方宏偉

中海油田服務(wù)股份有限公司深圳分公司 廣東深圳 518057

水下防噴器是海洋石油鉆井行業(yè)水下作業(yè)過程中必須具備的實(shí)用器具之一，主要設(shè)置在海底，是控制和防止井噴的一種井口設(shè)備。美國安全與環(huán)境執(zhí)法局在2016 年公布了一則關(guān)于水下防噴器的最終井口控制規(guī)范[1]，要求水下防噴器除了要配備兩組鉆桿剪切閘板之外，還需要具備自動(dòng)剪切技術(shù)和失效安全技術(shù)這兩種應(yīng)急系統(tǒng)。面對(duì)這樣的強(qiáng)制性規(guī)定措施，所有現(xiàn)役的水下防噴器全部需要根據(jù)要求進(jìn)行改進(jìn)。

1 安全控制系統(tǒng)

安全控制系統(tǒng)又稱電液多路控制應(yīng)急系統(tǒng)，主要分為水面和水下兩個(gè)部分。其中液壓沖蓄能、控制面板、中央處理器，以及系統(tǒng)的所有電力通信裝置均設(shè)置于水上（水面）。水下主要是電子運(yùn)行系統(tǒng)、總閥門組和應(yīng)急控制單元。水面之上的液壓沖蓄能和水面之下的控制面板直接連接，水面上下分別由隔水管進(jìn)行連接。水面部分的液壓通過隔水管上的剛性液壓管和軟管為水下的控制回路液壓提供動(dòng)能，負(fù)責(zé)對(duì)先導(dǎo)信號(hào)進(jìn)行控制[2]。水面之上的電力通信裝置與水面之下的電子運(yùn)行系統(tǒng)相連，電力通信裝置可以通過隔水管的依附電纜接收水下電子模塊的信號(hào)，并提供該模塊必要的電能。所有控制系統(tǒng)終端均在水上，液壓先導(dǎo)回路直接控制主液壓控制回路。水下液壓控制回路與電子模塊同為一體。

1.1 水下防噴器應(yīng)急系統(tǒng)裝置設(shè)置

水下防噴器的應(yīng)急系統(tǒng)分為四大板塊，分別為自動(dòng)剪切系統(tǒng)、失效安全系統(tǒng)、聲學(xué)控制系統(tǒng)和水下機(jī)器人。自動(dòng)剪切系統(tǒng)受到下部隔水管的直接控制，其應(yīng)用與下部隔水管和防噴器組有關(guān)，因此在這兩個(gè)單元之間加設(shè)推桿液壓閥。當(dāng)自動(dòng)剪切系統(tǒng)開始運(yùn)作時(shí)，需要先等待隔水管總成部分和防噴器組部分脫離后，液壓閥會(huì)自動(dòng)開啟；先導(dǎo)液進(jìn)入到主控制閥中后會(huì)與主控制回路相連接，后續(xù)控制液開始對(duì)防噴器組進(jìn)行推動(dòng)，直到關(guān)閉切斷閘板。在此之前，主液壓控制和電信號(hào)回路會(huì)相繼中斷。失效安全控制系統(tǒng)主要是在主液壓控制和電信號(hào)回路均關(guān)閉，且自動(dòng)關(guān)井之后進(jìn)行的一種安全防護(hù)措施。安全系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)在所有預(yù)備情況實(shí)現(xiàn)后展開，即液壓先導(dǎo)回路串聯(lián)到液壓閥上，此時(shí)的液壓閥已經(jīng)失去了供電信號(hào)和液壓信號(hào)，處于停擺狀態(tài)。這意味著水下防噴器的隔水管總成同時(shí)失去了雙重控制，此時(shí)失效安全預(yù)備裝置實(shí)行隔離安全系統(tǒng)運(yùn)行，對(duì)主控制回路進(jìn)行管理[3]。

1.2 應(yīng)急備份系統(tǒng)

