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            防喷器安全仪表系统结构分析

            文档作者: 李园园 陈国明 耿向忠        文档来源: 1.中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心 2.兰州理工大学
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            2011年第4o卷 第12期第6页 石油矿 0IL FlELD 场机械 EQUIPMENT 2011,40(12):6~ 10 文章编号:1001-3482(2011)12 0006—05 防喷器安全仪表系统结构分析 李园园 ,陈国明 。耿向忠 (1.中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心,山东东营257061;2.兰州理工大学,兰州730050) 摘要:防喷器组作为海上钻完井作业的关键设备,可有效防止井涌、井喷等事故,对于?;と嗽?、设 备、海洋环境和油气资源免受惨重破坏和污染起到重要作用。根据功能安全国际标准的规定,将防 喷器及其控制系统等看作一个广义的安全仪表系统,分析该系统的安全仪表功能及各部分可能存 在的失效模式和冗余设置,可为防喷器的定量安全评估提供依据。 关键词:防喷器;安全仪表系统;安全功能 中图分类号:TE921.5 文献标识码:A Structure Analysis of BOP as Safety Instrumented System LI Yuan—yuan ,CHEN Guo—ming ,GENG Xiang—zhong (1.('.entre for Offshore Engineering and Safety Technology,China University of Petroleum, Dongying 257061,China;2.Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China) Abstract:As the key equipment of offshore drilling and completion work,BOPs can be used effec— tively to prevent the dangerous accidents,such as well kick and well blowout,and also play an im— portant role on protecting people,equipment,marine environment and oil and gas resources from heavy damage and pollution.On the view of the important role of BOPs on offshore o.1 exploita— tion,and according to the requirements of functional safety international standards.the BOP and its control system is treated as a safety instrumented system,and its safety instrumented function is analyzed.By dividing the system into testing section,control section,function execution section and the auxiliary section,an investigation is made on the possible failure mode and redundancy settings of each part.The analysis on the structure and function of BOP may be used to provide certain ideas and guidance for B0P quantitative evaluation. Key words:BOP;SIS;safety function 随着石油开采向海洋进军,在经历过几次大的 海洋石油开采事故之后,海洋石油生产安全越来越 受到关注-1]。安全仪表系统在保障平台安全生产方 面发挥了重要作用,其本身的安全性受到各国的重 视,国内外纷纷制定了相关的法律法规及对策措施 来保障安全仪表系统的安全,从而预防和控制事故 的发生。