海洋石油钻井平台防喷器自动控制系统设计(附件)
一旦在海上发生事故，救援，疏散和救援会变得非常困难，因此要求防喷器组及控制系统具有极高的安全性和可靠性。国内在深水防喷器组控制系统方面的研究基本上还是一片空白，远远落后国外。本篇论文借鉴了国外的先进控制系统技术和国内成熟的陆地防喷器技术，设计了深水防喷器组控制系统的液压原理图，并根据液压原理图设计了基于PLC可编程控制器的深水防喷器组自动控制系统。本文介绍了深水防喷器的机械结构，然后概述了关井喷事件的基本程序。接着根据 API16D 标准，详细的设计了自动控制系统。然后借助西门子S7-300对深水防喷器自动控制系统进行仿真研究。由仿真结果得出，水下防喷器组自动控制系统能够在 API 规定的时间内，完成防喷器的关闭动作。关键词 深水防喷器组，液压控制系统，PLC可编程控制器目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 小结 3
2 深水防喷器以及井控方式 4
2.1 深水防喷器特征 4
2.2 井控操作程序 5
2.3 小结 7
3 深水防喷器组液压控制系统及PLC控制系统设计 8
3.1 深水防喷器组PLC控制系统下的液压系统设计 8
3.2 深水防喷器组PLC控制系统设计 9
结论 52
致谢 53
参考文献 54
1 绪论
1.1 引言
据中国石油协会发布的一份研究报告预测，2010年至2015年，中国经济将进入新一轮周期性上升阶段，从而拉动石油需求的快速增长。在未来五年的预期，石油需求将增长4.9％，2015年需求量将达到5.3亿吨增长。近年来，中国的原油产量稳定在1.9亿吨，同比增长只有200万到300万吨。未来的石油需求几乎都依赖进口，石油和天然气资源的短缺已成为制约国民经济发展的一个重要因素。目前，中国的油气开发集中在陆地和浅海水域，勘探难度大，更难以增加产量。中国的南海的石油和天然气资源非常丰富，据估计高达400万吨，其中深水储量占70％左右，是全国四大海洋油气聚集地之一。中国的南海石油资源在世界上被称为中心“第二个波斯湾”。现在中国南海周边的一些东南亚
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
9亿吨，同比增长只有200万到300万吨。未来的石油需求几乎都依赖进口，石油和天然气资源的短缺已成为制约国民经济发展的一个重要因素。目前，中国的油气开发集中在陆地和浅海水域，勘探难度大，更难以增加产量。中国的南海的石油和天然气资源非常丰富，据估计高达400万吨，其中深水储量占70％左右，是全国四大海洋油气聚集地之一。中国的南海石油资源在世界上被称为中心“第二个波斯湾”。现在中国南海周边的一些东南亚国家和西方石油公司正在开发中国南海深水油气，年产量超过50万吨，而中国在南海深水石油勘探和开发基本上是空白。为了加快努力开发中国南海的石油和天然气资源，中国已将南海深水油气勘探开发作为“十一五“能源开发重要的战略决策。
图1-1 深水钻井示意图
1-钻井船 2-隔水管 3-水下控制箱 4-环形防喷器 5-闸板防喷器
深水防喷器组在海洋勘探和深水钻井作业中是最为重要的，以确保深水钻井最为关键的安全装备。深水防喷器在钻井作业的布局如图1-1所示，它的主要作用是在发生井喷时，快速控制井口压力；在遇到台风等紧急情况时迅速关闭井口保证人员和钻井设备安全和防止海洋污染及石油和天然气资源的破坏。由于深海抢险，救援和疏散是非常困难的，所以深水防喷器及控制系统的可靠性和技术性能是非常高的，只有美国等世界上少数几家企业能够生产，在市场和技术相关领域处于绝对垄断地位，相关产品是非常昂贵的以不能满足中国在南海深水油气勘探开发上的需求。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
美国从1950年就开始研制生产水下防喷器组，随着70年代浮式钻井设备的快速发展，水下防喷器组技术也得到了飞速的发展，尤其是在80年代后期达到高峰，成功开发了18.75英寸直径，工作压力1.5mpsi的水下防喷器组;海德里公司研制出深水钻井GX型环形防喷器，其中控制系统采用声辅助控制单元，最大工作深度高达6000英尺的液压或电动/液压控制系统;谢弗公司研制出NXT型闸板防喷器，其中采用无螺栓侧门，迅速更换门;卡梅隆公司推出TL水下闸板防喷器，结构紧凑，重量轻;现在深水控制系统的发展趋势是采用电气液压控制方式，将电信号传输和PLC可编程控制器控制结合在一起，设有水下遥控机器人辅助控制，其最大工作水深达到10000英尺。
