喷器系统关键设备技术研究

任钢峰，王定亚，毋永锋，牛 敏，李毅平，辛小刚

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西宝鸡721002）

深水钻井防喷器系统关键设备技术研究

任钢峰1，2，王定亚1，2，毋永锋1，牛 敏1，李毅平1，辛小刚1

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西宝鸡721002）

深水钻井防喷器系统在保障海上油气作业安全，保护海洋环境和人身安全中起着关键作用。目前，国内深水钻井防喷器系统研制正在起步阶段，为了能提高国产深水钻井防喷器系统关键设备技术水平，在介绍深水钻井防喷器系统中关键设备的国内外技术现状基础上，重点对典型深水防喷器系统中深水BOP组和控制单元的关键设备进行了研究。分析了深水防喷器系统中其关键设备的主要特征，并对其组成和功能进行了说明。结合国内实际情况，提出了深水钻井防喷器系统研究建议。

深水；防喷器；关键技术；水下控制器

深水钻井防喷器系统（The deepwater drilling BOP system）作为海洋水下最为关键的井控设备，不仅在深水钻井和完井作业中发挥着重要作用，而且更重要的是该装备关系着海洋钻井装备，海洋环境和人身安全等。自2010-04美国墨西哥湾发生井喷事故后，美国及其他相关国家均对该类设备提出了更加苛刻的要求。美国墨西哥湾发生井喷事故也证明了以前开发的深水防喷器系统还存在着问题，系统安全可靠性还需提高。目前国外几家水下防喷器系统设计制造公司正对深水防喷器系统中关键设备进行分析和改进，已取得了一些进展。

我国石油开发的主战场已经逐渐转向深海。深海钻井防喷器系统作为海洋油气开发的关键装备之一，需求越来越大。目前，国内平台所配套的深水钻井防喷器系统全为国外公司所掌控，严重制约了我国海洋油气资源的开发。因此，深入研究水下防喷器系统关键设备技术并合理选择其系统配套方式对于国内深水防喷器系统建造很有意义。

1 深水钻井防喷器系统技术现状

钻井防喷器从简单到复杂，从陆地到海洋，从浅海到深海已经历了上百年的发展过程。当前，就钻井防喷器技术而言，具备陆地和浅海等技术开发能力的国家和单位较多，但具备深水、特别是深水水下井口井控设备开发能力的企业却为数甚少。截止目前，完全具备性能可靠、配套齐全的深水防喷器开发制造能力的供应商主要包括NOV、CAMERON和GE等几家公司，且长期以来在世界上处于垄断地位。我国自20世纪60～70年代开始陆地井口井控装备研制工作，发展规模较大的企业主要包括宝石机械公司、华北荣盛公司、上海神开公司等几家单位。近10多年来，围绕海洋技术领域，我国先后在固定式、自升式等平台开发配套了部分井口井控装备，但也仅限于平台台面，仍未涉足水下。直到“十一五”以来，由于我国加大了深水海洋油气资源的开发投资力度，国内宝石机械公司、华北荣盛公司及有关高等院校等才开始着手水下井口井控装备的研究工作，并开发试制了水下井口装置、水下防喷器等部分单元装备，但由于多方面条件限制，至今还未能投入工业性试验。

深水钻井防喷器系统主要包括防喷器组和控制单元，国外深水钻井防喷器系统的设计制造都采用美标，同样国内深水钻井防喷器系统设计制造也采用美标［1］，主要包括API 6A／ISO 10423—2003井口装置和采油树设备规范；API 16系列标准，ASME第8卷第1和2分册锅炉和压力容器规范；NACE-MR0175／ISO 15156石油和天然气工业－石油和天然气生产中含硫化氢（H2S）环境下使用的材料；IEC国际电工委员会标准及近2 a来美国政府新提出的水下防喷器组设计新要求等。

2 深水钻井防喷器组组成及功能

深水防喷器组体积庞大、质量较重、结构复杂。如图1所示为典型深水钻井防喷器组的主体结构，通常由下部隔水管总成（LMRP系统）、中间连接器、下部防喷器组及防喷器组合框架等几大部分组成。下部隔水管总成的功能主要用来连接上部钻井隔水管和下部防喷器组，下部隔水管总成内部主要设备包括挠性接头和2套环形防喷器，挠性接头主要用于改善和减轻隔水管串受海流作用时附加给水下防喷器等的侧向弯扭应力，并保证防喷器、隔水管等在平台偏移情况下设备的有效连接；2套环形防喷器，即：上部环形防喷器和下部环形防喷器用于过钻杆、套管接箍时井口环空的封闭，与陆地防喷器组配套环形防喷器方式相比较，水下防喷器之所以配套2组环形防喷器的主要目的是为了安全可靠。中间连接器用于下部隔水管总成与下部防喷器组之间的连接，并保证紧急情况下下部隔水管总成可以随钻井隔水管的安全撤离。下部防喷器组上连中间连接器，下连水下井口连接器，中间是闸板防喷器组，主要用途是如遇井喷或其他紧急事件时可及时剪断钻杆（或套管）并封闭井口，该部分典型结构主要包括3个双闸板防喷器［2-3］，即上部闸板防喷器、中部闸板防喷器和下部闸板防喷器，3套双闸板防喷器共形成六个闸板腔；6个闸板腔中从上到下分别安装1个套管剪切闸板，1个钻杆剪切闸板，1个127 mm（5英寸）管子闸板，2个变径闸板（或1个127 mm（5英寸）管子闸板和1个变径闸板）和1个测试闸板。防喷器组合框架分上、下2体，主要用于防喷器组的整体安装吊装及管线、ROV操作面板等辅助系统的安装。