極端情況下水下防噴器的隔水管總成及所有防噴器組均會(huì)失去控制脫開，此時(shí)的防噴器組元件將會(huì)失去液壓控制能量。因此，為了保證系統(tǒng)能源的持續(xù)供應(yīng)，需要在防噴器的底部再放置一個(gè)備用能源。其負(fù)責(zé)在失去常規(guī)液壓控制能量時(shí)，繼續(xù)行使防噴器的主要任務(wù)。它負(fù)責(zé)切斷閘板及盲封閘板，并進(jìn)行應(yīng)急系統(tǒng)開關(guān)操作。正常情況下，水下防噴器在應(yīng)急系統(tǒng)啟動(dòng)之后，可以依靠應(yīng)急備份系統(tǒng)持續(xù)工作。該備份儲(chǔ)能系統(tǒng)能源來自水面蓄能器組的單向能源。

2 應(yīng)急裝置控制需求的實(shí)現(xiàn)方案

單獨(dú)來看，自動(dòng)剪切系統(tǒng)回路需要由下部隔水管總成和防噴器組進(jìn)行調(diào)動(dòng)，失效安全系統(tǒng)需要在失去電信號(hào)和液壓信號(hào)之后啟動(dòng)。而如何完成兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)安裝設(shè)計(jì)的需要，就要把單獨(dú)兩者的實(shí)現(xiàn)因素統(tǒng)一起來看待。首先，要對(duì)利用梭閥將自動(dòng)剪切回路和失效安全回路連接起來；之后，需要對(duì)單個(gè)的剪切閘板水下防噴器組進(jìn)行連接。

3 自動(dòng)剪切系統(tǒng)與失效安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)剪切系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采用仿真模型設(shè)計(jì)參考的方式來進(jìn)行自動(dòng)剪切系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程選擇仿真軟件為Simulation X，該軟件有大量的海洋工程工作經(jīng)驗(yàn)。仿真模型的設(shè)計(jì)在井液壓力和海水壓力同步作用下進(jìn)行，因?yàn)樵谒路绹娖鞯膶?shí)際工作環(huán)境中，同時(shí)存在海水靜液的壓力和壓井液、井內(nèi)溢出液的壓力。

自動(dòng)剪切設(shè)計(jì)需要考慮剪切過程的受力變化情況，包括彈性變形、塑性變形最終到斷裂成形。彈性變形主要是在剪切閘板剪斷鉆桿的過程中形成，之后隨著當(dāng)剪切力度不斷加大，鉆桿會(huì)從彈性變形進(jìn)一步發(fā)展成為塑性變形。當(dāng)剪切力發(fā)展到一定程度，刀刃穿過鉆桿時(shí)的剪切力最大，此時(shí)鉆桿會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)位和變形，應(yīng)力隨之降低。這期間一共發(fā)生了四次剪切閘板的不同活動(dòng)，即閘板先對(duì)應(yīng)到鉆桿位置，擠壓鉆桿，開始剪切鉆桿，最后剪斷鉆桿。根據(jù)這四個(gè)不同階段剪切閘板的受力曲線變化情況進(jìn)行仿真模型設(shè)計(jì)。仿真模型由四個(gè)主要部分構(gòu)成，分別為剪切閘板執(zhí)行關(guān)閉腔、運(yùn)動(dòng)阻尼器、剪切閘板執(zhí)行器和剪切閘板執(zhí)行器開啟腔。閘板執(zhí)行器的開啟腔和關(guān)閉腔控制模型兩端，讓模型形成一個(gè)閉環(huán)。剪切閘板即自動(dòng)剪切系統(tǒng)的整體運(yùn)作動(dòng)力來源于備用的蓄能系統(tǒng)，因此除了考慮剪切閘板與備用蓄能之間的連接問題，還需要考慮蓄能裝置的安全設(shè)計(jì)問題。因?yàn)楫?dāng)失去電信號(hào)和液壓信號(hào)之后，自動(dòng)剪切系統(tǒng)和失效安全系統(tǒng)都需要由備用蓄能組來提供高壓油液，因此如果該備用系統(tǒng)出現(xiàn)了油液泄露，很可能影響到剪切閘板的任務(wù)執(zhí)行[4]。因此，仿真模型應(yīng)盡量縮小蓄能器組的容積，降低可能出現(xiàn)漏液的情況。只要該備用系統(tǒng)能夠滿足自動(dòng)剪切系統(tǒng)和實(shí)效安全系統(tǒng)的蓄能需求，就可以安裝和使用。

