吳永良

（中國石化集團(tuán)上海海洋石油局海洋石油工程技術(shù)研究院，上海 200120）

水下防噴器控制系統(tǒng)故障分析及其處理
——以薩哈林某井為例

吳永良

（中國石化集團(tuán)上海海洋石油局海洋石油工程技術(shù)研究院，上海 200120）

闡述了半潛式鉆井平臺(tái)水下防噴器控制系統(tǒng)的工作原理，以“勘探X號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)在俄羅斯薩哈林海域作業(yè)時(shí)防噴器控制系統(tǒng)出現(xiàn)的故障為例，分析其故障原因，介紹處理方法和應(yīng)對(duì)措施；給半潛式鉆井平臺(tái)水下防噴器控制系統(tǒng)故障分析和處理提供借鑒和指導(dǎo)作用，特別是半潛式鉆井平臺(tái)在寒冷海域和深水區(qū)域作業(yè)時(shí)。

半潛式鉆井平臺(tái)；水下防噴器；防噴器控制系統(tǒng)；故障分析；處理

水下防噴器是半潛式鉆井平臺(tái)保證鉆井作業(yè)安全最關(guān)鍵的設(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(tái)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)境污染和油氣資源遭受破壞[1-3]。因此，水下防噴器是保證半潛式鉆井平臺(tái)鉆井作業(yè)順利進(jìn)行和人身安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，水下防噴器及防噴器控制系統(tǒng)一但出現(xiàn)故障，必須立即進(jìn)行有效地處理。薩哈林（庫頁）島位于太平洋西北部，東面是鄂霍次克海，南面隔宗谷海峽是日本北海道島，西面隔韃靼海峽與西伯利亞相連，東北是勘察加半島和白令海峽。薩哈林海域存在這樣一個(gè)奇特的現(xiàn)象：薩哈林海域底部區(qū)域海水溫度相對(duì)來說，冬季高，夏季低。原因是冬季海水結(jié)冰，阻止了北冰洋的寒流流到薩哈林海域，而在夏季，海水所結(jié)的冰融化，北冰洋寒流能直達(dá)薩哈林海域，所以水溫更低，水深20 m以下的海水溫度一般都低于零度。

1 防噴器及其控制系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 防噴器及其控制系統(tǒng)組成

“勘探X號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)防噴器及其控制系統(tǒng)如圖1所示，由美國NOV(SHAFFER)公司生產(chǎn)，它由兩組防噴器組成，分別為下隔水管組防噴器和防噴器組防噴器。下隔水管組防噴器由隔水管連接頭、撓性接頭、環(huán)形防噴器、下隔水管組連接器和分別涂有藍(lán)、黃色的兩套水下控制盒組成；防噴器組防噴器由MANDREL連接頭、剪切閘板、上閘板、中（可變）閘板、下閘板防噴器、防噴器組連接器和上內(nèi)、上外、下內(nèi)、下外4個(gè)水下壓井閥、內(nèi)、外2個(gè)水下節(jié)流閥以及水下儲(chǔ)能瓶組組成。水下防噴器控制系統(tǒng)是一套對(duì)水下防噴器組和一些地面設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確、迅速操作和控制的裝置。它能在幾十秒內(nèi)把水下防噴器打開和關(guān)閉，在緊急情況下能將下隔水管組與防噴器組及時(shí)脫開和回接，能有效控制水下井口連接器、壓井節(jié)流閥等。該系統(tǒng)主要由應(yīng)急電源（蓄電池組直流電源）、儲(chǔ)能器泵組、控制柜、軟管絞車、水下控制盒（POD）、水下儲(chǔ)能瓶組和梭子閥等組成，儲(chǔ)能器泵組包括動(dòng)力機(jī)組、儲(chǔ)能瓶組、控制液箱、自動(dòng)補(bǔ)液裝置等，是控制系統(tǒng)的心臟?？刂乒裼腥齻€(gè)：主控柜（水下工程師控制）、司控柜（司鉆控制）、微控柜（平臺(tái)經(jīng)理控制）。控制系統(tǒng)有兩套，涂成藍(lán)、黃兩色，以示區(qū)別，在水下防噴器處由梭子閥隔開；一套工作時(shí)，另一套備用[4，5]。

