用于测试多路复用的BOP控制系统的方法及系统 |
|||||||
| 申请号 | CN201180043559.7 | 申请日 | 2011-07-15 | 公开(公告)号 | CN103119241B | 公开(公告)日 | 2016-10-05 |
| 申请人 | 海运控制公司; | 发明人 | O·埃格兰; | ||||
| 摘要 | 一种用于测试多路复用的BOP控制系统（6）的测试系统及方法，其中多路复用的BOP控制系统（6）包括第一和第二冗余中央控制单元（10，20），其具有各自的第一和第二操作人员控制台（30，31），其中所述中央控制单元（10，20）被设置用于经由第一 信号 传输系统（40）连接各自的第一冗余海底控制系统和第二冗余海底控制系统（11，21），所述海底控制系统（11，21）被设置用于连接 水 下BOP（1）中的BOP 阀 （50）和BOP 传感器 （55），并且该测试系统包括控制系统信号 模拟器 （42），其被设置用于连接在所述控制单元（10，20）中的一个或多个与所述海底控制系统（11，21）中的一个或多个之间，且进一步地被设置用于完全或部分取代第一 信号传输 系统（40），以及在所述控制单元（10，20）中的一个或多个与所述海底控制系统（11，21）中的一个或多个之间提供 模拟信号 （41）。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于多路复用的BOP控制系统(6)的测试系统，其中，所述多路复用的BOP控制系统(6)包括具有各自的第一操作人员控制台和第二操作人员控制台(30、31)的第一冗余中央控制单元和第二冗余中央控制单元(10、20)，其中，所述第一冗余中央控制单元和所述第二冗余中央控制单元(10、20)被设置成经由第一信号传输系统(40)连接到各自的第一冗余海底控制系统和第二冗余海底控制系统(11、21)，所述第一冗余海底控制系统和第二冗余海底控制系统(11、21)被设置成连接到海底BOP(1)中的BOP阀(50)和BOP传感器(55)，并且其中所述测试系统包括： |
||||||
| 说明书全文 | 用于测试多路复用的BOP控制系统的方法及系统技术领域[0001] 本发明涉及海洋石油眼孔的钻井中的防喷器。在深海海洋钻井操作中，防喷器（BOP）是保证安全所必不可少的。BOP具有复杂的计算机控制系统，并且最重要的是保证这些控制系统恰当且有效地运转。目前可获得的测试方法不足以检测BOP的计算机控制系统中的软件错误，且这会导致使得不得不中止钻井操作并且将BOP从海底提升至平台或者进行水下修补的问题。这将造成巨大的额外钻井费用，因为钻机将持续一天或多天不运转。此外，BOP控制系统中的软件错误会引发潜在的危险状况，该状况会导致井喷。 背景技术[0003] 将参考附图中的图1给出防喷器（BOP）的背景知识。防喷器（BOP）为一组阀。BOP的主要功能是打开和关闭井眼。为了利用浮动设施（4）或者陆地遥控设施在深水处钻井，在钻井过程中在海底的井口（5）上安装BOP。 [0004] 典型地，海底BOP组阀包括： [0006] －管闸板，其是在井眼中存在钻杆时封闭BOP的阀。 [0007] －全封闭闸板，其是在井眼中不存在钻杆时封闭井眼的阀。 [0008] －剪切式闸板，其是切断钻杆并且封闭井眼的阀。 [0009] －钻井四通，其用于连接阻流管线和压井管线。 [0010] LMRP（低位海洋隔水管总成座Lower Marine Riser Package）（2）被装配在海洋隔水管（3）的下端，并且被用于连接海底BOP组。LMRP（2）具有一组阀来控制海洋隔水管（3）下端的打开和关闭。 [0011] 在钻井操作中，典型地通过经由海洋隔水管（3）从钻机上降下的旋转钻柱进行钻井。钻柱是中空的，且包括一系列相连的钻杆段。通过钻柱向下泵送钻井泥浆，钻井泥浆在井底经钻头流出，进入眼孔中的环形空间。然后，泥浆经由环状体（其为钻柱和井外壁之间的空间）上升至钻机，经由海底BOP返回，且通常经由钻井隔水管上升，并且返回到浮动设施（4）。 [0012] 海洋隔水管（3）是相对柔软的管道，该管道形成从钻机上的钻台到安装于海底上的海底BOP的连接。隔水管包含钻柱和经环状体返回的钻井泥浆。 [0013] 深海钻井通常从船一样的浮动船只或浮式钻机上进行。这样的浮动船只可以被锚固，但是对于深海而言，当前的主流做法是采用动态定位，其中通过动态定位系统将浮动船只保持在期望位置上，该动态定位系统为一种计算机系统，该计算机系统记录如通过位置参考系统（例如GPS接收器、张索或水声系统）测量的位置。 [0014] ROV（遥控载具）是具有摄像机和机械臂以及一系列传感器（例如压力传感器和航向传感器）的水下船只。通过向ROV供应电能和命令信号的电缆从水面对ROV进行控制和操作，并且ROV将摄像机图像和传感器信号回送到水面。 [0016] MUX（多路复用）BOP控制系统通常被用于在超过3500英尺的水深下的钻井。在MUX BOP控制系统中，从平台将电信号传给BOP。这样的系统通常使用平台上的PLC（可编程逻辑控制器），该PLC与包含在海底BOP上的水密舱中的海底电子器件进行通讯。这样的解决方案允许对逻辑功能的编程和对操作的自动排序。采用冗余的硬件来提高可靠性。 [0017] 此外，BOP控制系统将具有自动触发的紧急BOP控制能力（也叫做辅助介入系统）。这可以包括： [0018] －所谓“Deadman”系统，将其与海底控制系统独立地安装在BOP上，并且所谓“Deadman”系统响应于失去与水面的通讯来提供信号以便在无操作人员参与的情况下封闭井眼。 [0019] －自动模式功能系统，其在海底舱或海底控制系统上运行，并且响应于失去与水面的通讯来在无操作人员参与的情况下封闭井眼。 [0020] －自动剪切功能 [0021] －在动态定位的钻机上使用EDS（紧急断开连接系统）。由操作人员通过推压按钮来触发EDS。海底BOP于是将自动履行一序列操作来为LMRP（2）与海底BOP的安全断开连接做准备。这可以包括关闭压井阀和阻流阀，以及关闭剪切式闸板以切断钻柱。 [0022] 使用冗余来改进可靠性。与此同时，冗余增加了计算机系统的复杂度，如果因为复杂的设计转而导致出现软件或硬件错误，则会引发问题。 [0023] 可被设计成执行类似功能的辅助介入系统的交互作用是另一个错误来源。 [0025] US 2009/0101350A1号美国专利申请描述了一种系统和方法，其利用可拆卸的模块式部件组来允许围绕故障部件的备用或替换的流体流动路径。在一个示例性实施例中，ROV通过将软管的一端连接模块式阀块，并且将另一端连接到介入换向阀来形成通向BOP功能的备用液压流，从而绕过和隔离故障部件。 [0026] 2008/0257559A1号美国专利申请描述了一种混合过程控制系统，其包括向海底液压功率单元传输电功率，海底液压功率单元转而提供液压功率来控制液压致动器。与传统顶层液压功率单元结合地使用脐带缆中的小孔径管道的循环系统关于由海底液压致动器产生的污染（尤其是来自井下安全阀的工艺气体）来提供对液压流体的质量的主动控制。 [0027] 2008/0185143A1号美国专利申请描述了一种测试防喷器（BOP）的方法和装置，其中增压单元向BOP的通孔的隔离部分提供流体。