就在近几年，深水油气勘探已成为海洋油气勘探的重点，悬浮式钻井设备的制造速度迅速加快，深水防喷器组控制技术迅速发展。
目前美国在深水防喷器组和控制系统的主要制造生产商有谢弗、卡梅隆等公司，它们的生产历史悠久，制造工艺先进，研发能力强，在市场上及技术一直处于垄断地位。
1.2.2 国内研究现状
随着中国石油工业的发展，石油钻采设备制造商已经取得了不小进展，在顶驱钻机和钻井机械技术方面已非常接近国外先进水平，深水钻井钻探设备除了升沉补偿器已经能够自主设计和制造。但深水防喷器组及其深水防喷器控制系统基本上还处于空白阶段，远远落后于国外。
1970年，上海海洋地质调查局、上海大隆机器厂等单位就一部分水下钻探设备展开联合开发研制，并在“探索一号”钻井船上开始应用，其工作水深是30-100米，防喷器组直径是346毫米，液压系统工作压力为15Mpa。由于水下防喷器及其控制系统研究风险大，投入多，此后，国家在这方面长期没有涉，研究一直停滞不前。
直到2000年中国北方石油荣盛公司承担了原国家经贸委颁发的国家重大技术装备创新研究项目“海上石油钻井成套井控设备”成功研制出剪切闸板，广泛变径闸板，F35-105超高压防喷油压式锁紧装置的关键单元和其他主要产品。这些产品和技术主要应用在自升式钻井平台上，它也可以被应用到水下防喷器组。
1.3 小结
目前，深水防喷器控制系统主要依赖于国外技术，开发出专用的深水防喷器控制系统不仅可以打破国外产品，技术和市场的垄断，国家还可以节约大量的采购资金，以弥补国内水下海上石油勘探设备的空白，以提高中国的石油钻井设备在国际市场上的技术水平和竞争力。
本课题的主要内容是：
（1）查阅国外防喷器组以及防喷器控制系统的相关文献，了解学习国外先进的技术；
（2）根据系统的图纸要求，制定海洋防喷器的液压系统设计方案；
（3）选择合理的设计方案，开展防喷器的液压系统设计、PLC编程工作过程模拟。
2 深水防喷器以及井控方式
2.1 深水防喷器特征
井喷是地层流体无法获得控制从井眼迅速涌入的现象。在钻探过程中，发生井喷是最严重的事故。岩层和井眼压力系统失去平衡是造成的溢出和井喷的最主要原因。为了保持系统平衡地层喝井孔压力，钻井液柱压力应比孔隙压力稍大，以防止地层流体侵入井孔。当发生井喷时，应采用先进的控制设备来控制井喷。
图 2-1 典型的水下防喷器组
1-挠性接头；2-上环形防喷器；3
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 小结 3
2 深水防喷器以及井控方式 4
2.1 深水防喷器特征 4
2.2 井控操作程序 5
2.3 小结 7
3 深水防喷器组液压控制系统及PLC控制系统设计 8
3.1 深水防喷器组PLC控制系统下的液压系统设计 8
3.2 深水防喷器组PLC控制系统设计 9
结论 52
致谢 53
参考文献 54
1 绪论
1.1 引言
据中国石油协会发布的一份研究报告预测，2010年至2015年，中国经济将进入新一轮周期性上升阶段，从而拉动石油需求的快速增长。在未来五年的预期，石油需求将增长4.9％，2015年需求量将达到5.3亿吨增长。近年来，中国的原油产量稳定在1.9亿吨，同比增长只有200万到300万吨。未来的石油需求几乎都依赖进口，石油和天然气资源的短缺已成为制约国民经济发展的一个重要因素。目前，中国的油气开发集中在陆地和浅海水域，勘探难度大，更难以增加产量。中国的南海的石油和天然气资源非常丰富，据估计高达400万吨，其中深水储量占70％左右，是全国四大海洋油气聚集地之一。中国的南海石油资源在世界上被称为中心“第二个波斯湾”。现在中国南海周边的一些东南亚
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
9亿吨，同比增长只有200万到300万吨。未来的石油需求几乎都依赖进口，石油和天然气资源的短缺已成为制约国民经济发展的一个重要因素。目前，中国的油气开发集中在陆地和浅海水域，勘探难度大，更难以增加产量。中国的南海的石油和天然气资源非常丰富，据估计高达400万吨，其中深水储量占70％左右，是全国四大海洋油气聚集地之一。中国的南海石油资源在世界上被称为中心“第二个波斯湾”。现在中国南海周边的一些东南亚国家和西方石油公司正在开发中国南海深水油气，年产量超过50万吨，而中国在南海深水石油勘探和开发基本上是空白。为了加快努力开发中国南海的石油和天然气资源，中国已将南海深水油气勘探开发作为“十一五“能源开发重要的战略决策。