1.2 防噴器控制系統(tǒng)工作原理

在對(duì)防噴器控制系統(tǒng)進(jìn)行故障分析前，應(yīng)先了解防噴器控制系統(tǒng)工作原理。圖2為防噴器控制系統(tǒng)工作原理示意圖，它的工作原理是：在控制柜上調(diào)節(jié)先導(dǎo)壓力調(diào)節(jié)閥（AKR閥），使先導(dǎo)壓力至某一壓力值，此先導(dǎo)壓力通過HKR閥調(diào)節(jié)主動(dòng)液壓力；液壓泵站把配制好的控制液打入儲(chǔ)能瓶組，當(dāng)需要開（或關(guān)）某個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（環(huán)形防噴器、閘板防噴器、連接器、水下壓井節(jié)流閥等）時(shí)，只要在司控柜或微控柜上操作相應(yīng)的按鈕，電流打開液壓泵站上防爆盒中相應(yīng)的低壓空氣電磁閥，低壓空氣進(jìn)入主控柜上液壓四通閥（有二位和三位兩種）氣缸，液壓信號(hào)就通過對(duì)應(yīng)的先導(dǎo)管迅速傳遞到水下控制盒（POD）中，打開對(duì)應(yīng)的SPM閥，地面和水下的儲(chǔ)能瓶組便將高壓控制液導(dǎo)入到對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)液缸，使對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的開（或關(guān)）動(dòng)作；當(dāng)液壓信號(hào)向水下傳遞的同時(shí)，防爆盒中的壓力開關(guān)也接到此信號(hào)，壓力開關(guān)接通控制柜指示燈電源，指示燈通電顯示操作完成[4]。執(zhí)行機(jī)構(gòu)背腔的液體則通過另一路打開的SPM閥排向大海。藍(lán)、黃兩套控制系統(tǒng)通過控制柜上藍(lán)、黃選擇閥選定，在水下防噴器處由各個(gè)功能的梭子閥隔開[5]。

圖1 “勘探X號(hào)”平臺(tái)防噴器及其控制系統(tǒng)示意圖

2 水下防噴器控制系統(tǒng)故障分析

在水下防噴器執(zhí)行機(jī)構(gòu)（閘板防噴器、環(huán)形防噴器、連接器、水下壓井節(jié)流閥等）本身正常的情況下，防噴器控制系統(tǒng)的故障一般有以下三種：

（1）各種控制閥（AKR閥、SPM閥、HKR閥、藍(lán)黃選擇閥、梭子閥等）損壞或失效。

（2）先導(dǎo)控制管（包括接頭）破損、泄漏或堵塞。（3）主液管（包括接頭）破損、泄漏。

下面以“勘探X號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)2006年夏季在俄羅斯薩哈林海域所鉆的某井水下防噴器控制系統(tǒng)出現(xiàn)的故障為例，分析闡述其故障原因并處理方法。

