摘要：本文介绍了国外主要石油服务公司Schlumberger、NOV、BakerHughes、ESD和Halliburton在井控智能化装备及软件方面的新发展，给我国井控智能化发展提供借鉴。
关键词：防喷器控制系统 实时监测 溢流监测 控制箱
Abstract: This paper introduces the new development of well control intelligent equipment and software of Schlumberger, NOV, BakerHughes, ESD and Halliburton, which are the main foreign oil service companies, and provides reference for the development of well control intelligent in China.
Key words：BOP control system Real-time monitoring Kick monitoring POD
【中图分类号】TE921+.5 【文献标识码】B 文章编号1606-5123（2019）11-0066-04
1 引言
在井控系统装备领域，防喷器作为最重要的井控设备，对于保证钻井作业顺利进行和人身安全具有重要作用，尤其在深海钻井应用中更是极为关键[1]。防喷器（BOP）控制系统作为井控失效的关键部件，其可靠性对于保证钻井安全高效进行极为重要。由于深水钻井的抢险、逃生和救援极为困难，因此对深水防喷器组及控制系统的技术性能和可靠性要求非常高。目前，国外的主流石油服务公司，都推出了具有自身特色的深水防喷器控制系统[2]，在系统可靠性方面提升了很多。
钻井现场的错误判断将导致错误的操作处理，而发生在井控现场的误操作可能是非常危险的，一旦发生对于任何项目都可能导致成本显著增加、甚至导致严重的的井喷事故；很多井喷事故都带来严重的后果：沉重的经济损失甚至人员伤亡、高昂的环境代价，像BP墨西哥湾等重大事故更加引起对井喷工况的分析和应急方案的高度重视。因此，在钻井的每个阶段提供动态井控是非常关键的。在智能化的风潮下，国外各大石油服务公司推出了智能化的钻井软件，具备井涌监测、智能压井等功能，整体上提升了井控系统的智能化程度，降低了井控的风险。
2 国外井控智能化装备
2.1 Cameron Mark IV控制系统
Mark IV 高可用性（HA）控制系统为业界第一个三箱（3-POD）水下防喷器控制系统，第三箱（其它两个为蓝箱和黄箱）将钻井系统可用性的冗余度提高了98%，如图1所示。
图1 Cameron Mark IV控制系统
每个控制箱设计简洁，提高了防喷器控制系统的可靠性。该系统是在通过了长时间现场实际应用后的 Mark III 控制系统的技术基础之上进行的改进，于2015年由Cameron公司率先推出。2016年Cameron与Schlumberger合并，该系统至今仍是该公司最先进的系统。Mark IV 所带来的新技术提高了操作的可用性，具备现有技术所达不到的优势。该系统不仅降低了由于一个控制箱失效而上提堆栈的可能性，同时也降低了防喷器损坏、失效以及环境污染的风险，具有显著的效果。
Mark 系列的防喷器控制系统主要由复用段（MUX Section）、海底电子模块（SEM）和平台控制盘三部分组成，而MUX 部分主要通过 NASMUX 系统实现对防喷器的控制。钻井作业时，水下控制箱进行防喷器设备进行实时监测，每秒将多组温度、压力等监测信号反馈至平台控制室。温度、压力等出现异常时，平台控制室向水下控制箱发出指令，并将指令传递到防喷器，做出响应动作。水下防喷器还可通过水下ROV进行应急操作，大大提高了智能化程度。
2.2 Schlumberger DrillBench & OLGA AB软件
斯伦贝谢公司的动态钻井模拟软件DrillBench是经过几十年不断的理论研究、现场实验并经过油田大量数据验证而得出的先进的钻井工程设计、动态模拟与作业软件，如图2所示。
图2 DrillBench动态井控仿真图
DrillBench结合了压力模型和二维温度模型， 不但可以精确计算ECD(井底压力)和温度变化，也是唯一一个可以精确计算ESD的软件工具。在一次井控、二次井控和三次井控方面，斯伦贝谢公司可以提供MPD钻井、井涌计算和井喷控制完成的软件服务。其中，斯伦贝谢的高级井喷控制软件OLGA Advance Blowout Control（ABC）是唯一为钻井和井控工程师设计的关于三次井控即井喷的市场化应用工具，它可以对不同形式的井喷进行建模：如环空井喷、钻柱喷出、无钻柱井喷、BOP泄漏引起的井喷、海底井喷等，并支持不同的压井方案。该软件的使用大大提高了井控设备的智能化程度。
2.3 NOV 20,000 psi 深水防喷器控制系统
NOV公司最新推出的20,000psi深水防喷器由新型的RCX控制箱进行控制，如图3所示。
图3 NOV 20,000 psi 深水防喷器
随着新规范的执行，堆栈上提使用更加频繁，成本增加的同时还降低了效率。NOV已经确定了引起故障的根本原因并通过创新设计消除了他们，提高了可靠性和鲁棒性。在不太可能发生故障的情况下，可以在不上提堆栈的情况下检修和替换RCX控制箱。
RCX控制箱包含LMRP和POD两个可重用的模块，具有140个可用功能。控制箱中密封件数量减少67%，EHBS集成声学功能。带有压力补偿蓄能器，可以自适应水深；采用轻型法兰设计。控制系统带有综合故障记录，可以对BOP进行健康监视；不同级别的用户拥有不同的登录权限和操作界面。可以通过ROV进行水下作业，如图4所示。
