海洋钻采防喷器组自动化系统设计(附件)
在本次设计中我广泛地查阅了多内外有关防喷器与海洋钻采方面的资料并认真借鉴了前辈专家们的设计经验，在此基础上制定了设计的整体方案。本设计说明书首先就各种防喷器结构、功能、工作原理、优缺点等方面进行了具体阐述。然后根据查阅的相关资料设计了防喷器组的具体组合布置，并就对海洋环境的特殊性进行分析，提出了材料与防腐蚀的有关方案。接着根据资料上的要求设计出了一套简单的电液控制系统，并根据系统与钻采的不同工况编辑了相应的PLC电气控制程序，实现了防喷器在井喷事故发生时可以自动关闭，及时保障钻井平台上工作人员的人身安全。于此同时，利用solidworks和AutoCAD完成了对防喷器组的三维建模与工程结构装配图，利用AutoCAD绘制了系统的电液控制原理图、PLC电气控制外部接线图、各工况的PLC程序梯形图。关键词 海洋钻采，防喷器，液压系统，PLC电气控制
目 录
1 引言 1
2 防喷器分类及其工作原理 3
2.1 闸板防喷器 4
2.2 环形（万能）防喷器 6
3 防喷器组的具体设计与选型 7
3.1 防喷器型号标准 7
3.2 防喷器压力级别的选择 8
3.3 各类防喷器的选型 9
3.4 防喷器的选配组合设计 10
3.5 材料选择 13
4 海洋防喷器组控制系统 13
4.1 井控一般程序（四七动作） 13
4.2 深水防喷器组的液压控制系统的设计 16
4.3 基于PLC的电气控制的设计 18
结论 26
致谢 27
参考文献 2
1 引言
随着我国经济的快速发展，人们对能源需求日益增长，国内陆上石油的开采早已供不应求，我国为了摆脱对国外进口能源的依赖，就务必及早找到新的能源战略支点。我国南海是我国的最大、最深的领海，据勘探结果显示，南海储存的油气资源及其丰富，整个南海的石油资源总储量达230~300亿吨之多，天然气储量达16万亿立方米，是我国油气总资源量的1/3。但是其中的百分之七十的资源蕴藏在153.7万平方公里的深海区域，因此若能开采并合理运用这些丰富的海洋 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
油气资源就能带动我国国内科技、工业、经济、民生的飞速发展。
近年来，我国的石油钻采设备制造业伴随着石油工业的发展取得了长足进步，以钻机、顶驱为代表的钻井机械技术已经接近国外先进水平，陆地钻井设备已经能够完全自给，深海钻井所需要水上设备绝大部分也已经能够自行设计制造。但是更高价值的深海防喷器组及其控制系统、水下井口及采油树等水下设备的技术空白还没有填补上，以至于远远落后于国外同行。深海防喷器组及其控制系统的技术性能和可靠性要求非常高，目前世界上仅有美国少数几家公司可以生产。海洋上环境极其复杂，工作条件恶劣，尤其是一旦发生事故救援作业开展起来将极其困难。因此对于海洋石油钻采行业来说防喷器组及其控制系统设计的合理性与可靠性将直接关系到钻采作业是否能顺利进行和工作人员的人身安全是否能得到应有的保障。该项技术一直是我国石油钻采行业的技术空白，目前我国海洋石油的钻采大多集中在浅水区，而对油气资源丰富的深海区的钻采工作却进展较少，由于我国深水防喷器的研制滞后性，导致我国在深海的钻采工作进行得十分困难。技术的滞后严重阻碍了我国想要进军深海的战略，因此对于我国科研团队来说攻克这道难题早已是迫在眉睫。
防喷器是阻止井喷，确保安全钻采的一道重要保护伞。在最近十年中，由于工作人员的疏于管理，监管人员的玩忽职守致使防喷器失效导致的灾难事故最出名的当属英国石油公司的墨西哥湾漏油事件。图1为救灾现场。
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图 1 墨西哥湾漏油事故救援现场
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图 2 漏油事故对生态造成了严重破坏
2010年4月20日晚10点左右，受雇于英国石油公司的深海钻井平台“深水地平线”号发生爆炸起火。该事件历时近三个月，于2010年7月15日成功罩住水下漏油点，整个事故宣布结束。在事后的英国石油公司的内部调查中显示，“深海地平线”号的防喷器曾经发生过失效的情况。该钻井平台装备着一套自动备用系统，这套系统本应该在工人未能启动防喷器时激活它，但当时也没有发挥作用。之后，英国石油公司又企图用水下机器人再次启动防喷器但依然未能奏效，防喷器的失效导致灾难恶性扩大。