2.1 奇異的故障現(xiàn)象

2006年8月24日01：30，平臺(tái)按鉆井作業(yè)程序?qū)?3-3/8″套管試壓。在司鉆控制柜上關(guān)閉上閘板（防噴器控制系統(tǒng)在用藍(lán)控制系統(tǒng)）時(shí)出現(xiàn)異常：先導(dǎo)閥到位后，主動(dòng)液無流量顯示，用固井泵打壓無法建立壓力。隨即改為關(guān)下閘板，流量顯示下閘板關(guān)閉正常，并按要求試壓至3 700 psi，憋壓完好。當(dāng)日上午，針對(duì)上述異常情況分別通過藍(lán)、黃兩套控制系統(tǒng)對(duì)多個(gè)閘板和水下節(jié)流壓井閥進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，未發(fā)現(xiàn)異常。當(dāng)日17：00根據(jù)鉆井要求做地漏試驗(yàn)，特意關(guān)上閘板試壓，憋壓至1 040 psi，未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。試壓畢，在打開上閘板時(shí)，發(fā)現(xiàn)動(dòng)作遲緩，流量顯示不正確，立即對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)MR（管匯調(diào)壓）失效，迅速將控制系統(tǒng)改為黃系統(tǒng)，調(diào)節(jié)MR由0到1 500 psi時(shí)主動(dòng)液嚴(yán)重泄漏，MRB（管匯調(diào)壓回讀壓力）無反應(yīng)，MR和AR（環(huán)形調(diào)壓）全部調(diào)節(jié)到0，嚴(yán)重泄漏仍然不止；再迅速將控制系統(tǒng)改為藍(lán)控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)MR由0到1 500 psi時(shí)主動(dòng)液仍然嚴(yán)重泄漏，MRB回讀無反應(yīng)，MR和AR全部調(diào)節(jié)到0，泄漏仍然不止；至此，藍(lán)、黃兩套控制系統(tǒng)全部失效。

2.2 故障原因分析和判斷

根據(jù)以上反映出的現(xiàn)象和防噴器控制系統(tǒng)工作原理分析，藍(lán)、黃兩套控制系統(tǒng)同時(shí)損壞失效，且各閥件同時(shí)損壞失效的可能性不大（幾乎為零）；同時(shí)，平臺(tái)從俄方環(huán)保人員處獲得此井位不同深度海水溫度測量數(shù)據(jù)如表1。

判斷認(rèn)為故障原因應(yīng)該是水下防噴器處海水異常低溫（低于零度），且控制系統(tǒng)控制液未加足夠防凍液（乙二醇）導(dǎo)致水下防噴器處控制管線及閥件內(nèi)的控制液局部結(jié)冰、冷凍堵塞、閥件卡死，致使藍(lán)、黃兩套控制系統(tǒng)同時(shí)失效。

3 故障處理

分析判斷出以上故障原因后，決定停止鉆井作業(yè)，盡快回收防噴器，將防噴器控制軟管束內(nèi)的控制液替換成含高乙二醇濃度的控制液；因控制系統(tǒng)癱瘓，防噴器組連接器不能打開。平臺(tái)向甲方建議：

加大泥漿循環(huán)排量，用較高溫度的泥漿為水下防噴器系統(tǒng)傳熱加溫；

不斷倒換藍(lán)、黃兩套控制系統(tǒng)，力求盡快恢復(fù)一套控制系統(tǒng)。

在不斷倒換藍(lán)、黃兩套控制系統(tǒng)操作過程中，藍(lán)控制系統(tǒng)壓力終于建立起來。平臺(tái)立即將防噴器組連結(jié)器打開，起出防噴器。

表1 薩哈林某井位某月海水溫度測量統(tǒng)計(jì)

防噴器起至船井區(qū)后做了如下工作：

（1）根據(jù)水下防噴器控制系統(tǒng)操作手冊(cè)中的低溫環(huán)境作業(yè)控制液配制表[6]（表2）和薩哈林某井位海水溫度測量統(tǒng)計(jì)表（表1），將控制液箱中的控制液配制到含防凍液（乙二醇）較高濃度。為保險(xiǎn)起見，配制比例選定為：1∶32∶68（856液∶乙二醇∶淡水）。

表2 低溫環(huán)境作業(yè)控制液配制

（2）將每根先導(dǎo)控制管中的控制液替換成含高乙二醇濃度的控制液。

（3）在試壓樁上分別對(duì)藍(lán)、黃兩套控制系統(tǒng)的HKR閥進(jìn)行調(diào)試，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象；檢查、保養(yǎng)部分SPM閥和梭子閥，分別對(duì)藍(lán)、黃兩套控制系統(tǒng)做功能試驗(yàn)。

