超深水海域海洋环境下的防喷器组的控制

超深水海域海洋环境下的防喷器组的控制

勘探区距离海岸和工作区的海况非常复杂，故很难紧急救援、救援和救援。因此,钻井作业过程中一旦发生井喷或在台风等紧急情况下临时撤离时,要求水下防喷器组及其控制系统能够安全可靠地控制住井口及井内流体,确保人员及设备财产的安全。目前,世界上超深水防喷器组及其控制系统的设计制造技术发展较快,并且被几家知名的防喷器生产厂商所掌握,但其配置及应用技术发展相对滞后,至今没有发布统一的配置技术规范或标准。现有的API标准也仅局限于常规水深的防喷器组及控制系统,对于深水及超深水的防喷器组及其控制系统,只是给出了对主控制系统的具体要求,而有关环保和安全方面的控制系统(备用控制系统和特殊控制系统)仅作为了可选配项目。目前,国内常规水下防喷器及控制技术还处于研发阶段,中国海洋石油总公司已经发布了防喷器组及控制系统配套的企业标准,行业配套标准也有望在年内形成,但深水及超深水领域的产品研发及配置尚处于研究和学习阶段。为此,笔者在充分吸取“深水地平线”事故教训、分析该事故防喷器组及其控制系统功能的基础上,结合近年来新推出的超深水钻井装置配套方案,提出了一套超深水防喷器组及其控制系统配置方案。1主要防喷器功能超深水钻井用水下防喷器组的配置应以安全、可靠为首要目标,能够在各种情况下迅速有效地关闭井口,并且还要预留足够的备用功能。首先,要满足超深水钻井作业及井控的要求,能够封闭入井管柱的环形空间,实施压井、放喷及强行起下钻作业;其次,能够剪断入井的电缆、套管及钻杆后有效关井,无钻具时还能有效封闭空井;再次,紧急解脱时应能悬挂井内的钻具、快速解脱隔水管连接器;最后,还要具有防喷器组内部压力监测、防喷器组内圈闭气释放及水合物抑制剂注入等辅助功能。基于上述功能要求,笔者给出了2套环形防喷器与6套闸板防喷器的超深水防喷器组合(见图1),以下将按从上至下顺序对各防喷器的主要功能分别进行介绍和分析。作为隔水管下部总成(LMRP)主要配重设备,2套环形防喷器直接相接并置于闸板防喷器组的顶部,其主要作用是关闭管子闸板防喷器前,确认钻杆接头的位置、扶正井内管柱、平衡防喷器组腔体内的压力及加重隔水管回接管柱。下环形防喷器通常只作为备用,在上环形防喷器不能有效关井时使用。根据需要可选配2套单联环形防喷器或1套双联环形防喷器。闸板防喷器组位于环形防喷器的下部,在闸板防喷器的组合中,所有剪切闸板防喷器通常均位于管子闸板防喷器的上部。目前,3套剪切闸板防喷器(超级剪切防喷器、管子剪切密封防喷器及套管剪切防喷器)的配置是一种发展趋势。超级剪切闸板防喷器是一种剪切能力超强的剪切闸板防喷器,可以剪断入井的钻杆接头、加重钻杆管体等管柱,置于闸板防喷器组的最顶端。当管子密封剪切防喷器或套管闸板防喷器不能有效剪断井内的管柱时,作为最后一种应急手段可有效实施剪切和关井。管子剪切密封闸板防喷器紧接于超级剪切防喷器的下部,用于剪切入井的各种钻杆,并能够有效密封空井,也是最常用的剪切防喷器。套管剪切闸板防喷器置于管子剪切密封防喷器的下部,自身没有密封功能,主要用于剪断入井的各种套管。超深水钻井作业中,由于压力窗口狭窄、使井身结构相对复杂,通常需要使用复合钻具来完成下部井段作业;再加上水下防喷器组中的管子闸板防喷器在作业过程中是难以更换的,因此,配置能够满足复合钻柱的变径管子闸板防喷器是首选方案。3套相同变径范围的变径闸板防喷器的配置既便于现场作业,又便于维护,一般作为首选方案。