此次事故在对环境的破坏上是灾难性的，原油泄漏范围超过了密西西比州和阿拉巴马州的海岸线总长。原油污染导致墨西哥湾沿岸1000英里的湿地和海滩被毁，渔业严重受损，许多物种濒临灭绝。图2为漏油事件对生态的严重破坏。
漏油事件导致的经济损失更是难以估量。据统计，截至2010年6月1日，泄露的原油约在1700万加仑到2700万加仑之间，这些原油可以盛满25到40个奥林匹克标准泳池。可怕的是每天的泄漏量在12000桶到19000桶之间。这些本应该用于造福于人类的宝贵资源却成了英国石油公司急于甩掉的累赘。英国石油公司表示，该公司为了应对此次漏油事故已经耗费了9.3亿美元，其中包括控制漏油措施和相关赔偿，此外对于英国石油公司及其股东也造成了极大的损失。
此次漏油事件也给我国的能源产业敲响了警钟，就此我想对我国石油钻采行业提出一些不成熟的建议：
我国政府的相关部门应该切实地制定好各能源生产领域的配套监管工作；
我国的制造企业及科研团队应继续加大对深海钻采技术核的研发和相关设备的研制的力度；
提高事故发生后的应急反应机制和处理技术的水平。
2 防喷器分类及其工作原理
由于地层中的有很多不确定因素，每一次的钻井作业都有可能发生井喷，这对钻采平台的防喷装置的可靠性及自动应急能力提出了很高要求。图3表示的是海洋防喷器在钻采作业中的位置，防喷器是最重要的关井装置，在钻井作业中一旦出现溢流、井涌、井喷等紧急状况，防喷器则应当迅速启动关井，在井内油气压力很高时，防喷器要有把井口封闭（关死）的能力。在闸板防喷器下要装一个管道四通，以便在从钻杆内压入重泥?浆时，可替换出受气侵的泥浆，从而增加井内液柱的压力，把高压油气封在井下。此时如果防喷器失效，将会导致井喷等恶性事故。因此，防喷器的设计是否合理将直接关系到开采进程是否顺利和工作人员的安全与否。
石油钻采行业中的防喷器大可分为两类：钻具内防喷器与钻具外防喷器。本设计主要考虑的对象是钻具外防喷器，常见的外防喷器有环形（万能）防喷器、闸板防喷器（单、双、三闸板防喷器）。
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图 3 深水钻井示意图[12]
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
2.1 闸板防喷器
2.1.1 结构介绍
首先以单闸板防喷器为例，介绍闸板防喷器的具体结构。其主要由壳体、油缸、活塞杆、活塞、锁紧轴、端盖、闸板等组成，如图4所示。其中闸板又可分为全封式、半封式、变径式、剪切式，可以适应不同状态下的封井。
目 录
1 引言 1
2 防喷器分类及其工作原理 3
2.1 闸板防喷器 4
2.2 环形（万能）防喷器 6
3 防喷器组的具体设计与选型 7
3.1 防喷器型号标准 7
3.2 防喷器压力级别的选择 8
3.3 各类防喷器的选型 9
3.4 防喷器的选配组合设计 10
3.5 材料选择 13
4 海洋防喷器组控制系统 13
4.1 井控一般程序（四七动作） 13
4.2 深水防喷器组的液压控制系统的设计 16
4.3 基于PLC的电气控制的设计 18
结论 26
致谢 27
参考文献 2
1 引言
随着我国经济的快速发展，人们对能源需求日益增长，国内陆上石油的开采早已供不应求，我国为了摆脱对国外进口能源的依赖，就务必及早找到新的能源战略支点。我国南海是我国的最大、最深的领海，据勘探结果显示，南海储存的油气资源及其丰富，整个南海的石油资源总储量达230~300亿吨之多，天然气储量达16万亿立方米，是我国油气总资源量的1/3。但是其中的百分之七十的资源蕴藏在153.7万平方公里的深海区域，因此若能开采并合理运用这些丰富的海洋 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
油气资源就能带动我国国内科技、工业、经济、民生的飞速发展。