（4）在試壓樁上，關(guān)上剪切閘板、內(nèi)節(jié)流閥和上內(nèi)、下內(nèi)壓井閥，試壓至7 000 psi，憋壓狀況良好。

（5）在活動(dòng)門上分別對(duì)藍(lán)、黃兩套控制系統(tǒng)做功能試驗(yàn)，動(dòng)作正常。

防噴器下放到井口與井口頭連接后，又分別對(duì)藍(lán)、黃兩套控制系統(tǒng)調(diào)試，做功能試驗(yàn)，均正常。然后分別對(duì)上、中、下閘板防噴器和水下節(jié)流壓井閥試壓至7 000 psi，環(huán)形防噴器試壓至3 500 psi，憋壓良好。

至此，平臺(tái)防噴器及其藍(lán)、黃兩套控制系統(tǒng)恢復(fù)正常。

4 后續(xù)故障情況

4.1 后續(xù)故障現(xiàn)象

平臺(tái)水下設(shè)備功能恢復(fù)正常后，于9月10日，控制系統(tǒng)再次出現(xiàn)了異常情況：9月10日21：00，按作業(yè)程序?qū)Ψ绹娖骱途谠噳骸Ｏ扔盟{(lán)控制系統(tǒng)關(guān)上閘板防噴器，打開上部水下壓井閥，對(duì)井口試壓良好；后關(guān)中閘板防噴器，打開水下節(jié)流閥、關(guān)閉下部水下壓井閥，試壓良好；至22：00，在關(guān)環(huán)形防噴器準(zhǔn)備試壓時(shí)，發(fā)現(xiàn)環(huán)形防噴器關(guān)不上，試了好幾次，無果；切換到黃控制系統(tǒng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)控制液往儲(chǔ)液箱嚴(yán)重回漏，壓力無法建立，MRB（管匯調(diào)壓回讀壓力）和ARB（環(huán)形調(diào)節(jié)回讀壓力）全無。

4.2 后續(xù)故障原因分析

產(chǎn)生這種現(xiàn)象原因可能有以下幾種：

（1）藍(lán)、黃選擇閥可能損壞，導(dǎo)致黃控制系統(tǒng)壓力無法建立。

（2）與環(huán)形防噴器有關(guān)的梭子閥或SPM閥結(jié)冰遇卡。

（3）環(huán)形防噴器驅(qū)動(dòng)液缸內(nèi)活塞結(jié)冰卡死。

4.3 后續(xù)故障處理

拆檢藍(lán)黃選擇閥，發(fā)現(xiàn)閥板和閥座密封尚可，為了保險(xiǎn)起見，更換閥板和閥座密封之后裝復(fù)，情況照舊（藍(lán)控制系統(tǒng)正常，黃控制系統(tǒng)壓力無法建立，管匯和環(huán)形調(diào)節(jié)回讀壓力均無）；在黃控制系統(tǒng)時(shí)，將儲(chǔ)能器隔離閥關(guān)閉后歸中位，將藍(lán)41號(hào)先導(dǎo)管堵上，打開儲(chǔ)能器隔離閥，發(fā)現(xiàn)控制液往儲(chǔ)能液箱中漏的不多，壓力建立了起來，管匯和環(huán)形回讀壓力恢復(fù)正常。重新接上藍(lán)41號(hào)先導(dǎo)管，黃控制系統(tǒng)正常。再將藍(lán)29號(hào)、35號(hào)先導(dǎo)管堵上，關(guān)、開環(huán)形防噴器，未果；分別調(diào)節(jié)環(huán)形關(guān)閉壓力至1 500、2 000、2 500 psi，關(guān)、開環(huán)形防噴器多次，終于將環(huán)形防噴器關(guān)上；在黃控制系統(tǒng)時(shí)，接回藍(lán)29號(hào)、35號(hào)先導(dǎo)管，操作環(huán)形防噴器二次，正常；切換到藍(lán)控制系統(tǒng)，操作環(huán)形防噴器二次也正常。

