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BOP控制系统故障?治标还需先治本!

BOP控制系统故障?治标还需先治本!

BOP控制系统故障是最令水下工程师头疼的问题。过去几十年里,各公司已经针对控制系统的可靠性做了许多改进,但多数改进主要是针对单个部件。所以,当这些部件连接到一起的时候,它们之间的相互作用可能引起系统层面上的意外故障,甚至远远超各个部件单独出现故障的总和。

正如水下工程师所说,这种现象有时将增加性能问题和系统故障发生的可能性,对经济和HSE产生不利影响。如此,便可以理解为什么作业者坚持采用高效、低成本的措施来识别引起故障的根本原因并加以修正。

通常,物理试验是验证钻井控制系统的预期操作效果及动态稳定性的唯一方法。如今,高速数字计算为模拟复杂的控制系统的动态提供了替代方案,这就减少了昂贵的周期性物理试验。这是一个传统行业转型的典型范例,形成了一套检查并了解已连接系统行为的新方法。考虑到钻机的系统行为远超其单独构成组件的行为总和,本方法以模型为基础,可解决钻机控制系统的问题,诊断并处理设备问题,为作业者头疼的故障提出补救措施。

组件不稳定性

最近的一个案例研究,记录了一个关于该方法的使用实例,一家经营深水钻井船的公司多次记录到钻井控制电路的故障,导致每部受影响的钻机都会停机超过30小时/年。电路故障的主要特点是液压控制组件的性能不稳定。操作驱动器时,压力调节器剧烈振荡,造成高压瞬变、调节器故障、调节器及其相关硬件无法操作等问题。重复进行了故障排除、测试和监测。尝试过的补救措施包括:

  • 采用不同厂家的产品更换压力调节器;
  • 采用液压蓄能器吸收瞬变压力;石油圈原创www.oilsns.com
  • 强化组件的结构强度。石油圈原创www.oilsns.com

更换组件的作用效果有限,可靠性最多能维持一年。更重要的是,通过全面检查历史数据,发现早在10年前就发生过一系列相关故障。石油圈原创www.oilsns.com

基于模型的方法

不幸的是,类似的现场难题非常常见。上面讨论的解决方案代表了行业解决上述问题的典型做法:将故障组件拆下来,送给服务技术人员,对推荐的解决方案进行物理测试,分析数据并排查故障,直到获得有效的解决方案,但通常得到的只是一个暂时的“治标不治本”的解决方案。如此反复,对油气公司和原设备制造商来说都是极高的成本。

当然,有一种方法可以解决当前的问题。本案例中被证明有效的方法是使用动态计算模型来评估系统行为。与传统方法相比,这种模型可以先形成系统性能评估基准,然后无限迭代,直到找到最优解。石油圈原创www.oilsns.com

就其核心而言,模型只是一种将系统的输入与输出关联起来的简单方法。另外,系统可以被分解成子系统和单独的零部件。虽然钻井控制系统是一套复杂的水力机械系统,但通常以一个可接受的完整性程度,采用一个相对简单的低阶物理模型就可以量化系统行为。基于流体力学和动力学的基本原理,使用离散的模拟软件包,就可以构建一个故障液压控制电路。

寻求解决方案

根据模拟过程,确定了现场出现高压瞬变的根本原因,而高压瞬变正是导致井场性能问题的主要因素。研究发现在组装零部件的时候,空气进入了电路,改变了基本的流体性质,并引发了振荡的液压响应。根据该模型预测,仅需一个简单的止回阀,就能防止空气进入电路,从而消除该问题。导致故障增多的关键原因不是调节器或其他部件的内在缺陷,而是安装过程中这些简单部件连接时出现的系统突发行为。石油圈原创www.oilsns.com

解决现实问题

如果想取得成功,正确的做法是采用系统方法解决系统问题,而不是采用零散方法解决系统问题。如果将焦点放在零部件的问题上,可能会掩盖真相,真实原因可能是系统的整体紊乱。这种系统紊乱可能是看似简单的零部件连接过程中产生的。关键点不在于基于模型的解决方案的设计,而在于模型的工作原理。英国数学家George Cox有句格言,“模型的整体可能是错误的,但模型的部分也许是有用的。”根据定义,模型只是现实状况的近似情形。想要构建一个模型,需要抽象出建模系统的显著特征,同时要限定无关的假设以及高阶效应。

动态计算模型分析原理:通过将数学和物理第一定律与现实世界的数据相结合,我们可以超越静态的工程图纸,获得现代钻井控制系统的整体、动态呈现。这将为我们带来更安全、更可持续和更可靠的钻井生态系统。石油圈原创www.oilsns.com

事实上,本案例中构建的模型最初的预测结果与实际系统中观察到的结果相反。这种差异也经常引起大家对建模和模拟的质疑。然而,即使表面看来没有了解决方案,我们也不应该放弃以模型为基础的解决方案。物理模型有利于大家根据工程第一定律,对系统形成直观整体的理解。它能帮助我们以大局观看待问题,如零件总成如何随时间以复杂的方式运作,以及如何帮助我们捕获集成系统的突发行为。

在本案例的研究中,有了大局观意识后,我们便能够形成一个可验证的假设:圈闭空气引起流体电容增加,是造成压力瞬变、零部件失效的原因吗?模型的价值不仅在于回答这个问题,更多的是能够找到这个问题。它不仅仅是提供问题的答案,而是让我们能够在执行非常复杂的作业任务时,找出真正的问题所在。

系统更安全、可靠

经验是一个冷酷无情的老师,我们需要先考试,然后再上课。钻机的非生产时间造成的损失是巨额的。幸运的是,先进的数字工具和工程工艺的改进,让我们能够提前“偷看”考试题。基于模型的钻井控制系统设计和分析,为我们带来了一套在系统层面了解系统行为的方法。这里讨论的案例研究,只揭示了冰山一角;该方法近期在解决水下BOP控制线路相关问题时,发挥了重要作用,节约了数百万美元。

作者/Daniel C. Barker   译者/白小明   编辑/张永君

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白矾
石油圈认证作者
毕业于中国石油大学(华东),油气井工程硕士,长期聚焦国内外石油行业前沿技术装备信息,具有数十万字技术文献翻译经验。

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