图1-1 深水钻井示意图
1-钻井船 2-隔水管 3-水下控制箱 4-环形防喷器 5-闸板防喷器
深水防喷器组在海洋勘探和深水钻井作业中是最为重要的，以确保深水钻井最为关键的安全装备。深水防喷器在钻井作业的布局如图1-1所示，它的主要作用是在发生井喷时，快速控制井口压力；在遇到台风等紧急情况时迅速关闭井口保证人员和钻井设备安全和防止海洋污染及石油和天然气资源的破坏。由于深海抢险，救援和疏散是非常困难的，所以深水防喷器及控制系统的可靠性和技术性能是非常高的，只有美国等世界上少数几家企业能够生产，在市场和技术相关领域处于绝对垄断地位，相关产品是非常昂贵的以不能满足中国在南海深水油气勘探开发上的需求。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
美国从1950年就开始研制生产水下防喷器组，随着70年代浮式钻井设备的快速发展，水下防喷器组技术也得到了飞速的发展，尤其是在80年代后期达到高峰，成功开发了18.75英寸直径，工作压力1.5mpsi的水下防喷器组;海德里公司研制出深水钻井GX型环形防喷器，其中控制系统采用声辅助控制单元，最大工作深度高达6000英尺的液压或电动/液压控制系统;谢弗公司研制出NXT型闸板防喷器，其中采用无螺栓侧门，迅速更换门;卡梅隆公司推出TL水下闸板防喷器，结构紧凑，重量轻;现在深水控制系统的发展趋势是采用电气液压控制方式，将电信号传输和PLC可编程控制器控制结合在一起，设有水下遥控机器人辅助控制，其最大工作水深达到10000英尺。
就在近几年，深水油气勘探已成为海洋油气勘探的重点，悬浮式钻井设备的制造速度迅速加快，深水防喷器组控制技术迅速发展。
目前美国在深水防喷器组和控制系统的主要制造生产商有谢弗、卡梅隆等公司，它们的生产历史悠久，制造工艺先进，研发能力强，在市场上及技术一直处于垄断地位。
1.2.2 国内研究现状
随着中国石油工业的发展，石油钻采设备制造商已经取得了不小进展，在顶驱钻机和钻井机械技术方面已非常接近国外先进水平，深水钻井钻探设备除了升沉补偿器已经能够自主设计和制造。但深水防喷器组及其深水防喷器控制系统基本上还处于空白阶段，远远落后于国外。
1970年，上海海洋地质调查局、上海大隆机器厂等单位就一部分水下钻探设备展开联合开发研制，并在“探索一号”钻井船上开始应用，其工作水深是30-100米，防喷器组直径是346毫米，液压系统工作压力为15Mpa。由于水下防喷器及其控制系统研究风险大，投入多，此后，国家在这方面长期没有涉，研究一直停滞不前。
直到2000年中国北方石油荣盛公司承担了原国家经贸委颁发的国家重大技术装备创新研究项目“海上石油钻井成套井控设备”成功研制出剪切闸板，广泛变径闸板，F35-105超高压防喷油压式锁紧装置的关键单元和其他主要产品。这些产品和技术主要应用在自升式钻井平台上，它也可以被应用到水下防喷器组。
1.3 小结
目前，深水防喷器控制系统主要依赖于国外技术，开发出专用的深水防喷器控制系统不仅可以打破国外产品，技术和市场的垄断，国家还可以节约大量的采购资金，以弥补国内水下海上石油勘探设备的空白，以提高中国的石油钻井设备在国际市场上的技术水平和竞争力。
本课题的主要内容是：
（1）查阅国外防喷器组以及防喷器控制系统的相关文献，了解学习国外先进的技术；
（2）根据系统的图纸要求，制定海洋防喷器的液压系统设计方案；
（3）选择合理的设计方案，开展防喷器的液压系统设计、PLC编程工作过程模拟。
2 深水防喷器以及井控方式
2.1 深水防喷器特征
井喷是地层流体无法获得控制从井眼迅速涌入的现象。在钻探过程中，发生井喷是最严重的事故。岩层和井眼压力系统失去平衡是造成的溢出和井喷的最主要原因。为了保持系统平衡地层喝井孔压力，钻井液柱压力应比孔隙压力稍大，以防止地层流体侵入井孔。当发生井喷时，应采用先进的控制设备来控制井喷。
图 2-1 典型的水下防喷器组
1-挠性接头；2-上环形防喷器；3
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/jdgc/1566.html
