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防噴器安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

文檔作者：李園園陳國(guó)明耿向忠文檔來(lái)源： 1．中國(guó)石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心 2．蘭州理工大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月08日
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2011年第4o卷
第12期第6頁(yè)
石油礦
0IL FlELD
場(chǎng)機(jī)械
EQUIPMENT 2011，40(12)：6～ 10
文章編號(hào)：1001-3482(2011)12 0006—05
防噴器安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析
李園園 ，陳國(guó)明 。耿向忠
(1．中國(guó)石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東東營(yíng)257061；2．蘭州理工大學(xué)，蘭州730050)
摘要：防噴器組作為海上鉆完井作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，可有效防止井涌、井噴等事故，對(duì)于保護(hù)人員、設(shè)
備、海洋環(huán)境和油氣資源免受慘重破壞和污染起到重要作用。根據(jù)功能安全國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，將防
噴器及其控制系統(tǒng)等看作一個(gè)廣義的安全儀表系統(tǒng)，分析該系統(tǒng)的安全儀表功能及各部分可能存
在的失效模式和冗余設(shè)置，可為防噴器的定量安全評(píng)估提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：防噴器；安全儀表系統(tǒng)；安全功能
中圖分類號(hào)：TE921．5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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
隨著石油開采向海洋進(jìn)軍，在經(jīng)歷過(guò)幾次大的
海洋石油開采事故之后，海洋石油生產(chǎn)安全越來(lái)越
受到關(guān)注-1]。安全儀表系統(tǒng)在保障平臺(tái)安全生產(chǎn)方
面發(fā)揮了重要作用，其本身的安全性受到各國(guó)的重
視，國(guó)內(nèi)外紛紛制定了相關(guān)的法律法規(guī)及對(duì)策措施
來(lái)保障安全儀表系統(tǒng)的安全，從而預(yù)防和控制事故
的發(fā)生。墨西哥灣“深水地平線”號(hào)鉆井平臺(tái)井噴
爆炸著火事故的調(diào)查結(jié)果顯示：事故發(fā)生后不斷
擴(kuò)大的一個(gè)重要的原因是安全防護(hù)措施失效，防
噴器膠芯刺漏和緊急關(guān)斷系統(tǒng)等多項(xiàng)安全系統(tǒng)同
時(shí)失效促進(jìn)了事故的后續(xù)發(fā)展，最終導(dǎo)致了事故
的嚴(yán)重后果。
海洋平臺(tái)石油開采中，防噴器及其控制系統(tǒng)對(duì)
預(yù)防井涌和井噴等危險(xiǎn)事故、保護(hù)人員和設(shè)備的安
全起了重要作用 ]，其可靠與否對(duì)于保護(hù)整個(gè)平臺(tái)
的安全都是至關(guān)重要的，因此很有必要展開防噴器
收稿日期：201卜06—15
基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(09CX05008A)
作者簡(jiǎn)介：李園園(1985一)，女，山東東營(yíng)人，碩士，主要從事海洋石油裝備安全完整性研究。
第4O卷第12期 李園園，等：防噴器安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析
及其控制系統(tǒng)的整體安全評(píng)估。防噴器及其控制系
統(tǒng)作為井控的重要裝置，具備特定的安全功能，可以
將其看作一個(gè)廣義的安全儀表系統(tǒng)。本文根據(jù)功能
安全標(biāo)準(zhǔn)的要求對(duì)其展開儀表功能和結(jié)構(gòu)分析，為