近年来，我国的石油钻采设备制造业伴随着石油工业的发展取得了长足进步，以钻机、顶驱为代表的钻井机械技术已经接近国外先进水平，陆地钻井设备已经能够完全自给，深海钻井所需要水上设备绝大部分也已经能够自行设计制造。但是更高价值的深海防喷器组及其控制系统、水下井口及采油树等水下设备的技术空白还没有填补上，以至于远远落后于国外同行。深海防喷器组及其控制系统的技术性能和可靠性要求非常高，目前世界上仅有美国少数几家公司可以生产。海洋上环境极其复杂，工作条件恶劣，尤其是一旦发生事故救援作业开展起来将极其困难。因此对于海洋石油钻采行业来说防喷器组及其控制系统设计的合理性与可靠性将直接关系到钻采作业是否能顺利进行和工作人员的人身安全是否能得到应有的保障。该项技术一直是我国石油钻采行业的技术空白，目前我国海洋石油的钻采大多集中在浅水区，而对油气资源丰富的深海区的钻采工作却进展较少，由于我国深水防喷器的研制滞后性，导致我国在深海的钻采工作进行得十分困难。技术的滞后严重阻碍了我国想要进军深海的战略，因此对于我国科研团队来说攻克这道难题早已是迫在眉睫。
防喷器是阻止井喷，确保安全钻采的一道重要保护伞。在最近十年中，由于工作人员的疏于管理，监管人员的玩忽职守致使防喷器失效导致的灾难事故最出名的当属英国石油公司的墨西哥湾漏油事件。图1为救灾现场。
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图 1 墨西哥湾漏油事故救援现场
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图 2 漏油事故对生态造成了严重破坏
2010年4月20日晚10点左右，受雇于英国石油公司的深海钻井平台“深水地平线”号发生爆炸起火。该事件历时近三个月，于2010年7月15日成功罩住水下漏油点，整个事故宣布结束。在事后的英国石油公司的内部调查中显示，“深海地平线”号的防喷器曾经发生过失效的情况。该钻井平台装备着一套自动备用系统，这套系统本应该在工人未能启动防喷器时激活它，但当时也没有发挥作用。之后，英国石油公司又企图用水下机器人再次启动防喷器但依然未能奏效，防喷器的失效导致灾难恶性扩大。
此次事故在对环境的破坏上是灾难性的，原油泄漏范围超过了密西西比州和阿拉巴马州的海岸线总长。原油污染导致墨西哥湾沿岸1000英里的湿地和海滩被毁，渔业严重受损，许多物种濒临灭绝。图2为漏油事件对生态的严重破坏。
漏油事件导致的经济损失更是难以估量。据统计，截至2010年6月1日，泄露的原油约在1700万加仑到2700万加仑之间，这些原油可以盛满25到40个奥林匹克标准泳池。可怕的是每天的泄漏量在12000桶到19000桶之间。这些本应该用于造福于人类的宝贵资源却成了英国石油公司急于甩掉的累赘。英国石油公司表示，该公司为了应对此次漏油事故已经耗费了9.3亿美元，其中包括控制漏油措施和相关赔偿，此外对于英国石油公司及其股东也造成了极大的损失。
此次漏油事件也给我国的能源产业敲响了警钟，就此我想对我国石油钻采行业提出一些不成熟的建议：
我国政府的相关部门应该切实地制定好各能源生产领域的配套监管工作；
我国的制造企业及科研团队应继续加大对深海钻采技术核的研发和相关设备的研制的力度；
提高事故发生后的应急反应机制和处理技术的水平。
2 防喷器分类及其工作原理
由于地层中的有很多不确定因素，每一次的钻井作业都有可能发生井喷，这对钻采平台的防喷装置的可靠性及自动应急能力提出了很高要求。图3表示的是海洋防喷器在钻采作业中的位置，防喷器是最重要的关井装置，在钻井作业中一旦出现溢流、井涌、井喷等紧急状况，防喷器则应当迅速启动关井，在井内油气压力很高时，防喷器要有把井口封闭（关死）的能力。在闸板防喷器下要装一个管道四通，以便在从钻杆内压入重泥?浆时，可替换出受气侵的泥浆，从而增加井内液柱的压力，把高压油气封在井下。此时如果防喷器失效，将会导致井喷等恶性事故。因此，防喷器的设计是否合理将直接关系到开采进程是否顺利和工作人员的安全与否。
石油钻采行业中的防喷器大可分为两类：钻具内防喷器与钻具外防喷器。本设计主要考虑的对象是钻具外防喷器，常见的外防喷器有环形（万能）防喷器、闸板防喷器（单、双、三闸板防喷器）。
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图 3 深水钻井示意图[12]
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
2.1 闸板防喷器
2.1.1 结构介绍
首先以单闸板防喷器为例，介绍闸板防喷器的具体结构。其主要由壳体、油缸、活塞杆、活塞、锁紧轴、端盖、闸板等组成，如图4所示。其中闸板又可分为全封式、半封式、变径式、剪切式，可以适应不同状态下的封井。
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