资源描述：
Ma r ．2 O1 4 机床与液压 Hy d r o me c ha t r o n i c s Eng i n e e ring V0 1 ．4 2 No ．6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 i 3 S i mul a t i o n o f h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f d e e pwa t e r s u bs e a b l o wo u t pr e v e n t e r s t a c k s F e i GE“ ， Ho n g GUO ，Bo L I ，Z h e n g XU G r e a t S i mT e c h n o l o b y C o ． ， L d t ． ， B e ifi n g 1 0 0 0 3 6 ， C h i 凡 0 ； 。 C h i n a N a t i o n a l O f f s h o r e O i l C o r p o r a t i o n ， B e ij i n g 1 0 0 0 2 7 ，C h i 口 1 ． I n t r o du c t i o n Ab s t r a c t T h e o i l a n d g a s in d u s t r y h a s b e e n c o n s t a n t ly a ff e c t e d b y n u me r ou s b l o wo u t s s i n c e i t wa s e v o lv e d ．Blo wo u t wh ic h i s c a u s e d ma i n l y b y k i c k ，l e ad s t o l o s s o f v a l u a b l e r e s e we s a n d a l s o c a u s e s p r o p e r t y d a ma g e a l o n g wit h IO S S o f I if e．Su b s e a b l o wo u t p r e v e n t e r f BOP s t a c k is t h e k e y e q u i p me n t wh i c h e n s u r e s t h e s a f e t y o f we l l b o r e o p e r a t io n．On c e t h e b l o wo u t o c c u r s．t h e c o n t r o l s y s t e m o f BOP wi l I a c t u a t e t h e c o r r e s p o n d i n g v a lv e a n d c lo s e t h e p r e v e n t e r wi t h i n a s p e c ． ifi e d t i me ．Th is p a p e r i n v e s t ig a t e d t h e d y n a mic b e h a v ior o f h y d r au l i c c o n t r o l s y s t e m o f d e e p wa t er s u b s e a B OP s t a c k s．Ma t h e ma t i c s imu la t io n mo d e l s o f t h e r a m a n d a n n u l a r p r e v e n t e r s a r e e s t a b ． 1i s h e d b y u s i n g S i mu l a t i o n X s o f t wa r e．Diffe r e n t c a s e s a r e s t u d i e d t o v e n f 、 ， wh e t h e r it i s a p p r o p r i ． a t e t o b e o p e r a t e d a c c or d i n g t o API r e q u i r e me n t s a t t h e wa t e r d e p t h o f 1 5 2 4 m． Ke y wo r d s Su b s e a d r il l in g，Blo wou t p r e v e n t e r ，Hy d r a u li c c o n t r o l s y s t em，Si mu l a t i o n Bl o w o u t i n t h e o i l a n d g a s i n d u s t r y i s a p o t e n t i a l r i s k o f h u m a n l i f e i n j u r y ．e c o n o m i c l O S S o r e n v i r o n ． me n t a l d a ma g e ． T h e r e h a v e b e e n ma n y r e p o rte d i n c i d e n t s o f b l o wo u t s i n t h e pa s t c a u s i ng g r e a t da ma g e t o b o t h h u ma n l i f e a n d e n v i r o nme nt ．A l o t o f mo n e y a n d ha r d wo r k h a v e b e e n r e s e a r c h i n g o n ho w t o p r e v e n t a b l o wo u t o r c o ns t r a i n i t wi t h t h e mi n i mu m o f da ma g e． Bl o wo u t i s c a u s e d ma i n l y b y k i c k． Du r i n g t h e t i me o f d r i l l i n g t h e p r e s s u r e o f t h e f o r ma t i o n s h o u l d b e k e p t u n d e r c o n t r o 1 ．