CN110709579B - 用于防喷器控制的sil评定系统 - Google Patents

Abstract

一种用于定位在下部堆叠中的海底防喷器(BOP)的控制系统，所述下部堆叠与深海立管总成(LMRP)可释放地接合。所述控制系统包括：水面逻辑解算器，所述水面逻辑解算器定位在海面处或附近，所述水面逻辑解算器生成用于操作所述海底BOP的命令；第一海底逻辑解算器，所述第一海底逻辑解算器附接至所述LMRP并与所述水面逻辑解算器通信，使得所述第一海底逻辑解算器从所述水面逻辑解算器接收所述命令；以及第二海底逻辑解算器，所述第二海底逻辑解算器附接至所述下部堆叠中的液压控制单元。所述第二海底逻辑解算器与所述海底BOP和所述第一海底逻辑解算器液压连通，使得所述第二海底逻辑解算器从所述第一海底逻辑解算器接收所述命令并通过激活所述液压控制单元以操作所述BOP来实施所述命令。

Description

用于防喷器控制的SIL评定系统

相关申请的交叉引用

本申请是美国非临时专利申请No.14/870,249的部分接续案，所述专利申请是在2015年9月30日提交的，并且要求在2014年9月30日提交的美国临时专利申请No.62/057,586和在2014年10月23日提交的美国临时专利申请No.62/067,829的优先权，所述专利申请的全部公开内容在此以引用的方式整体并入本文中。

发明背景

1.发明领域

本文中公开的实施方案总体上涉及用于海底防喷器(BOP)的控制系统。具体地说，本文中公开的实施方案涉及除BOP控制系统之外用于提供备份或增强功能的系统。

2.相关技术的简要描述

用于石油和天然气的海底钻井通常涉及在海面上使用船舶，该船舶可以是例如钻井船或平台，其中立管延伸到海床附近。立管的底端附接至深海立管总成，所述深海立管总成除其他外还含有为了控制海床附近的钻井系统的部件的控制舱。下部堆叠通常定位在立管下方，所述下部堆叠包括安装到井口的防喷器(BOP)。钻杆从海面处的船舶延伸穿过立管到达海底，穿过BOP，再穿过井口进入井筒中直至产油层。

BOP的一个目的是充当防止石油和天然气从井筒逸出到环境中的故障安全机制。为了完成该任务，BOP通常包括多个闸板。一些闸板具有弹性密封件，并且被设计为在需要时紧密围绕钻杆以密封钻杆周围的环空。这样，如果意外的压力激增试图迫使石油和天然气通过环空离开井筒，则BOP可以关闭以防止溢出。其他闸板被称为剪切闸板，包括全封闭剪切闸板，并且被设计为切穿钻杆和延伸到井筒中的其他物品，以将井筒完全密封以隔绝周围环境。

由于BOP在海底钻井作业中发挥的安全作用，因此有必要确保所有BOP控制系统和部件均正常起作用，并在万一发生故障时提供冗余备份系统。因此，诸如呈安全仪表系统的形式的增加的冗余和监视能力是有益的。

另外，随着海底钻井延伸到更深的水域中，BOP所在的海床的压力增大。压力越高，如果井泄漏则后果越大，并且BOP本身需要设计修改以确保安全。因此，需要用于备份BOP控制系统以及监视其功能的新的安全仪表系统。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种用于定位在下部堆叠中的海底防喷器(BOP)的控制系统，所述下部堆叠与深海立管总成(LMRP)可释放地接合。所述控制系统包括：水面逻辑解算器，所述水面逻辑解算器定位在海面处或附近，所述水面逻辑解算器生成用于操作所述海底BOP的命令；第一海底逻辑解算器，所述第一海底逻辑解算器附接至所述LMRP并与所述水面逻辑解算器通信，使得所述第一海底逻辑解算器从所述水面逻辑解算器接收所述命令；以及第二海底逻辑解算器，所述第二海底逻辑解算器附接至所述下部堆叠中的液压控制单元。所述第二海底逻辑解算器与所述海底BOP和所述第一海底逻辑解算器液压连通，使得所述第二海底逻辑解算器从所述第一海底逻辑解算器接收所述命令并通过激活所述液压控制单元以操作所述BOP来执行所述命令。

在一些实施方案中，所述下部堆叠可以通过液压连接器附接至所述LMRP，并且所述液压控制单元可以控制所述液压连接器。在其他实施方案中，所述下部堆叠可以通过液压连接器附接至所述LMRP，并且所述液压连接器可以由蓄能器供电。

在某些实施方案中，所述水面逻辑解算器、所述第一海底逻辑解算器和所述第二海底逻辑解算器可以各自包括中央处理单元(CPU)。在其他实施方案中，所述水面逻辑解算器可以包括中央处理单元(CPU)，并且所述第一海底逻辑解算器或所述第二海底逻辑解算器或两者可以包括扩展输入/输出(I/O)卡。

在一些实施方案中，所述水面逻辑解算器可以通过具有高压电线和光通信线的电缆连接至所述第一海底逻辑解算器，并且所述第一海底逻辑解算器可以通过具有低压电线而没有光通信线的电缆连接至所述第二海底逻辑解算器。另外，所述系统还可以包括与所述第二海底逻辑解算器通信并可由其控制的声舱。