墨西哥湾“深水地平线”号钻井平台井喷 爆炸着火事故的调查结果显示:事故发生后不断 扩大的一个重要的原因是安全防护措施失效,防 喷器胶芯刺漏和紧急关断系统等多项安全系统同 时失效促进了事故的后续发展,最终导致了事故 的严重后果。 海洋平台石油开采中,防喷器及其控制系统对 预防井涌和井喷等危险事故、?;と嗽焙蜕璞傅陌?全起了重要作用 ],其可靠与否对于?;ふ銎教?的安全都是至关重要的,因此很有必要展开防喷器 收稿日期:201卜06—15 基金项目:中央高?;究蒲幸滴穹炎ㄏ钭式鹱手?09CX05008A) 作者简介:李园园(1985一),女,山东东营人,硕士,主要从事海洋石油装备安全完整性研究。 第4O卷第12期 李园园,等:防喷器安全仪表系统结构分析 及其控制系统的整体安全评估。防喷器及其控制系 统作为井控的重要装置,具备特定的安全功能,可以 将其看作一个广义的安全仪表系统。本文根据功能 安全标准的要求对其展开仪表功能和结构分析,为 防喷器的定量安全评估提供分析基础。 l 安全仪表功能分析 依据功能安全国际标准的规定及要求,防喷器 及其控制系统以及用于井涌、井喷检测的设备设施 等可以组成一个庞大复杂的安全仪表系统(以下称 为防喷器安全仪表系统) ]。防喷器安全仪表系统 的核心部件是防喷器组,在需要的情况下,通过对防 喷器组的控制关闭防喷器,以?;ぞ诩捌教ǖ陌?全。因此,防喷器安全仪表系统的安全功能可根据 防喷器组的功能确定,而防喷器组的安全功能则要 考虑其组成部分的各个防喷器。 由于目前防喷器配置选型还没有统一的标准, 水下防喷器根据水深和工作海域的不同而有所不 同。防喷器的选配要根据地层压力和工作环境条件 来确定,主要由环形防喷器和闸板防喷器组成。 1.1 环形防喷器 环形防喷器必须配备液压控制系统才能使用, 可分为球形防喷器、锥形防喷器,通常与闸板防喷器 配套使用,也可单独使用。主要功能包括: 1) 当井内有钻杆、方钻杆、钻杆接头、钻铤等 工具时,密封其与工具之间的环形区域。 2) 当井内无钻具时,可短时间封闭整个井口, 但通常情况下不允许做长时间关井用。 1.2 闸板防喷器 闸板防喷器是井控装置的重要组成部分,可以 有效控制井口压力,防止井喷事故的发生。闸板防 喷器按照闸板副数分为单闸板、双闸板和三闸板防 喷器;按照闸板形状可分为全封、半封、剪切和变径 闸板防喷器。其主要功能包括: 1) 当井内无钻具时,可封闭整个井口,又称为 封零。 2) 井中有钻具时,可使用半封闸板封闭环形 空间。 3) 紧急情况下,当井内有钻具需要完全封井 时,可使用剪切闸板剪切钻具。 由以上环形防喷器和闸板防喷器的主要功能, 归结防喷器安全仪表系统的安全功能如下: 1) 井内有钻具时,可用于密封环形钻柱区域。 2) 空井时密封整个井口。 3) 必要时切断钻具密封井口。 安全功能1)可以通过环形防喷器和管子闸板 防喷器来执行;安全功能2)需要盲剪切闸板执行封 井功能;安全功能3)在封井之前需要利用剪切闸板 切断钻具。安全功能2)和安全功能3)可以归结为 一个功能,即封闭整个井口。 2 安全仪表系统结构分析 确定了防喷器安全仪表系统的安全功能之后, 接下来考虑执行安全功能所涉及到的各个结构与组 成部分。防喷器安全仪表系统结构如图1,主要由 检测部分、控制部分、功能执行部分以及辅助部分 组成。 ? ? ? 一? ? J 辅助部分 图1 防喷器安全仪表系统结构 2.1 检测部分 检测部分是指能够检测和预报井涌的仪器或设 备,主要是指钻井多参数仪。钻井多参数仪是系统 工作参数的集成仪表,有助于司钻及时掌握钻进状 态,保证钻进安全。现场作业中。井眼和泥浆池是封 闭的循环系统,发生井涌井漏时,在人机接口上会有 所显示,如钻井液的性能及钻井液数量会发生变化 等。钻井工程参数与井喷密切相关,通过对这些参 数变化的监测,便可预测井喷发生的可能性??捎?于识别和判断井涌发生的信号主要有:钻井液返出 量和钻井液池体积增加、停泵后钻井液外溢、起钻时 灌不进钻井液或灌入量少于起出的钻具体积、循环 系统压力上升或下降、当井底压力失去平衡及钻井 时悬重的变化、钻井时放空或钻入低压层时会发生 井漏、出口钻井液密度降低、出口钻井液电导率升 高、返出的钻井液中有油花气泡等 ]。这些参数是 通过不同的传感器探测并在人机界面上显示,以便 操作员能够随时了解和掌握井底情况。 用于监测上述井涌发生信号的传感器如图2所 石油矿场机械 示。这些传感器都串联在CAN总线上:。 ],当某处的 传感器检测到异常时,都会在司钻操控面板和中央控 制板上显示,司钻需要作出合理的分析并采取相应的 措施。在现场作业中,能够警示发生井涌的信号不止 以上这些,这就要求司钻或其他操作人员能够正确分 析现场情况,熟悉钻井工艺。 II s传感器 u温度传感器 ?V1电导传感器m口密度传感器 泯浆池体移{传感器 图2 海洋钻井多参数仪系统现场分布 检测部分的主要失效模式包括各个传感器的单 独失效、信号传输线(CAN总线)失效、脉冲失效、信 号输入通道失效以及相互之问的共因失效等,对于 不同参数的传感器所采用的不同结构(NooM)要分 别进行分析评估。