T h e f o r ma t i o n p r e s s u r e c a n b e k e p t i n c o n t r o l b y u s i n g d r i l l i n g fl ui d s whi c h s ho u l d h a v e a d e n s i t y mo r e t h a n t h a t o f f o rm a t i o n flu i ds ． I f t h e de n s i t y o f f o r ma t i o n flu i d s i s h i g he r t h a n t h e d e n ． s i t y o f d ril l i ng flu i d s，t h e f o r ma t i o n flu i ds c a n e n t e r t h e bo r e h o l e a n d c i r c u l a t e a l o n g wi t h d r i l l i ng flu i d s ． wh i c h c a n p a v e t h e w a y f o r b l o w o u t 『 1 ] ． Re c e i v e d2 01 31 0 2 0 十F e i GE，P h D．E ma i l g e f e i g s i mx ． e o n l A s u b s e a b l o w o u t p r e v e n t e r B O P s y s t e m p l a y s a n e x t r e me l y i mp o r t a n t r o l e t o p r o v i d e s a f e wo r k i n g c o n d i t i o n s f o r d r i l l i n g a c t i v i t i e s i n d e e p wa t e r r e g i o n s ． S u b s e a BOP f a i l u r e s c o u l d c a u s e c a t a s t r o p hi c a c c i d e n t s s uc h a s t h e e x p l o s i o n o f t h e d e e p- s e a p e t r o - - l e u m d ril l i n g g d e e p wa t e r h o r i z o n a n d t h e o i l s p i l l o f f t h e c o a s t o f L o u i s i a na o n Ap r i l 2 0 ， 2 01 0． Th e s u bs e a BOP o n t h e d e e p wa t e r h o riz o n r i g wa s b e l i e v e d t o h a v e f a i l e d i s o l a t i n g t h e we l l be f o r e a n d a f t e r t he e x p l o s i o ns ． Th e s u b s e a BOP mi g h t ha v e be e n f a u l t y b e f o r e t h e b l o wo u t ，o r i t mi g h t h a v e b e e n d a m． a g e d b e c a u s e o f t h e a c c i d e n t [ 2 ] ．I n t h e w a k e o f r e ． c e n t d i s a s t e r s i n o i l a n d g a s e x p l o r a t i o n a nd p r o d u c t i o n，t h e p e r f o r ma n c e e v a l ua t i o n o f s ub s e a BOP s y s - t e rns c o u l d b e r e c o g n i z e d． R e l a t i v e l y s i mp l e a n d e c o n o mi c a l h y d r a u l i c b l o w o u t p r e v e n t e r B OPe o n t r o l s y s t e ms mu s t b e r e ． p l a c e d b y c o mp l e x a n d e x pe ns i v e mu l t i p l e x e l e c t r i c s y s t e ms a t d e p t h s wh e r e t he h y d r a u l i c s i g n a l ，t r a v e l i n g a t t h e s p e e d o f s o u n d，b e c o me s t o o l o n g for t h e f u n c t i o n t o b e e x e c ut e d wi t hi n t he p r e s c r i be d t i me p e r i o d．I n s u bs e a a p p l i c a t i o ns ，t h e t o t a l t i me t o o p e r a t e c l o s e o r o p e n a B O P c a n b e s p l i t i n t o t w o p a rt s Fe i GE，e t a l S i mu l a t i o n o f h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f de e p wa t e r s u bs e a b l o wo u t p r e v e n t e r s t a c k s 6 5 s i g na l t i me a n d fil l up t i me ． Th e s i g n a l t i me i s t h e t i me r e qu i r e d f o r t h e p i l o t s i g na l f r o m t h e s u rfa c e t o r e a c h t h e c o r r e s p o n d i n g v a l v e i n t h e s u b s e a c o nt r o l p o d．