在替代实施方案中，所述系统还可以包括：人机界面面板，所述人机界面面板连接至所述水面逻辑解算器；以及自动控制器，所述自动控制器与所述水面逻辑解算器通信，所述自动控制器基于由所述水面逻辑解算器检测到的预定条件而自动向所述水面逻辑解算器发出命令。在这类实施方案中，所述系统还可以具有按键开关，所述按键开关具有第一位置和第二位置，所述第一位置打开所述水面逻辑解算器与所述人机界面面板之间的通信，并且所述第二位置打开所述水面逻辑解算器与所述自动控制器之间的通信。

本发明的另一方面提供一种用于定位在下部堆叠中的海底BOP的冗余控制系统，所述下部堆叠与LMRP可移除地接合，并且所述LMRP具有第一控制舱和第二控制舱，每个控制舱与所述BOP液压连通以控制所述BOP。所述系统包括：水面逻辑解算器，所述水面逻辑解算器定位在海面处或附近，所述水面逻辑解算器生成用于操作所述海底BOP的命令；以及第一海底逻辑解算器，所述第一海底逻辑解算器附接至所述第一控制舱并与所述水面逻辑解算器通信，所述第一海底逻辑解算器与所述第一控制舱通信使得所述第一海底逻辑解算器能够从所述水面逻辑解算器接收命令并通过激活所述第一控制舱以操作所述BOP来实施所述命令。另外，所述系统包括第二海底逻辑解算器，所述第二海底逻辑解算器附接至所述第二控制舱并与所述水面逻辑解算器通信，所述第二海底逻辑解算器与所述第二控制舱通信使得所述第二海底逻辑解算器能够从所述水面逻辑解算器接收命令并通过激活所述第二控制舱以操作所述BOP来实施所述命令。

在一些实施方案中，所述下部堆叠可以通过液压连接器附接至所述LMRP，并且所述液压连接器可以与第一海底逻辑控制器和第二海底逻辑控制器通信。在其他实施方案中，所述下部堆叠可以通过液压连接器附接至所述LMRP，并且所述液压连接器可以由蓄能器供电。

在某些实施方案中，所述水面逻辑解算器、所述第一海底逻辑解算器和所述第二海底逻辑解算器可以各自包括CPU。在其他实施方案中，所述水面逻辑解算器可以包括CPU，并且所述第一海底逻辑解算器或所述第二海底逻辑解算器或两者可以包括扩展I/O卡。另外，控制系统还可以包括与所述第一海底逻辑解算器和所述第二海底逻辑解算器通信并可由其控制的声舱。

在替代实施方案中，所述系统还可以包括：人机界面面板，所述人机界面面板连接至所述水面逻辑解算器；以及自动控制器，所述自动控制器与所述水面逻辑解算器通信，所述自动控制器基于由所述水面逻辑解算器检测到的预定条件而自动向所述水面逻辑解算器发出命令。在这类实施方案中，所述系统还可以具有按键开关，所述按键开关具有第一位置和第二位置，所述第一位置打开所述水面逻辑解算器与所述人机界面面板之间的通信，并且所述第二位置打开所述水面逻辑解算器与所述自动控制器之间的通信。

本技术的又一方面提供了一种用于控制海底防喷器(BOP)的方法。所述方法包括以下步骤：在位于海面处或附近的水面逻辑解算器中生成命令信号；将所述命令信号传输至附接至深海立管总成的第一海底逻辑解算器；将所述命令信号传输至附接至下部堆叠中的液压控制单元的第二海底逻辑解算器，所述液压控制单元与所述海底BOP通信；利用所述液压控制单元根据所述命令信号操作所述海底BOP。

在一些实施方案中，可以经由所述水面逻辑解算器与所述第一海底逻辑解算器之间的光缆来执行所述水面逻辑解算器与所述第一海底逻辑解算器之间的第一传输步骤。类似地，可以经由所述第一海底逻辑解算器与所述第二海底逻辑解算器之间的铜电线来执行所述第一逻辑解算器与所述第二逻辑解算器之间的第二传输步骤。在一些实施方案中，所述第一海底逻辑解算器可以将所述命令信号从光信号转换为铜信号。

本技术的另一实施方案提供了一种用于海底BOP的控制系统，所述控制系统包括：过程控制器；液压泵，所述液压泵经由第一液压回路与所述过程控制器连通以用于向所述海底BOP提供液压流体以执行功能；以及液压控制单元，所述液压控制单元含有多个阀，每个阀用于调节所述液压泵与所述海底BOP之间的液压流体的流量。所述控制系统还包括：逻辑解算器，所述逻辑解算器定位在海面处或上方，所述逻辑解算器监视所述功能；以及控制面板，所述控制面板含有多个阀，每个阀用于调节所述液压泵与所述海底BOP之间的所述液压流体的流量。所述控制面板可以连接至所述逻辑解算器并且经由第二液压回路与所述液压泵和所述海底BOP液压连通，使得在检测到所述功能不正常后，所述逻辑解算器可以超驰所述过程控制器并完成所述功能。