图4 深水防喷器ROV作业
2.4 NOV RigSenseTM 井涌监测软件
NOV公司推出的RigSense井涌监测软件如图5所示。
图5 NOV RigSense井涌监测软件
可以监测潜在的井控事件，他可以为钻井人员提供直观的、即时的全局趋势，表明可能要发生的井涌，可以快速准确的识别井涌事件，提供快速、周密的决策避免危险情况的发生。由用户定义区域的变化可以触发全局报警事件。这些报警事件包含泥浆的增多或减少，泥浆泵关闭后泥浆的返回，钻井时泥浆返回量增加等。该软件可以对溢流和井涌进行早期监测，是井控系统智能化的典型特征，对于提高井控设备的安全具有重要的意义。
2.5 SeaLytics BOP参谋软件
贝克休斯的SeaLytics 3.0 BOP参谋软件获2019年《世界石油》最佳数据管理和应用奖。该软件具备三大功能。一是钻机数据可视化，提供数据趋势和分析、自动报表生成、EOW行为预测。二是实时监视功能，符合BSEE RTM标准，WurldtechTM网络安全、可接入BHGE WellLinkTM。三是BOP的分析功能，减少TOTEX，有利于设备维护保养。如图6所示。
图6 SeaLyticsBOP参谋软件
2.6 ESD 全电动防喷器控制系统
2017年挪威的一家技术公司——Electrical Subsea & Drilling（ESD）正在开发一种全电动防喷器（BOP）控制系统，用来作为电动液压防喷器控制技术的替代方案，该公司声称这项技术能极大地改善钻井作业效果。导致钻井设备出现非生产时间的一个潜在原因可能就是现今的BOP控制系统采用的都是液压技术，由电动液压走向全电动将是BOP控制系统的革命。
自2010年墨西哥湾漏油事件以来，ESD公司就在John Dale的带领下致力于一项BOP新理念的研究，该公司希望这份理念能从本质上提高钻井安全和效率。
ESD公司声称其正在开发的系统有许多潜在的优势，比如减少净重、提高作业水深，同时由于不存在水下液压造成的延迟现象，还能实现即时响应。 “由于无须地面液压动力装置，还能节约海上作业空间，同时，脐带缆也由电线代替。该设备可以加装在现有的BOP上。 ESD公司已对该样机的关键作动技术进行了测试。下一步将会对完整BOP概念机进行开发，该概念机采用的是电作动系统，按照设计可以降低成本并提高效率。该公司同时指出，这套设备会比现有装置重量更轻，甲板空间占用率更低。
2.7 Halliburton DetectiveEV & ActEV系统
哈里伯顿的DetectiveEV钻井异常实时诊断系统和ActEV钻井异常响应及控制系统是GeoBalance自动控压钻井系统（如图7所示）的2个关键子系统，采用了一系列压力控制的新手段、新理念，将钻井液与工艺、测量与控制通过专业软件系统紧密结合，为钻井完井作业期间井筒压力的控制提供了更加灵活的解决方案。
图7 Halliburton GeoBalance系统
其中，DetectiveEV系统是专门用于实时诊断钻井异常的系统，不同于常规控压钻井技术仅依赖流量计测量、监测流量变化从而判断井涌、井漏的单一方式。DetectiveEV系统采用多参数综合监测的方式进行更为准确的全过程复杂诊断，其监测数据包括但不限于流量、节流阀开度、立管压力、PWD压力等。该系统可在钻进、起下钻、接单根、不稳定流动、节流阀开度突变等情况下对井涌、井漏的发生进行准确判断。
ActEV系统是专门用于对已发现的钻井异常进行自动响应的控制系统。当系统井涌等异常工况发生时，不同于常规控压钻井技术采用预设回压值的响应方式，ActEV系统能够利用水力学模型计算，智能判断合理的控制方式，如自动控制施加合理的井口回压，并可以通过回压控制，保持立管压力恒定，将井涌流体循环出井筒，将井涌的影响减到最小。
该套软件智能化程度非常高，可以对井涌、井漏进行准确判断，同时进行自动控制。该系统获得了OTC2018新技术大奖。
3 结束语
深海防喷器控制系统朝着高系统压力、多重冗余、高可靠性和清洁环保方面发展。比如Cameron Mark IV深水防喷器控制系统以及NOV的20,000 psi 深水防喷器控制系统，均配置了2-3个控制箱，可靠性非常高；在应急情况下，均可以通过ROV进行操作。另外，电动液压防喷器控制技术未来可能朝着全电动防喷器控制技术发展，即可实现即时响应，也可减少液压油泄露对环境的污染。而国内只有华北荣盛、宝鸡石油机械厂、中国石油大学（华东）实现了深海防喷器装备及控制系统的技术突破，和国外的技术仍存在一定差距[3-5]。
井控软件智能化方面，以斯伦贝谢、贝克休斯、哈里伯顿为代表的的石油服务公司均推出了相关软件，实现了地层压力的准确预测，对于溢流和井涌等可以实现早期预警、以及实现智能压井等。而国内在这块几乎是空白，非常值得借鉴。
参考文献
[1]罗臻.浅析石油井控技术的应用与发展[J].中国石油和化工标准与质量,2019,39(16):251-252.
[2]吴国辉,许宏奇,陈艳东,刘立兵,王建伟.国内外深水防喷器控制系统的发展[J].石油矿场机械,2015,44(09):1-4.
[3]王莎,耿艳东.深水防喷器控制系统试验样机研制[J].石油矿场机械,2017,46(05):71-74.
[4]刘立兵.水下防喷器应急声纳控制系统研究进展[J].石油矿场机械,2017,46(02):7-10.
[5]任钢峰,王定亚,毋永锋,牛敏,李毅平,辛小刚.深水钻井防喷器系统关键设备技术研究[J].石油矿场机械,2014,43(12):95-98.
作者简介
崔海朋（1982-） 男 工学硕士 高级工程师 研究方向为石油智能化装备与信息化系统工程领域