Th e fil l u p t i me i s t h e e l a p s e d t i me be t we e n a c t i v a t i o n o f t h e s u bs e a po d v a l v e a n d f u l l e x e c u t i o n o f t h e BOP f u n c t i o n． T he p u r po s e o f t h i s pa pe r i s t o d e t e r mi n e whe t h - e r a n e l e c t r o h y d r a ul i c mu l t i p l e x c o n t r o l s c o u l d b e a p pl i e d t o wa t e r wi t h d e p t h o f 1 52 4 m． Pr e v i o u s t e s t s c a r r i e d o u t b y o t he r c o mpa n i e s h a v e i n d i c a t e d t h a t t h e r e wa s a s t r o n g p o s s i b i l i t y t ha t a we l l d e s i g n e d c o n t r o l s y s t e m c o u l d pe rfo r m a s d e s i r e d．API c l o s i n g t i me s a r e 4 5 s f o r r a ms a n d 6 0 s for a n n u l a r BOP． Th e ma i n t a s k o f t hi s s t ud y i s t o b ui l d a ma t he ma t i c s i mul a t i o n mo d e l for t he BOP r a m a nd a n n u l a r f u n c ． t i o ns a n d c he c k i f i t i s a pp r o p ria t e t o b e o p e r a t e d a e c o r d i n g t o API r e q ui r e me n t s a t t h e wa t e r d e p t h o f 1 52 4 m． Th e s o f t wa r e t h a t i s u s e d i s S i mu l a t i o n X ．whi c h i s a n o b j e c t o ri e n t e d p r o g r a m t o a n a l y z e a n d o p t i mi z e t h e d y n a mi c b e h a v i o r o f flu i d po we r c o mpo n e n t s a n d s y s t e ms ．Th e bu i l t ． i n f e a t u r e s o f t h e h y d r a u l i c mo de l e l e me n t s i n c l u d e n o n． 1 i n e a r b e h a v i o r o f v a l v e s ．me． c h a n i c a l a n d v o l u me t ric e ffic i e nc y o f a c t u a t o r s ．c o n． p l e x fri c t i o n a nd e n d s t o p mo d e l s，a nd r e a l g a s a n d flu i d b e h a v i o r ． Mo r e o v e r 。i t p r o v i d e s a t a i l o r e d s u b ． s e a h y d r a u l i c l i b r a r y f o r s u b s e a c o n t r o l a p p l i c a t i o n s ． Th i s a l l o ws for n o n l i n e a r dy n a mi c a nd fl o w be h a v i o r o f t h e i n d i v i d ua l c o mp o n e n t s i n t h e a n a l y s i s o f t h e c o mp l e t e s y s t e m i n t e r a c t i o n． 2． Sy s t e m de s c r i p t i o n Th e s u b s e a BOP s y s t e m ma i n l y c o n s i s t s o f t h e s u b s e a BOP c o n t r o l s y s t e m a n d t h e s u b s e a BOP s t a c k．A t y pi c a l s u b s e a BOP s y s t e m i s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e I ． T he s u b s e a BOP c o n t r o l s y s t e m i nc l u d e s s u r f a c e a n d s u b s e a c o mp o n e n t s ．Th e s u rfa c e c o mp o n e n t s．1 o ． c a t e d i n t he d r i l l i n g“g，ma i n l y c o n s i s t o f t h e c e n t r a l c o n t r o l u n i t C C U ．I t i s t h e k e r n e l o f t h e c o n t r o l s y s t e m t h a t pr o v i d e s f u l l f un c t i o n a l a n d p r e s s u r e r e g u． 1 a t i o n c a p a b i l i t y ．Th e CCU i s mi c r o p r o c e s s o r ． b a s e d ， a n d t y p i c a l l y u t i l i z e s t r i p l e mo d u l a r r e du n d a n c y TMR c o n t r o l l e r s t o t r a n s mi t c o mma n d s f r o m t h e s u rfa c e t o t h e s u bs e a c o n t r o l p o d s ． Th e s u bs e a c o n． p o ne n t s o f t h e c o n t r o l s y s t e m a r e t wo c o mp l e t e l y i n d e ． p e n d e n t c o n t r o l p o d s ，t h e s u b s e a b l u e p o d a n d t h e s u b s e a y e l l o w p o d．