本技术的替代实施方案提供了一种用于海底BOP的冗余控制系统。所述控制系统包括用于控制所述BOP上的功能的过程控制器、逻辑解算器和第一液压回路。所述第一液压回路包括：主控制橇，所述主控制橇具有与所述过程控制器连通的液压泵；以及液压控制单元，所述液压控制单元与所述主控制橇和所述BOP液压连通，所述液压控制单元具有用于调节所述BOP的所述功能的阀，每个阀可在打开位置与闭合位置之间移动以控制功能。所述控制系统还包括第二液压回路，所述第二液压回路包括：所述主控制橇；以及控制面板，所述控制面板具有用于调节所述BOP的所述功能的阀，每个阀可在打开位置与闭合位置之间移动以控制功能。在所述控制系统中，所述逻辑解算器监视由所述第一液压回路的所述主控制橇、液压泵和液压控制单元执行的所述功能的执行；并且在检测到所述功能中的一者的所述执行失败后，所述逻辑解算器开始通过所述第二液压回路的所述主控制橇、液压泵和控制面板对所述功能中的所述一者的执行。

本技术的又一替代实施方案提供了一种用于控制海底BOP的方法。所述方法包括以下步骤：通过位于海面处或附近的过程控制器生成第一命令信号；将所述第一命令信号传输至具有液压泵的主控制橇；将先导液压信号传输至与所述海底BOP通信的液压控制单元；以及利用逻辑控制器监视所述海底BOP的操作，以确定这种操作是否符合所述命令信号。

附图说明

在阅读本技术的非限制性实施方案的以下详细描述并审查附图后，将更好地理解本技术，附图中：

图1示出了根据本技术的实施方案的安全仪表系统的示意性侧视图；

图2示出了根据本技术的替代实施方案的安全仪表系统的示意性侧视图；

图3示出了用于本技术的实施方案的安全仪表系统的控制系统，所述控制系统包括自动控制和人在回路控制；以及

图4示出了根据本技术的另一替代实施方案的安全仪表系统的示意图。

具体实施方式

当参考优选实施方案的以下描述和附图考虑时，将进一步了解本技术的前述方面、特征和优点，其中相同的附图标记表示相同的元件。以下针对本公开的各种示例性实施方案。不应将所公开的实施方案解释为或以其他方式用于限制包括权利要求的本公开的范围。此外，本领域技术人员应了解，以下描述具有广泛的应用，并且对任何实施方案的论述仅意味着是该实施方案的示例，并且不旨在表明包括权利要求的本公开的范围限于该实施方案。

在堆叠基础上使用的安全仪表系统

图1示出了用于控制在安全完整性等级(SIL)评定系统中使用的海底防喷器(BOP)12的系统10。SIL是在本领域中被理解为指至少部分地由于建构到系统中的安全功能而具有相对低的风险等级的系统的术语，所述功能在下文进行更详细的描述。例如，具有“SIL1”级别的系统按需要将系统故障的概率降低10倍，“SIL2”级别按需要将系统故障的概率降低100倍，“SIL3”级别将概率降低1,000倍，“SIL4”级别降低10,000倍，依此类推。在本技术的SIL系统中，海底BOP12通常容纳在下部堆叠14中，所述下部堆叠定位在深海立管总成(LMRP)18下方的海床16上。

海底BOP12分为个别的BOP闸板13，所述闸板可以包括密封闸板、剪切闸板等。下部堆叠14和LMRP18可以通过液压连接器20彼此连接，所述液压连接器可以被控制以允许LMRP18与下部堆叠14脱离。LMRP18的上端22连接至立管24，所述立管从LMRP18的上端22延伸到海面28处的船舶26。系统中还可以包括第一控制舱30(通常称为黄色控制舱)和第二控制舱32(通常称为蓝色控制舱)。在图1所示的实施方案中，第一控制舱和第二控制舱30、32附接至LMRP18。第一控制舱30和第二控制舱32可以由位于船舶26上的第一控制柜和第二控制柜31、33控制。船舶26可以是任何适当的船舶，包括例如钻井船或平台。

在正常操作下，海底BOP闸板13由第一舱或第二舱30、32以液压方式控制。具体地说，液压管线36从第一控制舱和第二控制舱30、32中的每一者布设到BOP12的个别闸板13。通常，两个控制舱30、32中的一个负责通过其相应的液压管线36以液压方式控制闸板13，而另一个控制舱30、32保持闲置。以这种方式，将冗余构建到系统中，因为如果实际上控制闸板13的控制舱30、32变得丧失工作能力，或者另外需要维护或更换，则另一个控制舱30、32可以继续操作闸板13。

本技术的一个实施方案包括用于在堆叠基础上控制海底BOP12的安全仪表系统。这种系统的一个目的是提供适当的安全仪表功能以确认和备份BOP控制系统，并遵守适用于石油行业中许多系统和子系统的某些法规标准。所述安全仪表系统包括水面逻辑解算器38或逻辑控制器，所述水面逻辑解算器或逻辑控制器位于船舶26上并通过第一电缆42连接至第一海底逻辑解算器40。第一海底逻辑解算器40又通过第二电缆46连接至第二海底逻辑解算器44。如图1所示，第二海底逻辑解算器44可以连接至位于下部堆叠14中的液压控制单元34。在一些实施方案中，第二海底逻辑解算器44可以连接至电池，使得第二海底逻辑解算器44可以在LMRP18与下部堆叠14断开连接之后继续操作。水面逻辑解算器38可以包括人机界面(HMI)面板47，以允许操作员与水面逻辑解算器38进行通信。

实际上，水面逻辑解算器38可以生成命令，所述命令然后经由第一电缆42传输至第一海底逻辑解算器40。然后将命令从第一海底逻辑解算器40传送至第二海底逻辑解算器44，第二海底逻辑解算器44与液压控制单元34通信并且可以附接至液压控制单元34。液压控制单元34又经由液压管线36与海底BOP闸板13连通。第二海底逻辑解算器44可以实施命令，指导液压控制单元34按照操作员的要求来控制海底BOP闸板13。本文中描述的任何实施方案的逻辑解算器38、44、46可以是能够根据技术要求发送和接收信号的任何设备。例如，在一些实施方案中，逻辑解算器可以包括或包含中央处理单元(CPU)。

