張慶國， 陳艷東， 劉立兵， 匡 彪

(1. 昆明船舶設(shè)備研究試驗中心，昆明 650051；2. 河北華北石油榮盛機械制造有限公司，任丘 062552)

0 引 言

由于深海油井監(jiān)測環(huán)境惡劣且復(fù)雜，常規(guī)數(shù)據(jù)采集與傳輸難以可靠實現(xiàn)，使得數(shù)字化[1]、智能化[2]油井的建設(shè)成為最難實現(xiàn)的工程之一。深海油氣開發(fā)水下防噴器的主要作用是在發(fā)生溢流、井涌、井噴時控制井口壓力，保證人員、設(shè)備安全，避免海洋環(huán)境污染和油氣資源破壞，是半潛式鉆井平臺保證鉆井作業(yè)安全的最關(guān)鍵設(shè)備之一[3]。

目前，廣泛使用的水下防噴器緊急備用控制系統(tǒng)主要包括自動停機系統(tǒng)(deadman)、自動模式功能(automatic mains failure， AMF)、自動剪切系統(tǒng)(autoshear)、聲吶控制系統(tǒng)(acoustic control system)、ROV操控系統(tǒng)，以及緊急脫斷系統(tǒng)等[4]。其中聲吶控制系統(tǒng)是完全獨立于防噴器主控系統(tǒng)的緊急備用控制系統(tǒng)，當主控系統(tǒng)失效時仍可有效控制防噴器系統(tǒng)，避免重大事故的發(fā)生，并且具有脫離平臺遠程控制等優(yōu)勢，但同時也容易受現(xiàn)場環(huán)境噪聲、鉆井工況等因素的影響[5]。

1 需求分析

我國深海油氣開發(fā)起步較晚，現(xiàn)役設(shè)備老化、控制性能下降，水下防噴器緊急備用控制系統(tǒng)研制與使用遠落后于國際水平[3-6]。國內(nèi)大多數(shù)老舊鉆井平臺基本不配置，或者配備很少的緊急備用控制系統(tǒng)。國內(nèi)“海洋石油981”上配備的是Kongsberg公司的ACS433應(yīng)急聲吶控制系統(tǒng)[7]。該系統(tǒng)可在海底3 000 m水下使用，水下采用兩個水聲換能器進行冗余備份，輸出控制12個接口，輸入12個數(shù)字量反饋信號和7個模擬信號。另外，Kongsberg公司為了適應(yīng)更深水域的應(yīng)用，開發(fā)了ACS500防噴器應(yīng)急聲吶控制系統(tǒng)，采用更新的聲學通信技術(shù)，水下控制接口擴展至16個，應(yīng)用水深高達4 000 m。相比之下，國內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)研制信息較少，河北華北石油榮盛機械制造有限公司在防噴器組基礎(chǔ)上開展相關(guān)課題研究。

現(xiàn)役鉆井平臺配備的應(yīng)急聲吶控制系統(tǒng)為國外公司標準產(chǎn)品，多數(shù)主要應(yīng)用于應(yīng)急控制，部分產(chǎn)品具備回路測試功能(如美國Nautronix公司的NASeBOP系統(tǒng))，對水下井口狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)視與測量功能的支持不夠，甚至無法對用戶平臺或平臺附近使用的井口狀態(tài)信息進行實時動態(tài)監(jiān)測。另外，現(xiàn)役產(chǎn)品雖采用ROV等水下設(shè)備進行現(xiàn)場更換電池來增加連續(xù)工作時間，但更換時存在短時監(jiān)控失效的安全隱患。

綜上所述，深海油氣開發(fā)水下防噴器緊急備用控制系統(tǒng)是保障海洋油氣開發(fā)平臺安全工作的必要設(shè)備，而聲吶控制系統(tǒng)具有更好的獨立性和實用性，受到國內(nèi)外用戶的青睞。相較而言，國內(nèi)在水下防噴器緊急備用控制系統(tǒng)的整體設(shè)計和閥件制造上取得了一定進展，但與國外相比仍較為落后，存在明顯短板，也未見配套聲吶控制產(chǎn)品。因此，深海油氣開發(fā)水下鉆井信息的實時監(jiān)測與可靠遙控成為當前海洋鉆井平臺急需解決的關(guān)鍵問題之一。