防噴器的定量安全評(píng)估提供分析基礎(chǔ)。
l 安全儀表功能分析
依據(jù)功能安全國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定及要求，防噴器
及其控制系統(tǒng)以及用于井涌、井噴檢測(cè)的設(shè)備設(shè)施
等可以組成一個(gè)龐大復(fù)雜的安全儀表系統(tǒng)(以下稱
為防噴器安全儀表系統(tǒng)) ]。防噴器安全儀表系統(tǒng)
的核心部件是防噴器組，在需要的情況下，通過(guò)對(duì)防
噴器組的控制關(guān)閉防噴器，以保護(hù)井口及平臺(tái)的安
全。因此，防噴器安全儀表系統(tǒng)的安全功能可根據(jù)
防噴器組的功能確定，而防噴器組的安全功能則要
考慮其組成部分的各個(gè)防噴器。
由于目前防噴器配置選型還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，
水下防噴器根據(jù)水深和工作海域的不同而有所不
同。防噴器的選配要根據(jù)地層壓力和工作環(huán)境條件
來(lái)確定，主要由環(huán)形防噴器和閘板防噴器組成。
1．1 環(huán)形防噴器
環(huán)形防噴器必須配備液壓控制系統(tǒng)才能使用，
可分為球形防噴器、錐形防噴器，通常與閘板防噴器
配套使用，也可單獨(dú)使用。主要功能包括：
1) 當(dāng)井內(nèi)有鉆桿、方鉆桿、鉆桿接頭、鉆鋌等
工具時(shí)，密封其與工具之間的環(huán)形區(qū)域。
2) 當(dāng)井內(nèi)無(wú)鉆具時(shí)，可短時(shí)間封閉整個(gè)井口，
但通常情況下不允許做長(zhǎng)時(shí)間關(guān)井用。
1．2 閘板防噴器
閘板防噴器是井控裝置的重要組成部分，可以
有效控制井口壓力，防止井噴事故的發(fā)生。閘板防
噴器按照閘板副數(shù)分為單閘板、雙閘板和三閘板防
噴器；按照閘板形狀可分為全封、半封、剪切和變徑
閘板防噴器。其主要功能包括：
1) 當(dāng)井內(nèi)無(wú)鉆具時(shí)，可封閉整個(gè)井口，又稱為
封零。
2) 井中有鉆具時(shí)，可使用半封閘板封閉環(huán)形
空間。
3) 緊急情況下，當(dāng)井內(nèi)有鉆具需要完全封井
時(shí)，可使用剪切閘板剪切鉆具。
由以上環(huán)形防噴器和閘板防噴器的主要功能，
歸結(jié)防噴器安全儀表系統(tǒng)的安全功能如下：
1) 井內(nèi)有鉆具時(shí)，可用于密封環(huán)形鉆柱區(qū)域。
2) 空井時(shí)密封整個(gè)井口。
3) 必要時(shí)切斷鉆具密封井口。
安全功能1)可以通過(guò)環(huán)形防噴器和管子閘板
防噴器來(lái)執(zhí)行；安全功能2)需要盲剪切閘板執(zhí)行封
井功能；安全功能3)在封井之前需要利用剪切閘板
切斷鉆具。安全功能2)和安全功能3)可以歸結(jié)為
一個(gè)功能，即封閉整個(gè)井口。
2 安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析
確定了防噴器安全儀表系統(tǒng)的安全功能之后，
接下來(lái)考慮執(zhí)行安全功能所涉及到的各個(gè)結(jié)構(gòu)與組
成部分。防噴器安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，主要由
檢測(cè)部分、控制部分、功能執(zhí)行部分以及輔助部分
組成。
? ? ? 一? ? J
輔助部分
圖1 防噴器安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2．1 檢測(cè)部分
檢測(cè)部分是指能夠檢測(cè)和預(yù)報(bào)井涌的儀器或設(shè)
備，主要是指鉆井多參數(shù)儀。鉆井多參數(shù)儀是系統(tǒng)
工作參數(shù)的集成儀表，有助于司鉆及時(shí)掌握鉆進(jìn)狀
態(tài)，保證鉆進(jìn)安全。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中。井眼和泥漿池是封
閉的循環(huán)系統(tǒng)，發(fā)生井涌井漏時(shí)，在人機(jī)接口上會(huì)有
所顯示，如鉆井液的性能及鉆井液數(shù)量會(huì)發(fā)生變化
等。鉆井工程參數(shù)與井噴密切相關(guān)，通過(guò)對(duì)這些參
數(shù)變化的監(jiān)測(cè)，便可預(yù)測(cè)井噴發(fā)生的可能性?？捎?