在所示实施方案中，每个闸板13可以连接至多条液压管线36，每条液压管线来自不同的控制源，包括第一控制舱30、第二控制舱32和液压控制单元34。如图所示，在任何给定时刻哪条管线控制BOP闸板13可以由附接至BOP闸板13的阀39来控制。在附图中，将液压管线36示出为将第一控制舱和第二控制舱30、32中的每一者以及液压控制单元34连接至一些但不是所有闸板13。应当理解，在功能系统中，控制部件中的每一者可以连接至所有闸板13，并且在附图中没有示出这样的配置只是为了提高图式的清晰度。

上述安全仪表系统的一个益处是它为系统提供了额外的冗余，并充当故障安全措施以增强BOP的安全性和可靠性。尽管已经提供了两个控制舱30、32来在系统中创建一些冗余，但是实际上，如果第一控制舱30失灵，则使用第二控制舱32可能是耗时且困难的。这是因为政府法规和最佳实践程序规定BOP始终有备份控制系统。因此，如果第一控制舱30不可用，则因为将不会有冗余而不能使用第二控制舱32。本文中描述的安全仪表系统通过提供第二冗余控制系统来帮助减轻该问题。

另外，本技术的安全仪表系统可用以通过即使当两个控制舱30、32均在正常起作用时提供控制BOP闸板13的额外构件来增强整个系统12的能力。例如，安全仪表系统可以经由液压控制单元34控制某些闸板13，同时控制舱30、32控制替代闸板13。因此，增加了系统12控制BOP闸板13的能力。此外，该系统可以提供监视功能，诸如监视各种状态、状况、参数等，以及用以确定BOP控制系统是否在正常运转的信息。该技术还可以被设计为遵守高压钻井作业的要求，并且可以与例如20ksi的BOP系统一起使用，但它不限于此类系统，并且也可以在其他类型的系统中使用，诸如15ksi的系统。另外，如本文中描述的安全仪表系统是与主控制系统不同类型的控制系统，从而提供了增加控制架构的多样性的额外优点。

现在将描述本技术的一些益处。然而，为了理解益处，首先重要的是理解海上钻井系统的一些要求，其中一个要求是允许LMRP18与下部堆叠14断开连接并随后重新连接。例如，当飓风或其他风暴威胁钻井船舶或平台时，这可能是有益的。为了经受住这种风暴，操作员可能希望将LMRP18与下部堆叠14断开连接，并移动LMRP18、立管24和船舶26以脱离危险地带。在风暴过后，然后有必要将LMRP18重新连接至下部堆叠14以恢复操作。通过减少LMRP18与下部堆叠14之间的连接数量，以及还通过控制连接类型，可以大大地简化这些部件的断开连接和随后的重新连接。

简化LMRP18与下部堆叠14的重新连接的一种方式是提供如图1所示和上文所描述的一对海底逻辑解算器。这是因为将水面逻辑解算器38连接至第一海底逻辑解算器40的第一电缆42必须在这两个部件之间携载电力和通信。通常，水面逻辑解算器38与LMRP18(以及因此第一海底逻辑解算器40)之间通过立管24的距离可能非常长，诸如长度达约2英里或更长。因此，电缆中的电力线必须是相对高压的线，并且通信通常通过光线携载(但可以使用铜线)。

如果系统在下部堆叠中配备有单个海底逻辑解算器，则操作员将需要将LMRP18与下部堆叠14之间的较高压电力线和脆弱的光通信线断开连接并重新连接。这样的连接可能很危险(在高压电力线的情况下)，并且可能使通信信号的质量降级(在光通信线的情况下)。替代地，如果系统仅在LMRP18上配备有单个海底逻辑解算器，则多条液压管线将需要从LMRP18横穿至下部堆叠14以连接至闸板13。由于需要将这些部件之间的更多线路断开连接和重新连接，因此这种结构可能会出现问题。

通过提供两个单独的海底逻辑解算器40、44，包括在LMRP18上的一个和在下部堆叠14上的一个，可以减轻这些问题。实际上，根据本技术，将水面逻辑解算器38连接至第一海底逻辑解算器40的电缆42可以包括高压电力线和光通信线。第一海底逻辑解算器40的一个功能可以是转换和降低电压，并将光信号转换为铜，从而允许通过构成电缆46的低压铜电线进行第一海底逻辑解算器40与第二海底逻辑解算器44之间的通信。这样的低压铜电线可以在LMRP18与下部堆叠14之间的界面处按需要更容易地断开连接和重新连接。

在本发明的一些实施方案中，液压控制单元34可以连接至液压连接器20，以将LMRP18与下部堆叠14断开连接或重新连接。由于液压连接器20附接至LMRP18，因此单条液压管线48可能需要横穿LMRP18与下部堆叠14之间的界面以在液压控制单元34与液压连接器20之间提供液压连通。替代地，可以避免使用这样的管线，而有利于从蓄能器50向液压连接器20供电，所述蓄能器在所示实施方案中可以附接至LMRP18。