2 系統(tǒng)方案

2.1 總體方案

深海油氣開發(fā)水下防噴器應(yīng)急聲吶監(jiān)控系統(tǒng)主要針對海洋油氣開發(fā)水下防噴器緊急備用監(jiān)控需求，結(jié)合國際相關(guān)標準(如API 16/17系列規(guī)則、DNV Drilling Plant等)要求，開展相關(guān)技術(shù)研究。為海洋鉆井井噴失控應(yīng)急搶險作業(yè)所需的遠程可靠遙控以及井口關(guān)鍵參數(shù)實時可視化監(jiān)視測量提供技術(shù)手段。

系統(tǒng)與水下防噴器(或稱“應(yīng)急封井裝置”)配套使用，安裝在深海井口的水下防噴器上，主要用于水下防噴器的緊急備用控制使用，同時也可作為井口部分狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)測。系統(tǒng)基本工作情況如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of system operation

系統(tǒng)在安裝結(jié)構(gòu)、水聲信號工作頻帶等方面與國外產(chǎn)品兼容，為后續(xù)多型鉆井平臺的直接替換、安裝與使用奠定了基礎(chǔ)?？紤]到水下井口特殊工作環(huán)境以及應(yīng)急封井裝置結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)水聲信號的遮擋等實際工作情況，水下單元的水下?lián)Q能器陣為雙備份結(jié)構(gòu)，分別安裝在水下應(yīng)急封井裝置的左右支架上，通過水密纜與聲吶電子艙連接。系統(tǒng)水下單元具體安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 水下單元安裝結(jié)構(gòu)Fig.2 installation structure of underwater unit

2.2 組成及原理

系統(tǒng)主要由水下單元和甲板單元兩部分組成，系統(tǒng)基本組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic diagram of system composition

如圖3所示，水下單元包含水下?lián)Q能器陣、聲吶電子艙、井口傳感器、水下可讀儀表、深度傳感器、水下電池、電磁閥DO回路等；甲板單元包含水面換能器水密艙、收放機構(gòu)、便攜式甲板安全箱等。聲吶電子艙內(nèi)集成有前放、模擬處理、數(shù)字處理、編碼發(fā)射機和內(nèi)部電池等，電子設(shè)備均采用冗余熱備設(shè)計方案，并且安裝獨立的內(nèi)部電池，與現(xiàn)場可更換水下電池共同實現(xiàn)雙備份供電功能。

水面換能器陣采用多陣元換能器陣結(jié)構(gòu)，結(jié)合水聲信號時頻編碼[8]加綜合分集等信號處理技術(shù)，實時將水下井口溫度/壓力等傳感信息數(shù)據(jù)進行聯(lián)合編碼，利用水聲遙測技術(shù)實時傳輸井口溫度/壓力傳感器等測量數(shù)據(jù)。同理，利用上述方法可實現(xiàn)用戶操控指令及時傳送至水下井口，完成及時可靠的遠程水聲遙控操作。系統(tǒng)原理如圖4所示。

深海油氣開發(fā)水下防噴器應(yīng)急聲吶監(jiān)控系統(tǒng)水下單元安裝在深海井口，存在封井裝置結(jié)構(gòu)物遮擋和現(xiàn)場工業(yè)噪聲干擾以及聲信號多途反射疊加等不利因素，對系統(tǒng)水聲遙測精度和遙控可靠性造成影響[8-9]。特別是當發(fā)生井噴時，井口的水下單元附近會存在噴射引起的振動沖擊噪聲，直接對系統(tǒng)水聲控制功能造成巨大影響，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失效。因此，需要在常規(guī)水聲工程基礎(chǔ)上充分考慮深海井口的實際工況，特別是特殊情況下的可靠性設(shè)計。