上变径闸板防喷器为在关闭环形防喷器确认钻杆接头位置后首选关闭的管子闸板防喷器,以封住钻杆外的环空,实施井控相关作业;中变径闸板防喷器用于紧急解脱或避台风时悬挂钻具以及上变径闸板防喷器不能有效关井的特殊情况;下变径闸板防喷器通常作为备用,在紧急情况下也可用于悬挂井内钻具。2海的开放式液路设计目前水下防喷器组的控制系统普遍采用排除端直接排向大海的开放式液路设计方式。而超深水防喷器的控制系统按照其功能可分为3个级别的控制,第一个级别为主控制系统,第二个级别为备用控制系统,第三个级别为特殊控制系统。2.1水下防喷器组的控制主控制系统是最基本的控制系统,也是正常作业期间使用频率最高的控制系统。其主要功能是在规定时间内能将混合液加压后泵送到水上、水下蓄能器组内储存高压能量,并能够通过主供液管线将高压控制液输送到水下控制盒处备用;一旦水上控制盘发出控制指令,能迅速有效地操控水下防喷器组等设备。超深水钻井作业时,由于海底防喷器组外部的静水压力较高,其控制系统的工作压力等级通常不低于34.5MPa。APISPEC16D中规定,水下防喷器组控制系统应在45s或者更短的时间内关闭任何一个闸板防喷器,关闭环形防喷器组的响应时间不能超过60s,开关压井/放喷阀的响应时间应不大于闸板防喷器组中最快的响应时间,解脱隔水管连接器的时间应不超过45s。由于超深水下防喷器组的控制系统控制对象多、且指令传输路程长,目前大都采用多元复合控制系统(multiplexcontrolsystem)作为主控制系统。该控制系统采用双向通讯模式,将水上控制指令信号进行编码处理后,经过共用的铠装光纤通讯电缆传送至水下控制盒内的电磁阀。该阀可根据地面控制信号来开启相应的控制阀,将高压控制液分配到指定的液压通路,实现对防喷器组及闸阀的操控。多元复合控制系统具有多路控制、传输快、控制管和电缆直径小及重量轻等优点。主控制系统主要由地面的液压动力装置、控制液混配装置、蓄能器组、中控台、司控盘、辅助遥控盘、水下控制盒、控制管和电缆及滚筒组成。正常作业期间,液压动力装置将混合液箱内的控制液加压泵送至水上蓄能器组内,并沿隔水管外壁的刚性主供液管线(rigidconduitline)输送至水下控制盒的控制阀及水下蓄能器组内。为了提高超深水防喷器控制系统的可靠性,通常还配置一套小管径软管供液管线(hotline),以便在刚性主供液管线不能正常工作时或防喷器组起下过程中能够提供控制液。配置功能完全相同的2套水下控制盒、控制管和电缆及滚筒(蓝色和黄色),当一套不能正常工作时,能够快速启用另一套实施操控。液压动力装置中的动力泵,也应配有主泵和备用泵,以确保主泵发生故障时仍能为蓄能器充液。水下蓄能器组内的高压控制液根据需要可设计为参与主控系统对水下防喷器组的控制或者只作为备用控制系统的备用控制液,其容积取决于所控制的防喷器及闸阀的数量。主控制系统的3个控制盘应分别位于中控室、钻台和生活区。隔水管紧急解脱系统EDS(emergencydisconnectsequencedsystems)属于主控制系统的控制功能,它是依据作业过程中预先为钻井装置所设置的安全作业窗口边界条件实施操控(通常是下柔性接头的偏移角控制在3°~5°),以防止由于钻井装置过度偏离水下井口装置引起的隔水管柱损坏或井口失控的状况发生。该系统从字面意义上看,纯属隔水管解脱内容,但实际应用时应将发生在此之前的关井程序视为该程序的部分动作,并在确认关井后才能执行解锁隔水管连接器的动作。隔水管紧急解脱系统中的动作不应少于关闭并锁紧1套管子闸板防喷器、1套剪切闸板防喷器、激活隔水管防回弹装置和解锁隔水管连接器。2.2水下蓄能器+rov备用控制系统是在主控制系统不能正常工作时所使用的控制系统。