图1 深水防喷器组单元

对于目前国内配套的水下防喷器组，基本配置能满足功能要求，但配套时往往忽视防喷器组和阀等设备通道中堆焊的材料，材料应防H2S和CO2腐蚀，目前美国几家公司堆焊的通道材料可以防H2S的体积分数达到25%，CO2的体积分数可以达到15%。配套防喷器组时还要考虑H2S和CO2对橡胶材料的影响，海水对水下防喷器组的腐蚀影响。国内生产的防喷器组和阀等设备，通道堆焊防高体积分数H2S的材料技术还不成熟，还需进一步研究。

3 深水钻井防喷器控制系统组成及功能［4-6］

深水钻井防喷器控制系统是具有集电液气一体化设计功能的多项控制技术的组合，不仅控制点多、系统构成复杂，而且要求系统可靠性高、控制元件灵敏快捷，如图2所示。水下防喷器控制系统从位置上分为水上控制设备和水下控制设备，水上控制设备主要包括1套液压动力单元（HPU）、1套远程控制设备、不间断动力供给单元（UPS）、2套动力和通信分配柜、2台脐带缆盘管装置及脐带缆、1台管线盘管装置、1套水上测试系统等。水下控制设备主要包括2套水下控制器（POD）、1套水下储能器、1套液压紧急恢复系统、1套声控两位辅助系统。

图2 深水钻井防喷器控制系统构成框图

3.1 水上控制设备单元

水上控制设备中的液压动力单元（HPU）用于操作水下防喷器组和LMRP，主要包括液压动力包（HPP）、储能器、电机驱动液压泵系统、液体过滤系统、流量计、阀总成、HPU控制系统、分流器控制系统、已二醇和润滑混合系统、混合单元控制面板。对于深水使用的液压动力单元，系统液体压力一般为35 MPa（5 000 psi），液体的容积、泵和阀等选取满足API16D的规范要求，但实际上选取已超越API16D的规范。同时所使用的控制液也有较严格的规范。

水上控制设备中的远控设备包括电控钻井控制面板，推压式操作控制面板，中心控制台（CCC）和工程工作站（EWS）。电控钻井控制面板放置在钻井司钻房中，由司钻来控制。推压式操作控制面板安装在平台（或船）的办公室中心安全区域，一般用于紧急操作。中心控制台安装在1个定制台上，放在温度可控的安全区域内，中心控制系统主要提供模块冗余信息通信平台，以控制和监视海下控制器，这个系统使用1个主底盘，包含2个主处理器、双动力源供给、信息通信模块、模拟器和数据I／O模块。工程工作站和中心控制台放在同一位置，主要为防喷器组位置和报警／故障记录功能提供操作接口。

不间断动力供给单元（UPS）提供电动力满足所有电控单元设备，在总电力系统故障下，不间断动力供给单元必须延续保证2 h使用（API规范要求），通过多相电缆连接到动力和通信分配柜，动力和通信分配柜由A柜和B柜组成，2台柜分别分配不间断动力供给单元提供的电动力到水下装备，动力和通信分配柜中的通信板分配通信信号到每台水下控制器，在控制中动力和通信分配柜、不间断动力供给单元和脐带缆3者结合，能很好地完成系统中的动力和通信分配。

2台脐带缆盘管装置及脐带缆，脐带缆盘管装置用于缠绕和自张紧脐带缆，采用气动马达驱动，脐带缆用于传输介质，传输动力和通信信息。1台管线盘管装置用于缠绕和自张紧为水下提供液相的软性管，也是采用气动马达驱动，并带有盘刹和手动超载制止自动刹车系统。

水上测试系统包括1套POD测试装置，高压测试单元和防喷器测试箱。POD测试装置提供了机械、液压、电子、通信和操作接口到水下控制器，提供了测试阀和测试仪器等，测试装置对环境要求高，安装设计在1安全区域位置，并且适合在IP-55环境中。高压测试单元要求最大测试压力在140 MPa以上，带有远距离控制台，组成包括三缸泵、水醇液储存器、防爆电机启动器、图表记录、高压阀、量程压力表、交换器等。控制系统中还包括轮式电缆滑轮、软管滑轮、软管管夹、液相供给软管、Hot管汇、隔水管斜度传感器、储能器填充工具等装置和其他辅助工具等。