于識(shí)別和判斷井涌發(fā)生的信號(hào)主要有：鉆井液返出
量和鉆井液池體積增加、停泵后鉆井液外溢、起鉆時(shí)
灌不進(jìn)鉆井液或灌入量少于起出的鉆具體積、循環(huán)
系統(tǒng)壓力上升或下降、當(dāng)井底壓力失去平衡及鉆井
時(shí)懸重的變化、鉆井時(shí)放空或鉆入低壓層時(shí)會(huì)發(fā)生
井漏、出口鉆井液密度降低、出口鉆井液電導(dǎo)率升
高、返出的鉆井液中有油花氣泡等 ]。這些參數(shù)是
通過(guò)不同的傳感器探測(cè)并在人機(jī)界面上顯示，以便
操作員能夠隨時(shí)了解和掌握井底情況。
用于監(jiān)測(cè)上述井涌發(fā)生信號(hào)的傳感器如圖2所
石油礦場(chǎng)機(jī)械
示。這些傳感器都串聯(lián)在CAN總線上：。 ]，當(dāng)某處的
傳感器檢測(cè)到異常時(shí)，都會(huì)在司鉆操控面板和中央控
制板上顯示，司鉆需要作出合理的分析并采取相應(yīng)的
措施。在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，能夠警示發(fā)生井涌的信號(hào)不止
以上這些，這就要求司鉆或其他操作人員能夠正確分
析現(xiàn)場(chǎng)情況，熟悉鉆井工藝。
II s傳感器 u溫度傳感器 ?V1電導(dǎo)傳感器m口密度傳感器 泯漿池體移{傳感器
圖2 海洋鉆井多參數(shù)儀系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)分布
檢測(cè)部分的主要失效模式包括各個(gè)傳感器的單
獨(dú)失效、信號(hào)傳輸線(CAN總線)失效、脈沖失效、信
號(hào)輸入通道失效以及相互之問(wèn)的共因失效等，對(duì)于
不同參數(shù)的傳感器所采用的不同結(jié)構(gòu)(NooM)要分
別進(jìn)行分析評(píng)估。理論上講，只要以上傳感器或者
參數(shù)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)就要采取相應(yīng)的措施，但實(shí)際操作
中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合分析，在保證安全的情況下
應(yīng)盡量減少不必要的停車。
2．2 控制部分
控制部分實(shí)際上就是通常所講的防噴器控制系
統(tǒng)，主要包括司鉆控制臺(tái)、中央控制臺(tái)、輔助控制臺(tái)、
水下電子模塊(包括藍(lán)箱和黃箱)以及作為操作主體
的人。
水下防噴器控制系統(tǒng)主要有液～液先導(dǎo)控制系
統(tǒng)、電一液控制系統(tǒng)和多路電液控制系統(tǒng)。對(duì)控制系
統(tǒng)的選擇主要是依據(jù)其響應(yīng)時(shí)間來(lái)決定的，關(guān)閉閘
板防噴器的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)45 S，關(guān)閉環(huán)形防噴器的
時(shí)間不應(yīng)超過(guò)60 s。由于液壓先導(dǎo)控制信號(hào)在深水
中的傳輸時(shí)間比較長(zhǎng)，不能滿足關(guān)閉時(shí)間的要求，而
單路電液控制系統(tǒng)所需導(dǎo)線多，隨水深增加其系統(tǒng)
故障率比較高，因此，深水防噴器控制系統(tǒng)大都采用
多路電液控制系統(tǒng)。多路電液控制系統(tǒng)信號(hào)衰減
小，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，是目前深水防噴器控
制的最佳選擇 。控制部分的主要結(jié)構(gòu)如圖3
所示。
j鉆面板 }t央控制單元 隊(duì)長(zhǎng)面板
圖3 打開環(huán)形防噴器功能電液控制系統(tǒng)
檢測(cè)部分檢測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)輸送到中央控制系
統(tǒng)，通過(guò)中央處理模塊的處理后顯示在操作界面上，
第4O卷第l2期 李園園，等：防噴器安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析
同時(shí)在司鉆面板上顯示。司鉆或其他操作人員根據(jù)
面板上現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的顯示來(lái)分析和判斷井底情況，并
通過(guò)司鉆面板、中央控制面板和輔助面板(隊(duì)長(zhǎng)面
板)以loo3的形式進(jìn)行操作，即通過(guò)任何一個(gè)面板