wh i c h a f f o r d r e d un d a n t c o n t r o l o f a l l s u bs e a f un c t i o n s ． Ea c h p o d i nc l u d e s s ub s e a e l e c ． t r o n i c mo d u l e u s e d t o r e c e i v e t h e c o mma n d s i g na l s i n i t i a t e d o n t h e s u rfa c e． Th e c 0 n Fi g u r e u r a t i 0 ns o f s u bs e a BOP s t a c k v a r y b e c a u s e o f t h e d i f f e r e n c e s i n d r i l l i n g r e g i o ns ，o c e a n de p t h s，a n d s o o n ． Unt i l n o w ，n o d e fin i t e c o n fi g u r a t i o n s t a n d a r d s ha v e b e e n e s t a b l i s h e d． As s e c o n d a r y b a rr i e r s d u ri n g d r i l l i n g t h e p r i m a ry b a rr i e r i s t h e d r i l l i n g m u d ， t h e B O P s t a c k i s d e s i g n e d t o c l o s e t h e we l l a n n u l u s o r t he d r i l l p i pe ． T wo t y pe s o f p r e v e n t ． e r s，t he a n n u l a r p r e v e n t e r a nd t h e r a m p r e v e n t e r ，a r e u t i l i z e d．Du ring d e e p wa t e r dril l i n g，t he BOP s t a c k c a n b e e q u i p pe d wi t h o ne o r t wo a n n u l a r p r e v e nt e r s ， a l t h o u g h t h e BOP s t a c k i s us ua l l y e q u i p p e d wi t h f o u r o r mo r e r a m p r e v e n t e r s ．T he d i f f e r e n t p r e v e n t e r c o n． fig u r a t i o n s p r o v i d e d j ffe r e n t l e v e l s o f p e rfo rm a n c e s f o r t he s u b s e a BOP s y s t e m． S p e c i fic a l l y，a b l i n d s he a r r a m p r e v e n t e r i s u s e d t o s he a r t h e p i p e a n d s e a l t h e we l l ，wh i c h i s r e g a r d e d a s a n e me r g e nc y d e v i c e ．As s h o wn i n Fi g ur e ．1．t h e t y pi c a l s u b s e a BOP s t a c k i s e q u i p p e d wi t h t wo a n nu l a r p r e v e n t e r s a n d fou r r a m p r e v e nt e r s ， i n c l u d i n g a b l i n d s h e a r r a m a n d t h r e e p i p e r a ms ． F i g u r e 1 ． T y p i c a l a r c h i t e c t u r e o f a s u b s e a B O P s y s t e m[ 3 ] T h e s u b s e a B OP s t a c k i s u s u a l l y e q u i p p e d w i t h t wo h y d r a u l i c c o nn e c t o r s ， t h e L MRP c o n n e c t o r a n d t h e we l l he a d c o n n e c t o r ．Th e LMRP e o n ne c t o r i s l o - c a t e d i n t h e mi dd l e o f t wo a n n u l a r p r e v e n t e r s ．whi c h i s u s e d t o c o n n e c t t h e LMRP t o t he BOP s t a c k．Th e we l l h e a d c o n n e c t o r i s u s e d t o c o n n e c t t h e B OP s t a c k t o t h e we l l h e a d． T h e a n n u l a r p r e v e n t e r s ，r a m p r e v e n t e r s ， con． n e c t o r s ，a n d o t h e r c o mp o n e n t s s u c h a s t h e fl e x i b l e j o i n t ， c h o k e ／ k i l 1 v a l v e s ， a n d c h o k e ／ k i l l l i n e s a r e i n Hy d r o me c ha t r o n i c s En g i n e e r i n g t e g r a t e d t o f o r m t h e wh o l e s ub s e a BOP s t a c k ． 