3.2 水下控制设备单元

水下控制设备中的水下控制器（POD）单元是防喷器水下控制核心，由2套POD（黄色和蓝色）组成，安装在LMRP上，每套POD独立操作，一用一备，也有公司为水上备1套POD，单个POD如图3所示，每套POD控制对象达到120多个。POD构造需满足高可靠性、易服务和易维护，它包括水下电子仪器总成（SEA）、电-液控制总成（E-H）和液控总成3部分。例如CAMERON水下控制器（POD），它由多相控制单元（MUX）和模块控制器（MOD）组成，两者之间互相连接形成1个系统去控制水下防喷器各项功能，MUX包括水下电模块（SEM）、电磁阀模块、传感器模块和封闭电池模块，MOD包括了各种阀、调节器、液压部件和接口部件等，水下储能器为MOD压力调节阀提供导向压力［6］。

图3 2种水下防喷器控制器（POD）

水下控制设备中的液压紧急恢复系统（EHBS），平常称为1个休克系统，是1个独立的液压控制器，固定在防喷器组上，如果防喷器组控制系统故障、脐带缆断开或是其他突发事件，它就自动执行开关功能，液压紧急恢复系统自带液动力，来自固定在防喷器组上的恢复系统储能器和剪切储能器，液压紧急恢复系统操作由储能器提供导向信号压力，剪切操作动力由剪切储能器提供，此系统属于备用，一般在工作中不使用，但必须在安装前做试验。

水下储能器是一种动力源，其设计配套很关键，墨西哥湾井喷事故后，专家分析，其中1个原因就是水下储能器设计和配套不合理，目前CAMERON公司正在和储能器厂家合作改进水下储能器结构，此设计的水下储能器充分利用水下压力，能够提供足够大的能量，满足控制系统需求，产品正在试验中。

声控两位备用系统既属于水上设备，也属于水下设备，它为水下防喷器组提供了特定关闭功能，系统由水上和水下2部分组成，水上是发射指令设备，水下是接受指令和执行设备。目前所有深水防喷器系统都是采用Kongsberg ACS系统，一般对深水BOP组功能的控制对象是由客户认可。

4 结论

1） 深水钻井防喷器系统关系到海洋钻井的安全，技术要求更高。对于其中的防喷器组，应选择更为先进的闸板防喷器，要求更加安全可靠。目前陆地上新的闸板防喷器结构比较多，但要用于深水，必须选择通过深水试验验证过的防喷器，并且要选择合适的防喷器通道材料。

2） 对于深水钻井防喷器系统中的控制单元，采用模块化集成，要求有高度冗余。对于整个控制系统要全面分析，并且要进行风险评估，制定多种应急预案。

3） 现国内已具有设计制造深水防喷器组和控制系统的能力，但还没有把整个防喷器系统集成为安全可靠的产品。建议国内的研究单位大力开展深水防喷器组和控制系统及整体系统结构研究，包括理论分析与研究、标准的统一制定，现场系统配置反馈信息的收集、整理等。

［1］ API 6A，SPECIFICATION FOR WELLHED AND CHRISTMAS TREE EQUIPMENT［S］.2004.

［2］ 王存新.深水钻井水下防喷器组配置选型研究［J］.石油矿场机械，2009，38（2）：72-75.

［3］ Shaughnessy J M，Armagost W K.Problems of Ultradeepwater Drilling［R］.SPE52782，1999.

［4］ 苏山林.防喷器控制系统发展趋势的探讨［J］.胜利油田职工大学学报，2005，19（3）：45-46.

［5］ Jerry Tomlin.Blowout Preventer Control System：US，6032742［P］.2000-05-07.

［6］ 李博.深水防喷器组控制系统发展［J］.流体传动与控制，2008，29（4）：39-41.

Research on Key Equipments of Deepwater Drilling BOP System

REN Gang-feng1，2，WANG Ding-ya1，2，WU Yong-feng1，NIU Ming1，LI Yi-ping1，XING Xiao-gang1
（1.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China；2.National Oil&Gas Drilling Equipment Research Center，Baoji 721002，China）

The deepwater drilling BOP system plays a key role in oil and gas operation security，protecting the marine environment and personal safety.At present，The development of deepwater drilling BOP system in domestic is at the early stage，in order to improve the technical level of the key equipments in deepwater drilling BOP system made in our country，The present technical status of the deepwater BOP system used in marine drilling riser at home and abroad are introduced at the beginning，The key equipments of the BOP stack and control units of deepwater BOP system are researched especially.The main characteristics of the key equipments in deepwater BOP system are analyzed，and their compositions and functions are illustrated.Finally，combined with domestic actual situations，the suggestions of research on deepwater BOP System were given.

deep water；blowout preventer；key technology；subsea POD

TE951

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.022

1001-3482（2014）12-0095-04

2014-06-13

国家高技术研究发展计划（863计划）“深水海洋钻井隔水管系统工程化研制”课题研究部分内容（2013AA09A222）

任钢峰（1978-），男，陕西富平人，工程师，2003年毕业于西安理工大学，主要从事石油钻井机械研究，E-mail：rgf90001＠126.com.