它是在主控制系统丢失高压控制液或先导控制信号时才使用的独立控制系统,包括声控系统(acousticcontrolsystems)和遥控潜水器操控系统ROV(operatedcontrolsystems)。声控系统采用双向声控通讯系统,将水上的控制指令通过声控信号迅速下传至水下的声控接收器,经信号处理器转换后的电控信号可控制专用控制盒内的先导阀和指定的电磁阀动作,迅速释放出专用水下蓄能器内的控制液,从而实现关井功能。该系统具有可在不激活防喷器组液压功能元件的条件下对其电子器件进行功能测试的优点,主要由水面声控信号发送器、水下声控信号接收器及声控下水蓄能器等部件构成,并采用专用的蓄电池组作为动力源。该系统需要配有一台以蓄电池组为电源的便携式地面控制器,根据需要可在钻井装置、守护船舶或救生艇处实施操控。同时,应配置2套具有并行发送和接收功能的声控信号水下接收器,且应分别连接到2个独立的接收装置上。为系统提供动力的水下蓄电池组要能够在单次充电后180d保持操控能力,并且具有低电量报警功能。专用的水下蓄能器可由防喷器组主控制系统预先充压,并能够隔离。遥控潜水器操控系统作为另一种形式的备用控制系统,是可在主控制系统以及声控系统都不能正常工作情况下的一种应急操控方式。但它需要对所要实施操控的设备都安装ROV工作插口并集中于便于接近和观察的操作面板内。ROV操控防喷器组时,应先将其下放至水下防喷器组的操控面板附近。如水下蓄能器组内有可利用的高压控制液,则可通过机械手直接扳动对应的控制阀。如水下蓄能器内没有可利用的高压控制液,则可通过快速对接工作插口将ROV自带的小型蓄能器内的高压控制液释放到所操控的防喷器液缸内实现关井。如ROV没有自带小型蓄能器也可以通过启动自身液压泵泵入高压海水作为控制液实现关井的目的。2.3自动关井和停机系统特殊控制系统是专门针对动力定位钻井装置以及恶劣海况作业而配置的井口安全控制系统,包括自动剪切(autoshear)及自动停机系统(deadmansystems)。自动剪切系统执行一套全自动的关井程序,其启动条件是在作业过程中发生的意外隔水管脱开事故,系统就自动启动这项控制功能,实施自动关井。自动停机系统执行一套全自动的关井和解脱隔水管操控程序,其启动条件为蓝、黄2个控制盒同时失去电缆控制信号和高压控制液时,系统就自动启动这项控制功能。以上2种系统均需利用水下蓄能器组内的高压控制液实施操控,也可与声控系统共享水下蓄能器组的高压控制液。特殊控制系统可根据现场作业的具体情况预先在控制盘内进行功能“激活”或“屏蔽”选项设置,只有将此功能设置为“激活”后,才能起作用。3防喷器组及其控制系统在南海3口井HYSY981超深水钻井装置的防喷器组采用的是2套环形防喷器与6套闸板防喷器的组合形式(见图2),防喷器控制系统采用了3级配置方案,基本上能满足超深水钻井井控要求。南海3口井的现场作业表明,HYSY981超深水钻井装置的防喷器组及其控制系统满足了现阶段南海超深水钻井作业的要求。由于该配置方案是基于“深水地平线”钻井装置发生事故之前的认识条件拟定的,如以现在的认识来评判,系统的冗余性(主要是指剪切钻具的能力和ϕ168.3mm及ϕ88.9mm钻杆特殊作业时关井的储备能力)略显不足,还有待于今后进行升级和完善。4超深水钻井作业主要控制系统优化组成建议1)在超深水防喷器组中,应该留有应急或备用的环形防喷器、管子闸板防喷器、剪切闸板防喷器和压井放喷管线。控制系统应配备完整的三级控制系统(主控制系统、备用控制系统和特殊控制系统),以应对作业过程中的可能出现的各种复杂情况。2)将超级剪切闸板防喷器、备用控制系统(声纳控制系统