表示随着连续时间点的通孔隔离部分中的实际压力的信号以及预定的不确定性有限状态自动机被用于根据相对于预定可接受的泄漏率的时间以及达到稳定的时间来预测通孔的隔离部分中的压力。 [0028] 国际专利申请WO2008127125A2公开了一种用于测试钻井测试系统的回路测试系统中的硬件和测试方法。 [0029] US4935886A1公开了一种具有工厂操作模拟器的工厂控制系统，该工厂控制系统包括实际的工厂操作控制系统和在实际的工厂操作控制系统的部分功能脱机的情况下用于控制工厂操作的模拟的控制器。 [0030] US2007100478A1公开了一种用于测试控制系统是否能够检测和处理石油处理工厂中的故障、失败或失败模式的系统。 [0031] 基于MUX技术的BOP控制系统取决于多个计算机系统的正确运作以及这些系统通过接口电子器件和通讯电缆的接合。BOP控制系统经历与工厂验收测试（FAT）和安装在钻机上期间的试运行相关的大量测试。 [0032] 现有的测试方法包括运行不同的操作命令以查看BOP控制系统是否执行规定的功能。此外，可以建立一些故障情形以验证BOP控制系统能够处理这样的故障情形。 发明内容[0034] 多路复用的BOP控制系统的功能按照规范、规则和准则运行，以及故障状况被多路复用的BOP控制系统恰当且有效地处理。 [0035] 在实施例中，本发明为一种多路复用的BOP控制系统的测试系统，其中所述多路复用的BOP控制系统包括具有各自的第一操作人员控制台和第二操作人员控制台的第一冗余中央控制单元和第二冗余中央控制单元，其中所述中央控制单元被设置为经由第一信号传输系统来连接到各自的第一冗余海底控制系统和第二冗余海底控制系统，所述冗余海底控制系统被设置为连接到海底BOP中的阀和传感器，并且所述测试系统包括控制系统信号模拟器，所述控制系统信号模拟器被设置为连接在所述控制单元中的一个或多个与所述海底控制系统中的一个或多个之间，且进一步地被设置为完全或部分取代所述第一信号传输系统并且在所述控制单元中的一个或多个与所述海底控制系统中的一个或多个之间提供模拟信号。 [0036] 在实施例中，该测试系统还包括BOP阀及传感器模拟器，该BOP阀及传感器模拟器被设置为连接到所述海底控制系统中的一个或多个，且进一步被设置为完全或部分地取代所述BOP阀和BOP传感器，以及向所述海底控制系统提供模拟的传感器信号。 [0037] 本发明还是一种用于测试上述的多路复用的BOP控制系统的方法，其包括： [0038] －通过将控制系统信号模拟器连接于所述控制单元中的一个或多个与所述海底控制系统中的一个或多个之间，来利用所述控制系统信号模拟器完全或部分取代所述第一信号传输系统， [0039] －从所述控制系统信号模拟器向所述控制单元中的零个或更多个以及所述海底控制系统中的零个或更多个提供模拟信号。 [0040] 在实施例中，该方法还包括将所述BOP模拟器连接到所述海底控制系统中的一个或多个，并且从所述BOP模拟器向所述海底控制系统提供模拟的BOP信号。 [0041] 中央控制单元和海底控制系统之间的通讯线路或第一信号传输系统由控制系统信号模拟器替代，所述控制系统信号模拟器可以被用于修改信号、引入信号错误、以及检查与冗余相关的功能，和在中央控制单元与海底控制系统之间提供修改的或模拟的信号。 [0042] 该模拟的信号可以包括从所述控制单元中的一个或多个到相应的海底控制系统的模拟控制信号。该模拟的信号还可以包括另一方向上的信号，即从所述海底控制系统中的一个或多个到相应的控制单元的模拟传感器信号或其它信号。 [0043] 在实施例中，模拟的信号可以为修改的信号、或者基于模型计算的信号或者模拟损坏连接的零信号。 [0044] 模拟信号的修改可以包括例如增加噪声（诸如白噪声）和引入漫游（roaming）和/或抖动及漂移。