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BOP控制系統故障?治標還需先治本!

BOP控制系統故障?治標還需先治本!

BOP控制系統故障是最令水下工程師頭疼的問題。過去幾十年里,各公司已經針對控制系統的可靠性做了許多改進,但多數改進主要是針對單個部件。所以,當這些部件連接到一起的時候,它們之間的相互作用可能引起系統層面上的意外故障,甚至遠遠超各個部件單獨出現故障的總和。

正如水下工程師所說,這種現象有時將增加性能問題和系統故障發生的可能性,對經濟和HSE產生不利影響。如此,便可以理解為什么作業者堅持采用高效、低成本的措施來識別引起故障的根本原因并加以修正。

通常,物理試驗是驗證鉆井控制系統的預期操作效果及動態穩定性的唯一方法。如今,高速數字計算為模擬復雜的控制系統的動態提供了替代方案,這就減少了昂貴的周期性物理試驗。這是一個傳統行業轉型的典型范例,形成了一套檢查并了解已連接系統行為的新方法??紤]到鉆機的系統行為遠超其單獨構成組件的行為總和,本方法以模型為基礎,可解決鉆機控制系統的問題,診斷并處理設備問題,為作業者頭疼的故障提出補救措施。

組件不穩定性

最近的一個案例研究,記錄了一個關于該方法的使用實例,一家經營深水鉆井船的公司多次記錄到鉆井控制電路的故障,導致每部受影響的鉆機都會停機超過30小時/年。電路故障的主要特點是液壓控制組件的性能不穩定。操作驅動器時,壓力調節器劇烈振蕩,造成高壓瞬變、調節器故障、調節器及其相關硬件無法操作等問題。重復進行了故障排除、測試和監測。嘗試過的補救措施包括:

  • 采用不同廠家的產品更換壓力調節器;
  • 采用液壓蓄能器吸收瞬變壓力;石油圈原創www.h29736.cn
  • 強化組件的結構強度。石油圈原創www.h29736.cn

更換組件的作用效果有限,可靠性最多能維持一年。更重要的是,通過全面檢查歷史數據,發現早在10年前就發生過一系列相關故障。石油圈原創www.h29736.cn

基于模型的方法

不幸的是,類似的現場難題非常常見。上面討論的解決方案代表了行業解決上述問題的典型做法:將故障組件拆下來,送給服務技術人員,對推薦的解決方案進行物理測試,分析數據并排查故障,直到獲得有效的解決方案,但通常得到的只是一個暫時的“治標不治本”的解決方案。如此反復,對油氣公司和原設備制造商來說都是極高的成本。

當然,有一種方法可以解決當前的問題。本案例中被證明有效的方法是使用動態計算模型來評估系統行為。與傳統方法相比,這種模型可以先形成系統性能評估基準,然后無限迭代,直到找到最優解。石油圈原創www.h29736.cn

就其核心而言,模型只是一種將系統的輸入與輸出關聯起來的簡單方法。另外,系統可以被分解成子系統和單獨的零部件。雖然鉆井控制系統是一套復雜的水力機械系統,但通常以一個可接受的完整性程度,采用一個相對簡單的低階物理模型就可以量化系統行為?;诹黧w力學和動力學的基本原理,使用離散的模擬軟件包,就可以構建一個故障液壓控制電路。

尋求解決方案

根據模擬過程,確定了現場出現高壓瞬變的根本原因,而高壓瞬變正是導致井場性能問題的主要因素。研究發現在組裝零部件的時候,空氣進入了電路,改變了基本的流體性質,并引發了振蕩的液壓響應。根據該模型預測,僅需一個簡單的止回閥,就能防止空氣進入電路,從而消除該問題。導致故障增多的關鍵原因不是調節器或其他部件的內在缺陷,而是安裝過程中這些簡單部件連接時出現的系統突發行為。石油圈原創www.h29736.cn

解決現實問題

如果想取得成功,正確的做法是采用系統方法解決系統問題,而不是采用零散方法解決系統問題。如果將焦點放在零部件的問題上,可能會掩蓋真相,真實原因可能是系統的整體紊亂。這種系統紊亂可能是看似簡單的零部件連接過程中產生的。關鍵點不在于基于模型的解決方案的設計,而在于模型的工作原理。英國數學家George Cox有句格言,“模型的整體可能是錯誤的,但模型的部分也許是有用的?!备鶕x,模型只是現實狀況的近似情形。想要構建一個模型,需要抽象出建模系統的顯著特征,同時要限定無關的假設以及高階效應。

動態計算模型分析原理:通過將數學和物理第一定律與現實世界的數據相結合,我們可以超越靜態的工程圖紙,獲得現代鉆井控制系統的整體、動態呈現。這將為我們帶來更安全、更可持續和更可靠的鉆井生態系統。石油圈原創www.h29736.cn

事實上,本案例中構建的模型最初的預測結果與實際系統中觀察到的結果相反。這種差異也經常引起大家對建模和模擬的質疑。然而,即使表面看來沒有了解決方案,我們也不應該放棄以模型為基礎的解決方案。物理模型有利于大家根據工程第一定律,對系統形成直觀整體的理解。它能幫助我們以大局觀看待問題,如零件總成如何隨時間以復雜的方式運作,以及如何幫助我們捕獲集成系統的突發行為。

在本案例的研究中,有了大局觀意識后,我們便能夠形成一個可驗證的假設:圈閉空氣引起流體電容增加,是造成壓力瞬變、零部件失效的原因嗎?模型的價值不僅在于回答這個問題,更多的是能夠找到這個問題。它不僅僅是提供問題的答案,而是讓我們能夠在執行非常復雜的作業任務時,找出真正的問題所在。

系統更安全、可靠

經驗是一個冷酷無情的老師,我們需要先考試,然后再上課。鉆機的非生產時間造成的損失是巨額的。幸運的是,先進的數字工具和工程工藝的改進,讓我們能夠提前“偷看”考試題?;谀P偷你@井控制系統設計和分析,為我們帶來了一套在系統層面了解系統行為的方法。這里討論的案例研究,只揭示了冰山一角;該方法近期在解決水下BOP控制線路相關問題時,發揮了重要作用,節約了數百萬美元。

作者/Daniel C. Barker ? 譯者/白小明 ? 編輯/張永君

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白礬
石油圈認證作者
畢業于中國石油大學(華東),油氣井工程碩士,長期聚焦國內外石油行業前沿技術裝備信息,具有數十萬字技術文獻翻譯經驗。
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