出于解释的目的，以下段落含有安全仪表系统可如何与其他现有的BOP系统一起工作以操作BOP或LMRP和下部堆叠上的其他部件的特定特征的解释。应当理解，这些解释仅以举例的方式给出，并不表示可以在实践中应用本技术的所有可能方式。

第一实例解释了安全仪表系统的与钻杆闸板BOP相关的功能的实例。可以通过任何触点闭合输入或HMI面板来开始钻杆闸板功能。关闭闸板的需要由操作员确定，因此功能的开始由人在回路确定。当船舶26上的水面逻辑解算器38辨识出输入时，它可以监视水面流量计。如果基本过程控制系统(BPCS)未成功关闭BOP，则水面逻辑解算器38可以将信号传输至第一海底逻辑解算器40。第一海底逻辑解算器40又可以将信号传输至第二海底逻辑解算器44，第二海底逻辑解算器44可以启动将打开液压压力排放至钻杆闸板并且向钻杆闸板施加关闭压力从而关闭BOP的功能。

第二实例解释了安全仪表系统的与全封闭剪切闸板相关的功能的实例。可以通过触点闭合输入或通过HMI面板来开始全封闭剪切闸板功能。关闭闸板的需要由操作员确定，因此功能的开始由人在回路确定。当船舶26上的水面逻辑解算器38辨识出输入时，它可以监视水面流量计。如果BPCS未成功关闭BOP，则水面逻辑解算器38可以将信号传输至第一海底逻辑解算器40，第一海底逻辑解算器40又可以将信号传输至第二海底逻辑解算器44。第二海底逻辑解算器44可以启动将打开液压压力排放至全封闭剪切闸板并且向全封闭剪切闸板施加关闭压力从而关闭BOP的功能。

第三实例解释了安全仪表系统的与套管剪切闸板BOP相关的功能的实例。套管剪切闸板功能可以通过触点闭合输入或HMI面板开始。关闭闸板的需要由操作员确定，因此功能的开始由人在回路确定。当船舶26上的水面逻辑解算器38辨识出输入时，它可以监视水面流量计。如果BPCS未成功关闭BOP，则水面逻辑解算器38可以将信号传输至第一海底逻辑解算器40，第一海底逻辑解算器40又可以将信号传输至第二海底逻辑解算器44。第二海底逻辑解算器44可以启动将打开液压压力排放至套管剪切闸板并且向套管剪切闸板施加关闭压力从而关闭BOP的功能。

第四实例解释了安全仪表系统的与液压连接器20相关的功能的实例。液压连接器20的功能可以通过触点闭合输入或HMI面板开始。释放LMRP的需要由操作员确定，因此功能的开始由人在回路确定。当船舶26上的水面逻辑解算器38辨识出输入时，它可以监视水面流量计。如果BPCS未成功释放液压连接器20，则水面逻辑解算器38可以将信号传输至第一海底逻辑解算器40，第一海底逻辑解算器40又可以将信号传输至第二海底逻辑解算器44。第二海底逻辑解算器44可以启动将闩锁液压压力排放至液压连接器20并且向主开闩功能和辅助开闩功能施加开闩压力的功能。

第五实例解释了安全仪表系统的与紧急断开连接序列相关的功能的实例。EDS功能可以通过触点闭合输入或HMI面板开始。断开连接的需求由操作员确定，因此功能的开始由人在回路确定。当船舶26上的水面逻辑解算器38辨识出输入时，它可以针对每个功能按顺序监视水面流量计，或堆叠上的其他传感器。如果BPCS未成功完成EDS功能，则水面逻辑解算器38可以将信号传输至第一海底逻辑解算器40，第一海底逻辑解算器40又可以将信号传输至第二海底逻辑解算器44。海底逻辑解算器然后可以启动以下功能或另一类似的功能序列：

·排放打开压力并向钻杆闸板施加关闭压力功能

·排放打开压力并向CSR闸板施加关闭压力功能

·排放打开压力并向BSR闸板施加关闭压力功能

·排放延伸压力并向刺杆施加收缩压力功能

·排放闩锁压力并向LMRP连接器施加主开闩压力和辅助开闩压力功能

在逐个舱基础上使用的安全仪表系统

现在参考图2，示出了用于控制海底防喷器(BOP)112的替代系统110。海底BOP112通常容纳在下部堆叠114中，所述下部堆叠定位在深海立管总成(LMRP)118下方的海床116上。海底BOP112分为个别的BOP闸板113，所述闸板可以包括密封闸板、剪切闸板等。下部堆叠114和LMRP118可以通过液压连接器120彼此连接，所述液压连接器可以被控制以允许LMRP118与下部堆叠114脱离。LMRP118的上端122连接至立管124，所述立管从LMRP118的上端122延伸到海面128处的船舶126。系统中还可以包括第一控制舱130(通常称为黄色控制舱)和第二控制舱132(通常称为蓝色控制舱)，以及液压控制单元134。在图2所示的实施方案中，第一控制舱和第二控制舱130、132附接至LMRP118。第一控制舱130和第二控制舱132可以由位于船舶126上的第一控制柜和第二控制柜131、133控制。船舶126可以是任何适当的船舶，包括例如钻井船或平台。

在正常操作下，海底BOP闸板113由第一舱或第二舱130、132以液压方式控制。具体地说，液压管线136从第一控制舱和第二控制舱130、132中的每一者布设到BOP112的个别闸板113。通常，两个控制舱130、132中的一个负责通过其相应的液压管线136以液压方式控制闸板113，而另一个控制舱130、132保持闲置。以这种方式，将冗余构建到系统中，因为如果实际上控制闸板113的控制舱130、132变得丧失工作能力，或者另外需要维护或更换，则另一个控制舱130、132可以继续操作闸板113。