仿真設(shè)計(jì)過程中，對(duì)剪切閘板的關(guān)閉情況和關(guān)閉效率進(jìn)行了集中實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)在常規(guī)壓力下，當(dāng)自動(dòng)剪切程序被激活之后，剪切閘板即開始對(duì)鉆桿進(jìn)行剪切，一直到鉆桿被完全切斷后，井口完全封閉。這期間剪切閘板會(huì)將操作時(shí)間控制在12s 之內(nèi)，當(dāng)執(zhí)行器開始關(guān)閉后，剪切閘板能夠在該時(shí)間區(qū)間內(nèi)到達(dá)鉆桿位置。壓力一直上升，直到閘板能夠抱住鉆桿位置；在15s 的時(shí)候刀口可以接觸到鉆桿，開始剪切后可以在3s 之內(nèi)剪斷鉆桿。這個(gè)過程中開啟腔和關(guān)閉腔面臨的壓力一直不變[5]。為了分?jǐn)偤线m的蓄能，并盡可能少調(diào)動(dòng)蓄能器，對(duì)蓄能器的數(shù)量設(shè)置和容積設(shè)置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)如果盡可能多且迅速完成剪切工作，在保持的9 個(gè)蓄能器中，只需要3 個(gè)正常工作即可。而再加上失效安全系統(tǒng)，該數(shù)字可以控制在3 個(gè)或以上，但是不必設(shè)置9 個(gè)蓄能器。

3.2 失效安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

失效安全系統(tǒng)也可以稱為故障保險(xiǎn)系統(tǒng)，在水下防噴器的特定故障情況下開啟安全保護(hù)任務(wù)。失效安全系統(tǒng)承擔(dān)的是二次井控任務(wù)，本研究通過仿真模型設(shè)計(jì)對(duì)其應(yīng)用及性能進(jìn)行評(píng)估。失效安全系統(tǒng)由把手、堵頭、剪切閘板關(guān)位和井口連接器開位4 個(gè)單元組成，這是失效安全功能的主要控制面板。在防噴器的應(yīng)急程序打開之后，剪切閘板關(guān)閉；然后井口連接器打開，堵頭實(shí)行封頂任務(wù)，以防止海水和垃圾在失控情況下進(jìn)入到閘板關(guān)位和井口連接器的開位管線及控制閥內(nèi)部，以致造成堵塞。水下機(jī)器人是連接失效安全系統(tǒng)的必要裝置，防噴器應(yīng)急裝置開啟之后，需要通過水下機(jī)器人來控制面板剪切閘板關(guān)位或者將井口連接器的開位堵頭拔出。

3.2.1 剪切閘板關(guān)閉功能測(cè)試

（1）當(dāng)進(jìn)入到防噴器組回收階段時(shí)，儲(chǔ)能器倉的選擇閥和剪切閘板及后通閥手柄均需調(diào)整成零壓力。

（2）關(guān)閉防噴器的控制系統(tǒng)，防止導(dǎo)流器控制系統(tǒng)和司控柜的液壓源。

公路項(xiàng)目點(diǎn)多面廣戰(zhàn)線長(zhǎng)，工期制約因素眾多，本文從4個(gè)方面系統(tǒng)地給出了進(jìn)度的影響因素，并淺析了公路工程進(jìn)度制約因素的解決思路對(duì)策和方法，項(xiàng)目管理開始實(shí)施時(shí)應(yīng)建立BIM系統(tǒng)進(jìn)行信息化系統(tǒng)管理，便于系統(tǒng)有效監(jiān)管運(yùn)行高效。