4.4 解決辦法與預(yù)防措施

（1）按低溫環(huán)境作業(yè)控制液配制表（表2）配制好含高乙二醇濃度的控制液，操作防噴器各個(gè)功能，將各個(gè)功能內(nèi)含低乙二醇濃度的主動(dòng)控制液替換成含高乙二醇濃度的控制液。并計(jì)算出“勘探X號(hào)”平臺(tái)防噴器每天所需的乙二醇量，以保障供應(yīng)。

（2）隔幾天切換藍(lán)、黃系統(tǒng)。

（3）有機(jī)會(huì)就測試一下水下防噴器組各個(gè)功能。

至此以后，在該井作業(yè)過程中，防噴器及其控制系統(tǒng)再?zèng)]有異常情況發(fā)生。

5 結(jié)論

（1）通過起下防噴器，并進(jìn)行了一系列的檢查、調(diào)試，確認(rèn)此次防噴器控制系統(tǒng)失效原因，不是防噴器及其控制系統(tǒng)本身密封存在問題所致，而是由于海水溫度異常低溫（低于零度），控制系統(tǒng)控制液未加足夠防凍液（乙二醇）所造成的。

（2）后續(xù)故障發(fā)生原因是防噴器功能恢復(fù)后，乙二醇未能及時(shí)送上平臺(tái)，沒有及時(shí)操作萬能防噴器，沒有將其內(nèi)含乙二醇濃度低的主動(dòng)控制液替換成含乙二醇濃度高的控制液。由于長期用藍(lán)控制系統(tǒng)工作，個(gè)別功能主動(dòng)液管內(nèi)控制液含乙二醇濃度低，導(dǎo)致個(gè)別梭子閥在藍(lán)控制系統(tǒng)閥座上結(jié)冰，用黃控制系統(tǒng)時(shí)，梭子閥不能將藍(lán)控制系統(tǒng)通道關(guān)閉，主動(dòng)液從藍(lán)控制系統(tǒng)主動(dòng)液管竄回儲(chǔ)能液箱和海里。

（3）此前，業(yè)主沒有提供平臺(tái)所處井位海水溫度異常低溫（低于零度）的情況資料或相關(guān)的提示，現(xiàn)實(shí)情況超出預(yù)料，平臺(tái)缺乏如此低溫海水的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)。由此，給我們啟示：平臺(tái)進(jìn)入一個(gè)陌生的海域作業(yè)，前期的海況調(diào)查是何等的重要。

[1] 李博，張作龍．深水防噴器組控制系統(tǒng)的發(fā)展[J]．流體傳動(dòng)與控制，2008（4）：39-41．

[2] 荊波．海洋石油勘探開發(fā)安全概論[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2006．

[3] 蘇山林．防噴器控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢的探討[J]．勝利油田職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，19（3）：45-46．

[4] 李博．深水海底防噴器組液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D]．山東東營：中國石油大學(xué)，2009．

[5] 亢俊星．海底防噴器控制系統(tǒng)[J]．中國海洋平臺(tái)，1992，7（4）： 179-181．

[6] NL Rig Equipment Hydraulic Subsea BOP Control Systems．

The BOP Control System Failure Analysis and Handling——an Example of One Well of Sakhalin

WU Yongliang
(Engineering Institute of SINOPEC Shanghai Offshore Petroleum Bureau, Shanghai 200120, China)

The principle of BOP control system in semi-submersible drilling platform has been explained in this paper. The reasons are analyzed for the troubles on the BOP control system of KANTAN 3 semi-submersible drilling platform occurred during operations in Sakhalin sea, Russia. In addition, the related handling and solving measures are introduced. It might be helpful for the BOP control system of semi-submersible drilling platform in trouble-shooting and processing, especially in hard cold sea environment.

semi-submersible drilling platform; BOP; BOP control system; failure analysis; handling

TE931

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2012.04.083

1008-2336（2012）04-0083-05

2011-10-13；改回日期：2012-08-23

吳永良，男，1963年生，高級(jí)工程師，主要從事海洋石油工程技術(shù)研究工作。E-mail：wuyl.shhy@sinopec.com。