理论上讲,只要以上传感器或者 参数发现异常时就要采取相应的措施,但实际操作 中,应根据实际情况综合分析,在保证安全的情况下 应尽量减少不必要的停车。 2.2 控制部分 控制部分实际上就是通常所讲的防喷器控制系 统,主要包括司钻控制台、中央控制台、辅助控制台、 水下电子???包括蓝箱和黄箱)以及作为操作主体 的人。 水下防喷器控制系统主要有液~液先导控制系 统、电一液控制系统和多路电液控制系统。对控制系 统的选择主要是依据其响应时间来决定的,关闭闸 板防喷器的时间不应超过45 S,关闭环形防喷器的 时间不应超过60 s。由于液压先导控制信号在深水 中的传输时间比较长,不能满足关闭时间的要求,而 单路电液控制系统所需导线多,随水深增加其系统 故障率比较高,因此,深水防喷器控制系统大都采用 多路电液控制系统。多路电液控制系统信号衰减 小,抗干扰能力强,可靠性高,是目前深水防喷器控 制的最佳选择 ??刂撇糠值闹饕峁谷缤? 所示。 j钻面板 }t央控制单元 队长面板 图3 打开环形防喷器功能电液控制系统 检测部分检测到的现场信号输送到中央控制系 统,通过中央处理??榈拇砗笙允驹诓僮鹘缑嫔?, 第4O卷第l2期 李园园,等:防喷器安全仪表系统结构分析 同时在司钻面板上显示。司钻或其他操作人员根据 面板上现场参数的显示来分析和判断井底情况,并 通过司钻面板、中央控制面板和辅助面板(队长面 板)以loo3的形式进行操作,即通过任何一个面板 都可实现对现场的操作。之后信号通过海底蓝箱或 黄箱以[oo2的形式传输到海底电子???,海底电子 ??榈拇砟?槎孕藕沤薪饴胂煊?,将信号传 至执行机构。 控制部分的主要失效模式包括面板显示失效、 中央处理单元的失效、各面板之问通讯失效、人员失 误、输出通道失效、脉冲失效、水上与水下电子???通讯失效、水下电子??槭У?。同时不能忽略各 相关??槲实墓惨蚴?。共因失效在防喷器控制系 统的失效中占有很重要的部分,因为结构的冗余在 增加系统可靠性和可用性的同时也极大增加了系统 的共因失效概率,应认真分析系统的冗余带来的可 靠性与增加冗余所引进的失效之间的增减关系,合 理经济地配置控制系统结构。 操作人员是控制系统的一部分,在IEC标准中 要求当人作为安全仪表系统的一部分时,其动作的 可用性和可靠性应在安全规范中加以规定,并包含 在SIS的评估计算中。标准中规定当操作员的动作 需要经过允许或者开锁设施(为防止偶然的动作而 配备的)才能执行时,就可排除操作员失误。本系统 中为防止操作员的失误,当需要执行关闭防喷器动 作时,操作员需要同时按住防喷器的关闭按钮和电 源按钮才能执行相应的关闭动作,这就有效降低了 操作员的失误。但该系统中操作员需要对钻井参数 仪检测到的井底异?;蛳殖〕鱿值囊斐G榭鲎鞒龇?析判断,因此人员失误也应包括在其中。因此,要求 操作人员必须是经过严格培训且持有相关的上岗 证件。 2.3 执行部分 执行部分主要是指封闭井口的防喷器及其控制 阀。深水防喷器组是由多个防喷器组成的,因此执 行时应根据不同的钻井进度,采取不同的关井步骤, 关闭不同的防喷器。这是防喷器安全仪表系统有多 个安全功能的原因。 需要时,操作员需一手按住电源按钮,另一手按 住所需关闭的防喷器的关闭按钮,发出关闭某个防 喷器的命令,信号传到水下控制防喷器的电磁阀,将 控制油路与防喷器的关闭腔接通,从而关闭防喷器。 执行部分的失效主要指防喷器控制电磁阀和防 喷器自身的失效,以及不同的防喷器之间、防喷器控 制电磁阀之间的共因失效等。此部分不能简单地表 示为NooM 结构,因为在不同的情况下所需关闭的 防喷器类型及数量是不同的。应根据实际安全功能 的需要来确定。同时每一个防喷器都有属于自己的 一套控制系统,各个防喷器的控制信号都是通过蓝 箱或黄箱控制,并以loo2冗余结构来控制的。单个 防喷器的控制系统如图4所示。 图4 BOP控制系统 2.4 辅助部分 辅助部分主要指液压动力单元和电力系统,主 要包括液压泵系统(主泵和辅助泵)、储液罐、混液 罐、液压控制管汇、水上 下蓄能器组、水上/下电池 组、液压管线和电缆线等。由于该系统不属于断电 安全系统,所以应将系统的各个辅助部分考虑在 SII (安全完整性等级)评估范围之内。 辅助部分的失效主要是指各部件本身失效以及 各部件之间的通讯线路失效。原则上,在水上蓄能 器组和水上电池组都可用的情况下,首先使用水上 蓄能器组和水上电池组,特殊情况下启动水下部分。 但各个部分都可以独立完成关闭全部防喷器的功 能,因此SIL评估时也可以看作是loo2结构。 根据功能安全相关标准的要求,安全仪表系统 由传感器、逻辑控制器和最终执行元件的任意组合 组成,但防喷器安全仪表系统不属于故障一安全型, 要求其动作时需要液压动力单元和电力系统的支持 才能完成相应的功能,因此结构分析及评估时需将 其考虑在内,并将其作为一个单独的部分存在。 