海洋防喷器

驱动防喷器组部件的液压动力流体通常也是通过控制管缆来传输的。为了减小控制管缆的尺寸，流体的输送通道可以采用一个独立的动力液软管，或一个与立管连接器相连的刚性导管来传递的。采用软管可以降低系统的操作成本和整体造价，但由于软管本身的弹性较大，影响了系统压力建立所需的时间，使防喷器的响应速度变慢。刚性导管能够提供比软管延迟时间短的高压动力流体，提高了系统的响应速度。
一个多芯的电缆提供了多个信号传输路径，而电缆的铠装就作为通常的接地回路。通过使用电子通讯，该系统能够将几个控制站整合在钻井平台上。如果需要，还可以以PC机为基础，通过简单的按钮功能和完整的设备状态显示，提供了尽量减小成本的足够的选择空间。
采用这种方法进行作业，能够提高响应速度，但是对超深水则将需要一个非常大的控制管缆滚筒，从而限制了使用的范围。
中国石油天然气集团公司
技术开发项目立项建议书
项目名称：海洋防喷器研制
课题名称：
项目建议人：
申报单位：
主要协作单位：
中国石油天然气集团公司科技发展部编制
年月日填
一.项目概要
防喷器是井控设备中的核心设备，用于控制井口压力，实现近平衡或欠平衡压力钻井，提高钻井速度及质量。在钻井作业中，一且发生滋流、井涌、井喷等紧急情况，操作人员应立即发出关井指令，防喷器应迅速启动关井。此时防喷器一且失效，将导致井喷等恶性事故，造成设备损坏和人员伤亡。因此，防喷器是保证钻井作业顺利进行和人身安全的关键环节之一。
2.深水防喷器控制系统
为了适应不同工作场合的需要，如今派生出了多种水下防喷器控制型式，如直接液压控制、先导液压控制、直接电液控制、复合电液控制和分布复合控制
2.1直接液压控制系统
直接液压控制使得下钻操作变得简单，降低了操作成本。简单性本身也保证了控制系统拥有较高的可靠性和较低的制造维护成本。
对于常规水深，直接液压控制是首选的控制方法。然而由于控制信号是通过多芯管缆传输来实现多种控制功能的，随水深增加，控制管缆的尺寸会增大到不可接受的程度。此外，响应时间也与管缆长度和水深是成比例的。一且作业要从泊系半潜式钻机或动态定位钻井船上进行，就要考虑紧急关井和断开链接的响应速度。在国外，直接液压很少用在超过2000英尺的水深。
2.4多路电液控制系统
多路技术是指通过一个单根电子通讯电缆传递多路控制信号，分别控制不同的被控元件的一项控制技术。把这项技术应用到水下防喷器的控制当中，可以通过减少电缆的数量来简化控制管缆的设计，从而减少重量，节省空间和成本，提高控制深度。这就形成了多路电液控制系统。
要把控制信号传送给正确的执行元件，数据应能够沿两个方向传递，以实现实时的集成系统控制和数据采集。采集的数据可以用来确认系统中所有部件是否正确作业，这其中包括蓄能器，控制阀和下钻设备。
3.2蓄能器
在紧急关井操作中，单靠液压泵来供液，执行机构动作的速度无法达到要求。为尽量减小防喷器部件的驱动时间，大多数防喷器组都安装了蓄能器。海底蓄能器能够提供大流量的高压动力液源，可以更快地驱动防喷器组各部件。
在出现紧急情况而其它措施都无法有效地控制局面时，可以通过剪切闸板剪切掉正在使用中的钻杆。由于剪切需要的推动力非常大，这对蓄能器的要求也就非常高。一般针对这种特殊要求，蓄能器有3种实施方案:第一种是在水面上建造一个很大的蓄能器，由于占地大和成本高，一般很少被采用;第二种是采用高压蓄能器(35MPa)，虽然可以节省一定的空间，但此种蓄能器为非标准元件，成本很高，所以也无法得到推广;第三种是在海底安装剪切闸板专用蓄能器，不仅节省了空间，而且也降低了成本，安全系数也有所提高，是一种很有发展前途的实施方案。
4.2响应速度
防喷器的工作通常都要求具有快速响应的能力，这是防喷器正常工作的基本要求之一。影响响应速度的因素主要有两点:一是控制信号的传递速度，二是动力液的供给速度。前者可以通过电控的方法来解决，而后者关于高压大流量动力液的供给问题还有许多值得进一步探讨的内容。
五、结论
海洋石油开发正在由浅海向深海拓展，控制系统为了适应实际需要，正在由电液控制向多路电液控制转化，并进一步向分布式多路控制发展。同时，各种信号的采集处理和传送已直接影响着防喷器的控制性能，如何准确、可靠和实时地进行数据的处理还有待于进一步的研究
系统的控制和数据采集以及数据的处理和分析都可以通过微机来进行，从而提高以发现，采用多路电液控制系统可以大大改善系统的工作性能，但同时也由于附加功能和电子元件的增加，造成了成本的大幅度上升、另外，由于系统比较复杂，所以要求操作者具有丰富的液压和电子知识。
2.5分布式多碑.