图2的实施方案是在逐个舱的基础上操作的用于控制海底BOP112的替代安全仪表系统。所述安全仪表系统包括水面逻辑解算器138或逻辑控制器，所述水面逻辑解算器或逻辑控制器位于船舶126上并通过第一电缆142连接至第一海底逻辑解算器140，且通过第二电缆146连接至第二海底逻辑解算器144。如图2所示，第一海底逻辑解算器140和第二海底逻辑解算器144可以各自通过电缆149连接至扩展的输入/输出(I/O)扩展151，所述I/O扩展151与位于下部堆叠114中的液压控制单元134通信。水面逻辑解算器138可以包括HMI面板147，以允许操作员与水面逻辑解算器138进行通信。在一个实施方案中，HMI面板147可以是具有按钮和点亮指示器的面板，而其他实施方案可以包括触摸屏显示器。

实际上，水面逻辑解算器138可以生成命令，所述命令然后经由第一通信电缆142传输至第一海底逻辑解算器140，和/或经由第二电缆146传输至第二海底逻辑解算器144。然后将命令从第一海底逻辑解算器140和/或第二海底逻辑解算器144传送至I/O扩展151，所述I/O扩展与液压控制单元134通信并且可以附接至液压控制单元134。液压控制单元134又经由液压管线136与海底BOP闸板113连通。I/O扩展151可以实施命令，指导液压控制单元134按照操作员的要求来控制海底BOP闸板113。

在图2所示的实施方案中，每个闸板113可以连接至多条液压管线136，每条液压管线来自不同的控制源，包括第一控制舱130、第二控制舱132和液压控制单元134。如图所示，在任何给定时刻哪条管线控制BOP闸板113可以由附接至BOP闸板113的阀139来控制。在附图中，将液压管线136示出为将第一控制舱和第二控制舱130、132中的每一者以及液压控制单元134连接至一些但不是所有闸板113。应当理解，在功能系统中，控制部件中的每一者可以连接至所有闸板113，并且在附图中没有示出这样的配置只是为了提高图式的清晰度。

如上文相对于图1的实施方案更详细地论述的，允许LMRP18与下部堆叠14断开连接和随后重新连接可以是非常有利的，诸如提供移动船舶126、立管124和LMRP118脱离风暴路径的能力。通过减少LMRP18与下部堆叠14之间的连接数量，以及还通过控制连接类型，可以大大地简化这些部件的断开连接和随后的重新连接。

简化LMRP118与下部堆叠114的重新连接的一种方式是提供如图2所示和上文所描述的对应于控制舱130、132并提供I/O扩展151的一对海底逻辑解算器。这是因为将水面逻辑解算器138分别连接至第一海底逻辑解算器和第二海底逻辑解算器140、144的第一电缆和第二电缆142、146必须在LMRP118与下部堆叠114之间携载电力和通信。通常，水面逻辑解算器138与LMRP118(以及因此第一海底逻辑解算器和第二海底逻辑解算器140、144)之间通过立管124的距离可能非常长，诸如长度达约2英里或更长。因此，电缆中的电力线必须是非常高压的线，并且通信通常通过光线携载。

如果系统在下部堆叠中配备有海底逻辑解算器，则操作员将需要将LMRP118与下部堆叠114之间的高压电力线和脆弱的光通信线断开连接并重新连接。这样的连接可能很危险(在高压电力线的情况下)，并且可能使通信信号的质量降级(在光通信线的情况下)。替代地，如果系统仅在LMRP118上配备有单个海底逻辑解算器而在液压控制单元134附近没有I/O扩展，则多条液压管线将需要从LMRP118横穿至下部堆叠114以连接至闸板113。由于需要将这些部件之间的更多线路断开连接和重新连接，因此这种结构可能会出现问题。

通过在LMRP118上提供海底逻辑解算器140、144以及在下部堆叠114上提供单独的I/O扩展134，可以减轻这些问题。实际上，根据本技术，将水面逻辑解算器138连接至第一海底逻辑解算器和第二海底逻辑解算器140、146的电缆142、146可以包括高压电力线和光通信线。第一海底逻辑解算器和第二海底逻辑解算器140、146的一个功能可以是转换和降低电压，并将光信号转换为铜，从而允许通过构成电缆149的低压铜电线进行第一海底逻辑解算器和第二海底逻辑解算器140、146与I/O扩展134之间的通信。这样的低压铜电线可以在LMRP118与下部堆叠114之间的界面处按需要更容易地断开连接和重新连接。

在本发明的一些实施方案中，液压控制单元134可以连接至液压连接器120，以将LMRP118与下部堆叠114断开连接或重新连接。由于液压连接器120附接至LMRP118，因此单条液压管线148可能需要横穿LMRP118与下部堆叠114之间的界面以在液压控制单元134与液压连接器120之间提供液压连通。替代地，可以避免使用这样的管线，而有利于从蓄能器150向液压连接器120供电，所述蓄能器在所示实施方案中可以附接至LMRP118。