利用风险图法为防喷器安全仪表系统选择安全 完整性水平为SII 3,而根据挪威石油工业的要求。 防喷器安全仪表系统的最低安全完整性水平为 SII 2,两者是一致的。通过对海洋平台防喷器安全 仪表系统的安全完整性评估,使其结构配置和可靠 性达到最优化水平。 2011年第4O卷 第l2期第10页 石油矿 oIL n ELD 场机械 EQUIPMENT 文章编号:1001—3482(2011)12 0010—06 海底管道完整性管理技术 张秀林 ,谢丽婉。,陈国明 (1.中海石油(中国)有限公司湛江分公司,广东湛江524057; 2.中国石油大学海洋油气装备与安全技术研究中心,山东东营257061) 摘要:海底管道是海上油气田的生命线,其运行状况直接关系到海上油气输送的安全。论述了完整 性管理技术与海底管道安全的逻辑关系;建立了海底管道完整性管理的体系框架;阐述了海底管道 完整性管理的6个环节和5个层次内容;提出国内海底管道完整性管理的研究重点。明确了开展 海底管道完整性管理工作的实施路径,为我国海底管道完整性管理提供参考。 关键词:海底管道;完整性管理;体系;完整性评价 中图分类号:TE95 文献标识码:A Integrity M anagement Technique for Submarine Pipeline ZHANG Xiu—lin 。XIE Li—wan ,CH EN Guo—ming (1.Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd.,Zhanjiang 524057,China;2.Centre for Oyfshore Engineering and S&}ety Technology,China University of Petroleum,Dongying 257061,China) Abstract:Submarine pipeline is the lifeblood of offshore oil and gas fields and its operation is di reetly related to the safety of offshore oil and gas transportation.Compared with land pipelines, 3 结语 防喷器安全仪表系统涉及到录井、井控等多个 阶段,包括多个庞大复杂的设备,对该系统的有效分 析和评价是保障海洋石油开采安全的重要内容。展 开对该系统的定量安全评估可有效地优化系统配置 和可靠性,并将对该系统安全问题的关注贯穿于整 个生产阶段,而不忽略任何环节,从而有效地预防和 控制事故的发生。 参考文献: [1I 赵洪山,刘新华,白立业.深水海洋石油钻井装备发展 现状[J].石油矿场机械,2010,39(5):68—74. [2] 肖力彤,宋振华,郑泳,等.Cameron结构的防喷器壳 体有限元分析[J].石油矿场机械,2010,39(2):38 40. [3] 王锡洲,付玉坤,朱海燕,等.闸板防喷器胶芯密封及损 坏机理分析[J].石油矿场机械,2010,39(2):16~18. [4] 王存新,李嗣贵,王增国.深水钻井水下防喷器组配置 选型研究[J].石油矿场机械,2009,38(2):72—75. Es] ANSI/ISA 84.O1 1996。Application of Safety Instru mented Systems for the Process Industries[S]. [6] IEC61508-2000,Functional safety of electrical/electron ic/programmable electronic safety-related systems[s]. [7] 宋树涛.钻井多参数仪的发展现状及趋势[J].中国仪 器仪表,2003(6):1 4. [8] 邓忠彬,王涛,王幼平.海洋钻井多参数仪系统设计 研究I-J].石油矿场机械,2010,39(7):54—59. [9] 牛文鉴,李砚藻.井涌井漏实时预测策略研究[J].国外 地质勘探技术,1996(2):29—33. [1O] 段明星,李明亮,陈瑞峰,等.深水防喷器系统可靠性 探讨[J].中国造船,2010,51(增刊2):297—301. 收稿日期:2011-06—14 基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金(20060425506);中央高?;究蒲幸滴穹炎ㄏ钭式鹣钅?09CX05008A) 作者简介:张秀林(1972一),男,江苏灌南人,工程师,主要从事海洋石油工程领域的技术工作,E—mail:zhangxll@ cnooc
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