（3）利用1500psi 液壓源通過4000psi 的高壓軟管，將其傳遞到剪切閘板的關(guān)位腔體內(nèi)部。當(dāng)主控制室內(nèi)的流體劑量超過了15.6 加侖時(shí)，水下防噴組的剪切閘板被判定處于關(guān)閉狀態(tài)[6]。

（4）檢查閘板關(guān)閉之后，再次回復(fù)備用蓄能系統(tǒng)的控制。剪切閘板負(fù)責(zé)控制手柄的中位，設(shè)備的下部外側(cè)壓井事故安全閥和下部?jī)?nèi)側(cè)壓井事故安全閥全部打開，將固井泵打壓到套管能承受的壓力，大約為2000psi，一直穩(wěn)壓15min，確保該過程無任何的泄露情況和穩(wěn)壓情況后即可判定剪切板為關(guān)閉，封井功能完好。

3.2.2 井口連接器打開功能測(cè)試

（1）安排水下機(jī)器人游走到下防噴器組井口連接器的位置，并在系統(tǒng)的“開位”和“關(guān)位”指示桿附近觀察，確保指示系統(tǒng)處于正常狀態(tài)。

（2）當(dāng)水下防噴器的運(yùn)作完全停止，確定可以進(jìn)入到回收階段之后，將預(yù)備蓄能系統(tǒng)打開，對(duì)防噴器的控制面板藍(lán)黃系統(tǒng)進(jìn)行控制。手動(dòng)選擇閥門井口連接器的三位四通閥手柄，將其扳至中位，保證管位的會(huì)聚壓力和先導(dǎo)壓力調(diào)為零。

（3）將防噴器控制系統(tǒng)與導(dǎo)流器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)司控柜系統(tǒng)之間的液壓源連接切斷。

（4）操作1500psi 液壓源通過4000psi 的高壓軟管，保證應(yīng)急功能井口開位腔體正常，且傳遞能量充足，無任何蓄能不良狀態(tài)。當(dāng)主控柜的流量計(jì)讀數(shù)顯示為6.2 加侖時(shí)，理論可以判斷井口連接器已打開。

（5）指示系統(tǒng)觀察井口連接器指示桿的“關(guān)位”狀態(tài)是否變?yōu)椤伴_位”狀態(tài)，判斷井口連接器是否可以打開，確保防噴器失效安全系統(tǒng)的開位功能正常。

（6）指示系統(tǒng)按照標(biāo)準(zhǔn)將防噴器組的連接器拆出后，對(duì)失效安全控制系統(tǒng)的控制面板井口連接器開位堵頭裝復(fù)。

（7）恢復(fù)防噴器控制系統(tǒng)到正常使用狀態(tài)，通過防噴器控制系統(tǒng)來操作剪切閘板關(guān)位和井口連接器開位功能，以及復(fù)核剪切閘板打開狀態(tài)、井口連接器開位功能，記錄流量計(jì)數(shù)值，轉(zhuǎn)入正常回收水下防噴器組程序。

4 結(jié)語

水下防噴器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)其水下運(yùn)作至關(guān)重要，而自動(dòng)剪切系統(tǒng)和失效安全系統(tǒng)是兩個(gè)主要構(gòu)成部分。自從設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有所改動(dòng)之后，該系統(tǒng)整體的研發(fā)和設(shè)計(jì)實(shí)力一直被發(fā)達(dá)國家掌握，國內(nèi)的研究尚沒有根本性突破。本研究將安全控制系統(tǒng)進(jìn)行拆分，對(duì)自動(dòng)剪切技術(shù)和失效安全系統(tǒng)逐一仿真模擬設(shè)計(jì)，但僅提供了基本的設(shè)計(jì)思路，具體的設(shè)計(jì)方案還需要在實(shí)際應(yīng)用過程中進(jìn)一步調(diào)整。