都可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的操作。之后信號(hào)通過(guò)海底藍(lán)箱或
黃箱以[oo2的形式傳輸?shù)胶５纂娮幽K，海底電子
模塊的處理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼響應(yīng)后，將信號(hào)傳
至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
控制部分的主要失效模式包括面板顯示失效、
中央處理單元的失效、各面板之問(wèn)通訊失效、人員失
誤、輸出通道失效、脈沖失效、水上與水下電子模塊
通訊失效、水下電子模塊失效等。同時(shí)不能忽略各
相關(guān)模塊問(wèn)的共因失效。共因失效在防噴器控制系
統(tǒng)的失效中占有很重要的部分，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的冗余在
增加系統(tǒng)可靠性和可用性的同時(shí)也極大增加了系統(tǒng)
的共因失效概率，應(yīng)認(rèn)真分析系統(tǒng)的冗余帶來(lái)的可
靠性與增加冗余所引進(jìn)的失效之間的增減關(guān)系，合
理經(jīng)濟(jì)地配置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
操作人員是控制系統(tǒng)的一部分，在IEC標(biāo)準(zhǔn)中
要求當(dāng)人作為安全儀表系統(tǒng)的一部分時(shí)，其動(dòng)作的
可用性和可靠性應(yīng)在安全規(guī)范中加以規(guī)定，并包含
在SIS的評(píng)估計(jì)算中。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定當(dāng)操作員的動(dòng)作
需要經(jīng)過(guò)允許或者開鎖設(shè)施(為防止偶然的動(dòng)作而
配備的)才能執(zhí)行時(shí)，就可排除操作員失誤。本系統(tǒng)
中為防止操作員的失誤，當(dāng)需要執(zhí)行關(guān)閉防噴器動(dòng)
作時(shí)，操作員需要同時(shí)按住防噴器的關(guān)閉按鈕和電
源按鈕才能執(zhí)行相應(yīng)的關(guān)閉動(dòng)作，這就有效降低了
操作員的失誤。但該系統(tǒng)中操作員需要對(duì)鉆井參數(shù)
儀檢測(cè)到的井底異?；颥F(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的異常情況作出分
析判斷，因此人員失誤也應(yīng)包括在其中。因此，要求
操作人員必須是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格培訓(xùn)且持有相關(guān)的上崗
證件。
2．3 執(zhí)行部分
執(zhí)行部分主要是指封閉井口的防噴器及其控制
閥。深水防噴器組是由多個(gè)防噴器組成的，因此執(zhí)
行時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的鉆井進(jìn)度，采取不同的關(guān)井步驟，
關(guān)閉不同的防噴器。這是防噴器安全儀表系統(tǒng)有多
個(gè)安全功能的原因。
需要時(shí)，操作員需一手按住電源按鈕，另一手按
住所需關(guān)閉的防噴器的關(guān)閉按鈕，發(fā)出關(guān)閉某個(gè)防
噴器的命令，信號(hào)傳到水下控制防噴器的電磁閥，將
控制油路與防噴器的關(guān)閉腔接通，從而關(guān)閉防噴器。
執(zhí)行部分的失效主要指防噴器控制電磁閥和防
噴器自身的失效，以及不同的防噴器之間、防噴器控
制電磁閥之間的共因失效等。此部分不能簡(jiǎn)單地表
示為NooM 結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵诓煌那闆r下所需關(guān)閉的
防噴器類型及數(shù)量是不同的。應(yīng)根據(jù)實(shí)際安全功能
的需要來(lái)確定。同時(shí)每一個(gè)防噴器都有屬于自己的
一套控制系統(tǒng)，各個(gè)防噴器的控制信號(hào)都是通過(guò)藍(lán)
箱或黃箱控制，并以loo2冗余結(jié)構(gòu)來(lái)控制的。單個(gè)
防噴器的控制系統(tǒng)如圖4所示。
圖4 BOP控制系統(tǒng)
2．4 輔助部分
輔助部分主要指液壓動(dòng)力單元和電力系統(tǒng)，主
要包括液壓泵系統(tǒng)(主泵和輔助泵)、儲(chǔ)液罐、混液