3． S y s t e m mo d e l i n S i mul a t i o nX S i mu l a t i o n X c o n t a i n s a l i b r a r y o f g e ne r i c mo d e l s f o r c o mp o n e nt s a n d v a l v e s t h a t a r e i nc l u d e d i n t h e mo s t c o mmo n d e e p wa t e r s y s t e ms ． Mo r e o v e r ．i t p r o v i d e s l o t s o f ba s i c h y d r a u l i c a n d me c h a ni c a l e l e me n t s，whi c h ma k e s i t e a s y t o s e t u p a t a i l o r e d c o rn p l i c a t e d mo d e l s u c h a s t h e s u b s e a BOP s t a c k s y s t e m． 3． 1． Annu l a r b l o wou t pr e v e n t e r An a n n ul a r t y p e b l o wo u t p r e v e n t e r c a n c l o s e a ． r o u n d t h e d r i l l s t r i n g．c a s i ng o r a n o n c y l i n d r i c a l o b j e c t ，s u c h a s t h e k e l l y ．A n n u l a r b l o w o u t p r e v e n t e r s a r e a l s o e ffe c t i v e a t ma i n t a i n i n g a s e a l a r o u n d t h e d r i l l p i pe e v e n a s i t r o t a t e s d u r i n g d r i l l i n g ． An a n nu l a r b l o wo u t pr e v e n t e r u s e s t h e p r i n c i p l e o f a we d g e t o s h ut i n t h e we l l b o r e ． F i g u r e 2 s h o ws t h e p h o t o o f a n a n n ul a r p r e v e n t e r ．I t h a s a d o n u t l i k e r u b be r s e a l ，k n o wn a s a n e l a s t o me r i c p a c k i ng u n i t ， r e i n f o r c e d wi t h s t e e l r i b s ．Th e p a c k i n g u n i t i s s i t u a t ． e d i 13 t h e BOP h o u s i n g b e t we e n t he h e a d a nd h y d r a u l i c p i s t o n． W h e n t h e p i s t o n i s a c t u a t e d，i t s u p wa r d t h ru s t f o r c e s t h e p a c k i ng u ni t t o c o ns t r i c t ，s e a l i n g t h e a n n u l us o r o p e n h o l e ． An n u l a r bl o wo u t p r e v e nt e r u ． s e s a“ w e d g e f a c e d ” c o n i c a 1 ． f a c e d p i s t o n ．As t h e p i s t o n r i s e s，v e r t i c a l mo v e me n t o f t he pa c k i n g un i t i s r e s t r i c t e d b y t he h e a d a n d t h e s l o p e d f a c e o f t he p i s t o n s q u e e z e s t he p a c k i ng un i t i n wa r d， t o wa r d t h e c e n t e r o f t h e we l l b o r e ． Fo r c e s a c t i n g o n t h e p i s t o n d u r i n g i t s a c t u a t i o n a r e s h o wn i n F i g u r e 3． W he r e， q 3 a n d q 4 r e pr e s e n t t h e wo r ki n g p r e s s ur e a n d t h e we l l p r e s s u r e ， r e s p e c t i v e l y l 4 ] ． Fi g ur e 2．An n ul a r b l o wo u t p r e v e n t e r Th e e l a s t i c i t y o f p a c k i n g u n i t i n a n n u l a r p r e v e n t e r i s e s t i ma t e d b y u s i n g fi ni t e e l e me n t me t h o d． I t i s a s s u me d t h a t t he l a s t 3％ o f s t r o k e i s u s e d t o s q u e e z e t h e pa c k i n g u n i t a r o u n d pi pe ．Th e e s t i ma t e d b e h a v i o r o f t h e a n nu l a r e l e me nt i s s h o wn i n F i g ur e 4． 2 5 0 2 O O 1 5 0 1 O0 O 50 O Fi g u r e 3． Pi s t o n i n a n nu l a r pr e ve nt e r Pi s t o n s t r o k e ／ c m Fi gu r e 4． An nu l a r p r e v e nt e r c o mpr e s s i o n f o r c e Fi g u r e 5 p r e s e n t s t he mo de l f 0 r a n
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