本技术的安全仪表系统的控制系统

图3示出了本技术的另一方面，包括在用于控制水面逻辑解算器238以及因此上述用于控制海底BOP的安全仪表系统的人在回路配置与自动配置之间交替的能力。更具体地说，本技术提供水面逻辑控制器238，所述水面逻辑控制器除其他外可以监视BOP系统的基本过程和控制，包括海底逻辑解算器的性能、BOP闸板的操作、梭阀的操作、压力传感器、温度传感器以及海底系统的其他部件。为了监视BOP闸板的操作，水面逻辑控制器238可以监视控制舱的操作。

根据图3的实施方案，水面逻辑控制器可以配备有能够在人在回路状态与自动状态之间交替的按键开关252。按键开关可以是物理开关，或可以是集成到逻辑解算器的代码中的软件代码。

当按键开关252处于人在回路状态时，水面逻辑解算器238以及因此用于控制海底BOP的安全仪表系统可以由通过HMI面板247或通过其他适当的方式向水面逻辑解算器238发出命令的操作员控制。因此，操作员将完全控制是否使用安全仪表系统来开始动作。

替代地，当按键开关252处于自动状态时，自动控制器254可以用于通过上述安全仪表系统来控制海底BOP。自动控制器可以在没有操作员提示的情况下起作用。

用于在先导操作的BOP控制系统上使用的安全仪表系统

现在参考图4，示出了用于控制海底防喷器(BOP)312的先导系统310。海底BOP312通常容纳在下部堆叠中，所述下部堆叠定位在深海立管总成(LMRP)下方的海床上。海底BOP312分为个别的BOP闸板313，所述闸板可以包括密封闸板、剪切闸板等。下部堆叠和LMRP可以通过液压连接器320彼此连接，所述液压连接器可以被控制以允许LMRP与下部堆叠脱离。LMRP的上端连接至立管，所述立管从LMRP的上端延伸到海面处的船舶。

该系统中还可以包括第一脐带缆卷筒330和第二鞋子卷筒332以及液压控制单元334。液压控制单元可以包括能够在紧急情况或其他情况下关闭闸板的自动剪切335或自动停机电路。先导信号可以从自动剪切335电路中的关键点发送到水面。在图4所示的实施方案中，第一脐带缆卷筒和第二脐带缆卷筒330、332位于水面处。下部堆叠、LMRP、液压连接器320、立管和船舶可以类似于图1和2中标识的类似特征。船舶可以是任何适当的船舶，包括例如钻井船或平台，诸如自升式和/或半潜式钻机。

另外，图4所示的系统可以包括电子部件，诸如基本过程控制系统(BPCS)356、电气/液压(E/H)控制面板358、按钮面板360、安全通信控制单元(CCU)362，以及附接至液压控制单元334的海底模块(SPM)365。E/H控制面板358可以包括过滤器、用于先导信号的电磁阀和用于压力传感器的基座。安全CCU362可以包括诊断人机界面(HMI)364、可编程逻辑解算器(PLC)和诊断计算机。该系统还可以包括非电子部件，诸如用以控制液压泵368的主控制橇366。另外，该系统可以包括如图1和2所示的蓄能器。

在图4中，线370提供海面的示意图。在海面370上方示出的设备附接至水面船舶，诸如钻井船或平台。在海面370下方示出的设备附接至下部堆叠，但是在一些实施方案中，一些设备可以替代地附接至LMRP。

如图4所示，BCPS356从先导系统310中的水面船舶布设。在正常情况下，BCPS356可以通过沿脐带缆向下发送致动海底阀并执行诸如关闭BOP闸板313的功能的液压先导信号来执行该功能。在一些系统中，BPCS356可以将命令发送至主控制橇366，主控制橇366又通过液压控制单元334(以及可选地通过歧管374)击溃液压先导信号。执行功能的替代方式是从按钮面板360而不是BPCS356发送命令。可以提供按钮面板360和BPCS356两者以用于冗余。

本技术还包括安全仪表系统(SIS)，包括安全CCU362，安全CCU362也位于船舶上，并且可以定位在BPCS356与主控制橇366之间使得由BPCS356发送至主控制橇366的信号通过安全CCU362。因此，当致动特定功能时，安全CCU362从BPCS356接收信号。安全CCU362还可以经由通信路径376从主控制橇366接收流量和压力数据，以及经由通信路径378接收关于BOP闸板313上的压差的数据。

如果基于安全CCU362收集的流量、压力或其他数据，安全CCU362确定尚未执行功能，或者另外发生了错误，则SIS可以超驰BPCS356以控制功能。实际上，这是通过安全CCU362向E/H控制面板358发送命令信号来实现的，所述E/H控制面板含有螺线管、阀和其他仪器。E/H控制面板358经由液压管线380与主控制橇366液压连通，并经由液压管线382、384和SPM365与海底液压控制单元334液压连通。由此，E/H控制面板358可以经由该替代路径独立于BPCS356执行功能。替代地，E/H控制面板358可以与BOP闸板313直接液压连通。

例如，可能出现以下情形：BPCS356向海底发送先导信号，并且海底阀试图关闭BOP312上的剪切闸板313。如果该功能出现故障，则该故障将通过水面处的流量或压力数据和/或在应关闭的剪切闸板313处在BOP312上的预期压差的异常来表明。一旦安全CCU362检测到功能出现故障，安全CCU362就可以经由通信路径382将信号发送至E/H控制面板358，E/H控制面板358又将信号转换为液压先导信号并将这种信号发送至海底的SPM365。这允许SPM365在BPCS356周围控制BOP312，并关闭剪切闸板313。尽管在图4中将SPM365示出为直接附接至液压控制单元334，但是其他适当的布置是可能的。例如，SPM365可以远离液压控制单元334定位，并通过电气和/或液压通信线连接至液压控制单元334。