罐、液壓控制管匯、水上 下蓄能器組、水上／下電池
組、液壓管線和電纜線等。由于該系統(tǒng)不屬于斷電
安全系統(tǒng)，所以應(yīng)將系統(tǒng)的各個(gè)輔助部分考慮在
SII (安全完整性等級(jí))評(píng)估范圍之內(nèi)。
輔助部分的失效主要是指各部件本身失效以及
各部件之間的通訊線路失效。原則上，在水上蓄能
器組和水上電池組都可用的情況下，首先使用水上
蓄能器組和水上電池組，特殊情況下啟動(dòng)水下部分。
但各個(gè)部分都可以獨(dú)立完成關(guān)閉全部防噴器的功
能，因此SIL評(píng)估時(shí)也可以看作是loo2結(jié)構(gòu)。
根據(jù)功能安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，安全儀表系統(tǒng)
由傳感器、邏輯控制器和最終執(zhí)行元件的任意組合
組成，但防噴器安全儀表系統(tǒng)不屬于故障一安全型，
要求其動(dòng)作時(shí)需要液壓動(dòng)力單元和電力系統(tǒng)的支持
才能完成相應(yīng)的功能，因此結(jié)構(gòu)分析及評(píng)估時(shí)需將
其考慮在內(nèi)，并將其作為一個(gè)單獨(dú)的部分存在。
利用風(fēng)險(xiǎn)圖法為防噴器安全儀表系統(tǒng)選擇安全
完整性水平為SII 3，而根據(jù)挪威石油工業(yè)的要求。
防噴器安全儀表系統(tǒng)的最低安全完整性水平為
SII 2，兩者是一致的。通過(guò)對(duì)海洋平臺(tái)防噴器安全
儀表系統(tǒng)的安全完整性評(píng)估，使其結(jié)構(gòu)配置和可靠
性達(dá)到最優(yōu)化水平。
2011年第4O卷
第l2期第10頁(yè)
石油礦
oIL n ELD
場(chǎng)機(jī)械
EQUIPMENT
文章編號(hào)：1001—3482(2011)12 0010—06
海底管道完整性管理技術(shù)
張秀林 ，謝麗婉。，陳國(guó)明
(1．中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司，廣東湛江524057；
2．中國(guó)石油大學(xué)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東東營(yíng)257061)
摘要：海底管道是海上油氣田的生命線，其運(yùn)行狀況直接關(guān)系到海上油氣輸送的安全。論述了完整
性管理技術(shù)與海底管道安全的邏輯關(guān)系；建立了海底管道完整性管理的體系框架；闡述了海底管道
完整性管理的6個(gè)環(huán)節(jié)和5個(gè)層次內(nèi)容；提出國(guó)內(nèi)海底管道完整性管理的研究重點(diǎn)。明確了開展
海底管道完整性管理工作的實(shí)施路徑，為我國(guó)海底管道完整性管理提供參考。
關(guān)鍵詞：海底管道；完整性管理；體系；完整性評(píng)價(jià)
中圖分類號(hào)：TE95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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 結(jié)語(yǔ)
防噴器安全儀表系統(tǒng)涉及到錄井、井控等多個(gè)
階段，包括多個(gè)龐大復(fù)雜的設(shè)備，對(duì)該系統(tǒng)的有效分
析和評(píng)價(jià)是保障海洋石油開采安全的重要內(nèi)容。展
開對(duì)該系統(tǒng)的定量安全評(píng)估可有效地優(yōu)化系統(tǒng)配置
和可靠性，并將對(duì)該系統(tǒng)安全問(wèn)題的關(guān)注貫穿于整
個(gè)生產(chǎn)階段，而不忽略任何環(huán)節(jié)，從而有效地預(yù)防和
控制事故的發(fā)生。
參考文獻(xiàn)：
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收稿日期：2011-06—14
基金項(xiàng)目：高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20060425506)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(09CX05008A)
作者簡(jiǎn)介：張秀林(1972一)，男，江蘇灌南人，工程師，主要從事海洋石油工程領(lǐng)域的技術(shù)工作，E—mail：zhangxll@ cnooc

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