二.立项的必要性及意义
目前关于深水防喷器组控制系统，其生产制造技术集中在少数外国公司手里，基本被其垄断。国外的防喷器产品主要有两种控制形式——液压控制和电液控制。液压控制系统成本低，工作可靠，防爆性能好，技术相对成熟，但响应时间比较长.目前多适用于近距离和浅水钻井防喷器控制。电液控制采用电源及电气控制元件和电传感元件，先导控制时间短，从而缩短了防喷器开、关所需的时间，适合于远距离控制。电液控制系统根据电信号的传输方式，可以划分成单路电液控制系统和多路电液控制系统。所谓的单路控制是指每一个水下电磁阀在平台控制柜上都有一个与其对应的独立的电信号传输路径。一个多芯的电缆可以提供多个信号传输路径，而电缆的铠装就作为通常的接地回路。如果水下的需求功能点特别多的话，就需要有足够多的电缆来传输控制信号。功能越多，控制电缆的直径越大，缠绕电缆的滚筒的直径就会越大，生产制造的成本也就越高。平台控制柜通过一根光缆或者通讯电缆来传输全部的控制信号。控制信号经过平台上的多路控制系统连续化和编码后.通过光缆或者电缆传输到水下控制箱.水下控制箱内的电子模块将控制新后进行解码，在功能执行前要将信息重新传递校验无误后。与单路电液控制系统相比，控制电缆或者光缆的数量减少许多，下放电缆的滚筒的体积也相应的减少，从而能节约一定的成本，此外多路控制系统的逻电液控制的优点如下：1响应速度快：电信号的传输时间几乎是一瞬间就可以完成的，而液压信号的传输则需数秒甚至数十秒，水深越深，电液控制系统可以节省的时间就越多。
2.2先导控制的液压控制系统
先导液压系统利用的是蓄能器中积聚的液体压力能，通过水面的控制信号驱动控制来实现各种功能。与直接液压式相比，大大地减少了控制液的体积，减少了控制液的流动压降，所以系统响应有了很大改进。据有关文献记载，虽然响应速度仍然受到水深的制约，但这种控制系统已经在水深5500英尺被应用了10年。
1.深水防喷器控制原理
深水防喷器(Deepwater BOP)的控制系统通常是一套复合电液控制系统(Multiplexed Electro-Hydraulic Control Sys-tem)。对海底控制系统的指令信号是由地面发出的，通过控制管缆传给水下控制系统。在水下控制系统中，此控制信号被解码、确认并执行。例如当需要防喷器封井时，水下控制单元接收到控制信号后进行解码处理。解码后的信号会使某电磁线圈通电，线圈向液压先导阀发出先导信号，该先导信号驱动相应的液压阀阀芯动作.储存的高压液体就推动防喷器动作实现密封。
3.4控制舱
控制闸是一个水下控制按纽，它既要接收水面上传来的控制信号和动力液，又要根据指令向下级执行机构发出指令驱功执行机构发生动作
四、当前海洋防喷器研制当中的几个问题
4.1信号传送
在控制防喷器工作的过程中，水面上的操作人员不仅要通过控制信号向水下设备发出指令，同时，还应能够及时了解水下设备的动作情况，这一点尤为重要。信号的传送都是通过管缆来实现的。传送的信号越多，则管缆的尺寸越大。管缆的尺寸和重量制约了海洋钻井的工作范围。由此可见，深人研究信号的传送问题，对海洋石油开发来说具有深远的意义。现场总线的开发为水下防喷器信号的传输提供了一种新的解决方案，是一个很有前途的研究方向。
但是，每一个控制阀都需要一个控制先导阀的液压信号，这就意味着需要大直径的多芯控制管缆。
2.3直接电液控制
相对于流体来说，电控的两个很明显的优势就是传输距离远、响应速度快。深水防喷器既需要远距离传输信号，又需要高响应速度。这种电液控制的最简单的方法是直接或单路控制。在这种控制方法中，每一个控制阀都有一个独立的电信号传输路径。在这种控制系统中，通常采用液压先导控制作为第二套控制方案。
目前陆地钻井由于控制距离不很远，国内仍普遍采用技术已较成熟的气一液控制方式，而国外现已大量采用电一液控制系统。对于海洋钻井，特别是深水钻井，电一液控制防喷器已成为首选方案，在世界范围内得到广泛应用。特别是随着海洋钻井不断向深水区拓展，深水防喷器控制系统的研制与开发受到了国内外的普遍关注
三.主要研究内容及关键技术
为了在降低成本技术风险的同时，获得最大利润，各大公司纷纷在多路控系统的基础上，研究了分布式电子体系结构。这种分布式体系结构已经被开发为智能化钻井的一部分，用于数据采集以及第二套控制系统中。
Expro Group系统所采用的通信体系结构中，允许在操作过程中根据控制和数据的模式，设置和修改数据的传输频率。这样，一些关键的数据，如建立起来的压力、控制流体的流量和体积等，在不同的操作步骤中能够被以合适的方式采集下来。
深水防喷器是深水钻井作业安全的关键设备，但在其控制系统的研制领域，目前国内尚处于空白。深水钻井是海洋石油勘探开发的发展趋势，而深水防喷器组是保证安全钻井的最关键的设备，其作用是在发生井喷、井涌时控制井口压力，在台风等紧急情况下撤离时关闭井口，保证人员、设备安全，避免海洋环境污染和油气资源破坏。由于深海抢险、逃生和救援极为困难，因此对深水防喷器组及其控制系统的技术性能和可靠性要求非常高。
3.3备用声控系统
现在，大多数深水钻井船都装备有声控系统，当由于线缆失效或液压供应管线失效而引起的主控制系统失灵时，作为紧急备用控制系统。这个系统功能与主控制系统是独立的，通常设置成能够进行3或4种紧急功能，如剪切闸板关闭，管线闸板关闭，闸板锁关闭和下段立管连接器打开。
声控系统比主液控或电液控制系统需要更长的响应时间，因此不适合作为主控系统，只适合于作为备用的控制系统。