王佳中

(中海油天津分公司渤中作業(yè)公司 天津300451)

0 引 言

在正常生產(chǎn)期間采油平臺(tái)鉆修井作業(yè)主要依靠鉆修井機(jī)或鉆井船2種裝備，而鉆修井機(jī)在場(chǎng)地、設(shè)備配置方面受到的限制較多，且受到采油平臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)的影響。井控工作由易到難分為三級(jí)，一級(jí)井控井下壓力處于平衡狀態(tài)，此時(shí)井況安全可控；二級(jí)井控時(shí)井底壓力小于地層壓力，需要按照正確的程序操作井控設(shè)備逐漸使井底壓力恢復(fù)平衡狀態(tài)，是井控工作的重點(diǎn)和核心內(nèi)容；三級(jí)井控是指井噴失控后的搶險(xiǎn)過程。井噴失控是石油行業(yè)中重大事故之一，提高井控設(shè)備的可靠性具有重要意義。本文從鉆修井機(jī)相關(guān)系統(tǒng)動(dòng)力保障角度探討二級(jí)井控、采油平臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)導(dǎo)致失電條件下井控設(shè)備動(dòng)力的可靠性，并總結(jié)該分析方法的一般步驟。

1 海上鉆修井機(jī)系統(tǒng)

海上平臺(tái)鉆修機(jī)一般包括鋼架結(jié)構(gòu)、起升系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、配電照明系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、安全系統(tǒng)以及防噴器系統(tǒng)、泥漿循環(huán)系統(tǒng)等，后兩者通常合稱井控系統(tǒng)。正常工況條件下修井機(jī)各系統(tǒng)相互配合使作業(yè)井處于一級(jí)井控狀態(tài)，二級(jí)井控時(shí)修井機(jī)大部分系統(tǒng)參與井下壓力異常處理，起升系統(tǒng)、防噴器組、泥漿系統(tǒng)直接執(zhí)行關(guān)井和泥漿循環(huán)兩個(gè)井控步驟。

1.1 采油平臺(tái)、修井機(jī)動(dòng)力可靠性

系統(tǒng)內(nèi)動(dòng)力設(shè)備數(shù)量越多、種類越多、傳遞鏈條越短，其可靠性就越高，根據(jù)動(dòng)力對(duì)其他系統(tǒng)的依賴關(guān)系由弱到強(qiáng)、傳遞鏈條從短到長(zhǎng)，可分為獨(dú)立、半獨(dú)立和依附性動(dòng)力，三者可靠性相對(duì)漸次降低。

渤海某采油井口平臺(tái)配置有HXJ135型修井機(jī)，正常電源為中心平臺(tái)動(dòng)力發(fā)電站，途經(jīng)相互串聯(lián)的3座上游采油平臺(tái)，應(yīng)急電源為1臺(tái)500kW柴油應(yīng)急發(fā)電機(jī)，在主電源失電后的45s內(nèi)應(yīng)急發(fā)電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，并向應(yīng)急負(fù)荷連續(xù)供電至少18h。采油平臺(tái)同時(shí)配備20kVA不間斷電源系統(tǒng)為通信、火災(zāi)探測(cè)及儀表控制等關(guān)鍵系統(tǒng)供電至少0.5h，且正常、應(yīng)急電源都可為其充電[1]。HXJ135型修井機(jī)動(dòng)力擁有3臺(tái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和1組N2蓄能器，其余動(dòng)力為采油平臺(tái)配電系統(tǒng)和壓縮空氣[2]。

對(duì)于采油平臺(tái)和修井機(jī)，外供電源為依附性，柴油應(yīng)急機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)為半獨(dú)立，只有N2蓄能器和不間斷電源為獨(dú)立性動(dòng)力；采油平臺(tái)空壓機(jī)和柴油泵都分別在正常和應(yīng)急電源接線，動(dòng)力可靠性較高；鉆修井機(jī)的防噴器控制系統(tǒng)擁有3種不同的動(dòng)力源：2臺(tái)應(yīng)急電源供電液壓泵、2臺(tái)壓縮空氣動(dòng)力氣動(dòng)泵，以及1套N2蓄能器，因此其動(dòng)力可靠性最高，如圖1所示。

圖1 采油平臺(tái)、修井機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力簡(jiǎn)圖Fig.1 Power sketch of the oil-production platform and the HXJ135

1.2 修井機(jī)起升系統(tǒng)重要性分析

二級(jí)井控可細(xì)化為12種二級(jí)溢流、井涌場(chǎng)景下硬關(guān)井動(dòng)作，其中11種需起下鉆動(dòng)作配合[3-4]，參見表1。軟關(guān)井與硬關(guān)井前期關(guān)井動(dòng)作類似，只是泥漿循環(huán)系統(tǒng)介入時(shí)間早，下文不再分別贅述。起下鉆動(dòng)作可為防噴器的可靠關(guān)閉創(chuàng)造有利條件，而防噴器完全關(guān)閉又可為后續(xù)壓井爭(zhēng)取時(shí)間，是二級(jí)井控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此井控工況下起升系統(tǒng)應(yīng)受到重視。