3 試驗測試

為了對系統(tǒng)功能及性能進行實際測試，在國內(nèi)某深水湖泊進行了系統(tǒng)功能及性能指標的實航測試，試驗測試結(jié)果如圖5所示。之后，在我國渤海附近進行了海上測試，測試結(jié)果如圖6所示。

圖5 湖上實航遙測數(shù)據(jù)曲線圖

圖6 海上實航遙測數(shù)據(jù)曲線圖

如圖5和圖6所示，湖上試驗中壓力及溫度為模擬數(shù)據(jù)，深度為實際測試數(shù)據(jù)；海上試驗為連接實際壓力、溫度、深度等傳感器數(shù)據(jù)，海上試驗水域為渤海某碼頭附近，且位于海邊淺水海域(水深為15.2 m)，存在較大的反射疊加等聲信號干擾影響，所測試深度數(shù)據(jù)誤碼較高(10-3)。分析其主要原因有兩個：

(1) 現(xiàn)場環(huán)境影響。試驗水域為碼頭內(nèi)部，水聲信號受近距離的碼頭水泥剛性壁反射疊加影響較大，且試驗水域旁有多臺大型水面機械正在施工，綜合噪聲較大。

(2) 測試方法受現(xiàn)場條件約束。系統(tǒng)實際測試中甲板單元和水下單元距離過近，甲板單元在碼頭吊放至水下2 m左右，距離水下單元為4～5 m，聲信號限幅嚴重。

系統(tǒng)主要應(yīng)用于深海垂直信道，利用水聲通信技術(shù)實現(xiàn)深海鉆井平臺與深海井口之間的應(yīng)急聲吶監(jiān)控。分析系統(tǒng)湖試及海試的情況，主要問題與不足如下：試驗環(huán)境與系統(tǒng)實際使用深海環(huán)境存在較大差異。深海垂直信道通常假設(shè)為單途徑、無畸變的理想水聲信道，而淺海信道多描述為多徑衰落信道。受試驗條件的限制，湖試只能到100 m左右深度，利用水平距離來測試系統(tǒng)主要功能；海上試驗水域為海邊某港口碼頭的附件，試驗水域深度只有15 m左右，且附近存在大量的工業(yè)噪聲及淺海多途疊加等干擾，雖然采取了時頻編碼[8-9]和分集技術(shù)[10]，但系統(tǒng)誤碼率在淺海測試中只能達到10-3左右，與深海環(huán)境下仿真10-5指標相差較大。

湖海測試均與系統(tǒng)實際使用環(huán)境不盡相同，但所測試數(shù)據(jù)仍能在一定程度上對系統(tǒng)功能和性能進行驗證，具有一定的實用性。

后續(xù)將完善系統(tǒng)在淺海條件下的性能，同時聯(lián)合應(yīng)急封井裝置進行實際深海測試，再進行深海信道的實際測試，在實際工況下對系統(tǒng)性能指標進行摸底測試，為后續(xù)系統(tǒng)改進與提高奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語

深海油氣開發(fā)水下防噴器應(yīng)急聲吶監(jiān)控系統(tǒng)完成工程樣機研制，并進行初步的湖海試驗測試，測試結(jié)果滿足主要技術(shù)指標要求，達到國際先進產(chǎn)品的性能，部分功能及指標甚至超過國外同類產(chǎn)品(如控制接口數(shù)量、水下電池壽命等)。與國外類似產(chǎn)品相比對的情況如表1所示。

綜上所述，深海油氣開發(fā)水下防噴器應(yīng)急聲吶監(jiān)控系統(tǒng)采用聲學脈沖信號綜合編解碼技術(shù)，在國外主導(dǎo)產(chǎn)品安裝結(jié)構(gòu)兼容的基礎(chǔ)上，在通用有限聲學頻帶內(nèi)實現(xiàn)高達24個接口的遠程水聲遙控以及井口多參數(shù)的實時遙測與顯示。為水下鉆井平臺，特別是深海鉆井平臺的應(yīng)急聲吶監(jiān)控提供技術(shù)支持和監(jiān)測手段，也為現(xiàn)役平臺裝備國產(chǎn)化提供可選方案和相應(yīng)技術(shù)支持。