将SIS包括在先导操作的BOP控制系统上的一个优点是它为控制系统提供额外的冗余，从而将控制系统故障的风险降低100％以上。因此，本技术的系统更安全，并且遵守日益严格的政府法规。

尽管已经关于有限数量的实施方案描述了本公开，但是受益于本公开的本领域技术人员应了解，可以想出不脱离如本文中描述的本公开的范围的其他实施方案。因此，本公开的范围应仅由所附权利要求书限制。

Claims (15)

1.一种用于海底防喷器BOP的控制系统，所述控制系统包括：

过程控制器；

液压泵，所述液压泵经由第一液压回路与所述过程控制器连通以用于向所述海底BOP提供液压流体以执行功能；

液压控制单元，所述液压控制单元含有多个阀，每个阀用于调节所述液压泵与所述海底BOP之间的液压流体的流量；

安全仪表系统，包括安全通信控制单元，所述安全通信控制单元监视所述功能；以及

控制面板，所述控制面板含有多个阀，每个阀用于调节所述液压泵与所述海底BOP之间的所述液压流体的流量，所述控制面板连接至所述安全通信控制单元并且经由第二液压回路与所述液压泵和所述海底BOP液压连通，使得在检测到所述功能不正常后，所述安全仪表系统能够超驰所述过程控制器并完成所述功能，

其中所述过程控制器、液压泵、安全通信控制单元和控制面板位于海面处或海面上方。

2.如权利要求1所述的控制系统，其中所述安全通信控制单元包括：

人机界面面板。

3.如权利要求1所述的控制系统，其中所述液压控制单元还包括：

自动剪切机，所述自动剪切机用以在所述过程控制器和所述安全通信控制单元均未能执行所述功能后闭合所述BOP。

4.如权利要求1所述的控制系统，其中所述安全通信控制单元定位在所述过程控制器与所述液压泵之间，并且与所述过程控制器和所述液压泵两者通信。

5.如权利要求1所述的控制系统，其中所述安全通信控制单元从所述液压泵接收流量和压力数据以帮助监视所述功能。

6.如权利要求1所述的控制系统，其中所述安全通信控制单元接收关于所述BOP上的压差的数据以帮助监视所述功能。

7.如权利要求1所述的控制系统，其中所述控制面板还包括螺线管。

8.一种用于海底防喷器BOP的冗余控制系统，所述控制系统包括：

过程控制器，所述过程控制器用于控制所述BOP上的功能；

安全仪表系统，包括安全通信控制单元；

第一液压回路，所述第一液压回路包括：

主控制橇，所述主控制橇具有与所述过程控制器连通的液压泵；以及

液压控制单元，所述液压控制单元与所述主控制橇和所述BOP液压连通，所述液压控制单元具有用于调节所述BOP的所述功能的阀，每个阀可在打开位置与闭合位置之间移动以控制功能；以及

第二液压回路，所述第二液压回路包括：

所述主控制橇；以及

控制面板，所述控制面板具有用于调节所述BOP的所述功能的阀，每个阀可在打开位置与闭合位置之间移动以控制功能；

其中所述安全通信控制单元监视由所述第一液压回路的所述主控制橇、液压泵和液压控制单元执行的所述功能的执行；

其中在检测到所述功能中的一者的所述执行失败后，所述安全通信控制单元开始通过所述第二液压回路的所述主控制橇、液压泵和控制面板对所述功能中的所述一者的执行；并且

其中所述过程控制器、主控制橇、安全通信控制单元和控制面板位于海面处或海面上方。

9.如权利要求8所述的控制系统，其中所述安全通信控制单元包括：

人机界面面板。

10.如权利要求8所述的控制系统，其中所述液压控制单元还包括：

自动剪切机，所述自动剪切机用以在所述过程控制器和所述安全通信控制单元均未能执行所述功能后闭合所述BOP。

11.如权利要求8所述的控制系统，其中所述安全通信控制单元定位在所述过程控制器与所述液压泵之间，并且与所述过程控制器和所述液压泵两者通信。

12.如权利要求8所述的控制系统，其中所述安全通信控制单元从所述主控制橇接收流量和压力数据以帮助监视所述功能。

13.如权利要求8所述的控制系统，其中所述安全通信控制单元接收关于所述BOP上的压差的数据以帮助监视所述功能。

14.如权利要求8所述的控制系统，其中所述控制面板还包括螺线管。

15.一种用于控制海底防喷器BOP的方法，所述方法包括：

(a)通过位于海面处或附近的过程控制器生成第一命令信号；

(b)将所述第一命令信号传输至具有液压泵的主控制橇；

(c)将先导液压信号经由第一液压回路传输至与所述海底BOP通信的液压控制单元；

(d)利用安全通信控制单元监视所述海底BOP的操作，以确定这种操作是否符合所述命令信号；

(e)如果所述海底BOP的所述操作不符合所述第一命令信号，则通过所述安全通信控制单元生成第二命令信号；

(f)将所述第二命令信号经由第二液压回路传输至与所述海底BOP通信的控制面板；以及

(g)通过所述控制面板来根据所述第二命令信号操作所述海底BOP，

其中所述液压泵、安全通信控制单元和控制面板位于海面处或海面上方。

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