1.3 起升系統(tǒng)組成及動(dòng)力源

修井機(jī)起升系統(tǒng)主要由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變速箱、主絞車及其電動(dòng)液壓盤剎車、空氣輔助剎車以及液壓系統(tǒng)組成[2]。2臺(tái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為液壓系統(tǒng)與主絞車系統(tǒng)提供主動(dòng)力，壓縮空氣是本系統(tǒng)設(shè)備控制/輔助系統(tǒng)的動(dòng)力，平臺(tái)雙電源空壓機(jī)和2臺(tái)柴油機(jī)帶空壓機(jī)共同供氣，可靠性高；1臺(tái)柴油泵和液壓盤式剎車的兩臺(tái)電動(dòng)液壓泵僅由正常電源供電，前者為修井日用油罐供油，后者是起下工具、管柱后將其保持在合適位置繼而關(guān)閉防噴器的必要設(shè)備。上述3臺(tái)重要輔助設(shè)備動(dòng)力保障相對(duì)薄弱，如圖2所示。

2 采油平臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)修井機(jī)井控系統(tǒng)動(dòng)力的影響

平臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)分為電力分級(jí)卸載系統(tǒng)、ESD關(guān)斷系統(tǒng)和火氣探測(cè)系統(tǒng)，其中本平臺(tái)、上游平臺(tái)以及中心平臺(tái)火氣探測(cè)系統(tǒng)引起的二級(jí)關(guān)斷和中心平臺(tái)動(dòng)力故障，隨報(bào)警所在設(shè)施、區(qū)域的不同和各平臺(tái)卸載分配的差異會(huì)導(dǎo)致不同的設(shè)備關(guān)停、平臺(tái)局部或全部失電，而全部失電對(duì)修井機(jī)系統(tǒng)有較大的影響。上游平臺(tái)和本平臺(tái)主變壓器間、本平臺(tái)主配電間火災(zāi)會(huì)關(guān)停正常電源，所在應(yīng)急配電間火災(zāi)會(huì)導(dǎo)致應(yīng)急配電盤失電，因此將重要設(shè)備分別用正常電和應(yīng)急電供電是應(yīng)對(duì)多種惡劣工況同時(shí)發(fā)生的最佳組合。采油平臺(tái)的四級(jí)關(guān)斷可能會(huì)對(duì)柴油泵、空壓機(jī)造成短暫影響，電力分級(jí)卸載和除失電引起的其他三級(jí)關(guān)斷一般不涉及關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)修井機(jī)不造成持續(xù)影響；一級(jí)關(guān)斷是棄平臺(tái)關(guān)斷，所有作業(yè)停止、人員30min內(nèi)撤離[1]。

表1 二級(jí)井控硬關(guān)井前動(dòng)作/鉆修井機(jī)系統(tǒng)對(duì)照表Tab.1 Table of the drill/work-over rig system and steps before the BOP shut of rank II well control

圖2 修井機(jī)起升系統(tǒng)動(dòng)力源簡(jiǎn)圖Fig.2 Power sketch of the hoisting system of the HXJ135C

3 建 議

修井機(jī)柴油泵、起升系統(tǒng)主剎車系統(tǒng)和2臺(tái)液壓泵宜采用正常、應(yīng)急雙電源供電；防噴器控制系統(tǒng)2臺(tái)液壓泵分別由正常和應(yīng)急電源供電，儀控系統(tǒng)采用應(yīng)急電源或單獨(dú)配置不間斷電源供電。

各關(guān)聯(lián)平臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)斷范圍應(yīng)精細(xì)分析，在安全的前提下應(yīng)減縮配電系統(tǒng)的關(guān)停范圍[5]。

4 結(jié) 論

動(dòng)力可靠性分析方法可應(yīng)用于提升復(fù)雜機(jī)電自動(dòng)控制系統(tǒng)的安全性，主要步驟總結(jié)如下：

①建立系統(tǒng)工況與設(shè)備/分系統(tǒng)對(duì)應(yīng)關(guān)系，評(píng)定重要設(shè)備。

②從設(shè)備和輔助/控制動(dòng)力源頭沿傳遞路徑繪制系統(tǒng)動(dòng)力圖，剖析自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力的影響。

③篩選重要設(shè)備關(guān)鍵動(dòng)力鏈環(huán)，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)約束條件下通過動(dòng)力數(shù)量或種類冗余、規(guī)劃設(shè)備布置和管線電纜路由、選擇適宜的設(shè)備和材料來提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性[6]。