模拟信号可以基于例如水下BOP或BOP的特定部件（诸如阀和传感器）的模型、和/或多路复用的BOP控制系统的模型等进行计算。 [0045] 本发明还可以被用于可以通过流动线以及通过脐带连接系统连接到平台或陆上终端的远程海底井。 [0046] 根据本发明的实施例，可以对具有两个以上的冗余系统的多路复用的BOP控制系统进行测试。然后可以用第三种颜色（例如绿色）来标示该第三系统。在具有例如三个冗余系统的实施例中，多路复用的BOP控制系统还包括：第三冗余中央控制单元，其被设置为经由所述第一信号传输系统连接到第三冗余海底控制系统（110），所述第三冗余海底控制系统被设置未连接到所述海底BOP中的阀和传感器；以及控制系统信号模拟器，其被设置为连接在所述控制单元中的一个或多个与所述海底控制系统中的一个或多个之间，且进一步地被设置为完全或部分取代所述第一信号传输系统以及在所述控制单元中的一个或多个与所述海底控制系统中的一个或多个之间提供模拟信号。 [0047] 与背景技术相比，本发明的优点在于，能够更为有效地执行大量测试，并且可以在不访问海底BOP组的情况下完成测试。此外，基于模拟的系统使得能够执行对于实际的海底BOP组而言难以执行或者执行起来甚至有害的测试。 [0048] 一个重要的优点在于，本发明允许对冗余问题进行非常详细和密集的测试，该冗余问题即，在系统运转的同时，如何能够将控制功能从例如蓝色中央控制单元切换到黄色中央控制单元，以及从蓝色舱或海底控制系统切换到黄色的。基于模拟的本发明的方式允许详细检查在如此的情形下传递的信号，这对于检测和诊断错误而言可能是关键的。 附图说明[0049] 图1是具有隔水管、LMRP和海底井口上的BOP的海洋钻井平台或船只的图示； [0050] 图2示出了多路复用的BOP控制系统； [0051] 图3在基于信号的方框图中示出了根据本发明实施例的多路复用的BOP控制系统测试布置； [0052] 图4在基于功能的方框图中示出了根据本发明实施例的多路复用的BOP控制系统布置。 具体实施方式[0053] 现在将参见附图进一步描述本发明。这些附图仅为了图示目的而被附着，这些附图不应被解释成限制本发明的范围，本发明的范围仅由权利要求来限定。 [0054] 图1是之前在背景技术部分解释的、具有海洋隔水管（3）、LMRP（2）和海底井口（5）上的海底BOP的海洋钻井平台或船只（4）的图示。 [0055] 图2示出了将由根据本发明的测试系统和方法进行测试的多路复用的BOP控制系统。在该平台或船只（4）上使用两个相同的计算机实现的中央控制单元（CCU），一个CCU被标示为蓝色系统，一个CCU被标示为黄色系统。平台上的中央控制单元与海底电子器件进行通讯，所述海底电子器件包括两个相同的海底控制系统，海底控制系统被称作SEA（海底电子器件总成），一个海底控制系统（11）在海底BOP上的蓝色控制舱中，另一个海底控制系统（21）在海底BOP上的黄色控制舱中。 [0056] 在本发明的实施例中，本发明被用于井口（5）的海底BOP上，该BOP被连接到DP控制下的浮动平台（4）的海洋隔水管（3）下方的LMRP（2），如图1所示那样。该海底BOP被安装在井眼的井口（5）上，并且利用下部LMRP（2）连接到海洋隔水管（3）。图2中示出了多路复用的BOP控制系统。在该系统中，“蓝色”中央控制单元（10）和“黄色”中央控制单元（20）均位于平台（4）上，并且连接到平台（4）上的若干个操作人员控制台。中央控制单元还通过信号传输系统（包括例如串行通讯线和光纤通讯线）连接到“蓝色舱”中的“蓝色”海底控制系统（11）和“黄色舱”中的“黄色”海底控制系统（21），其中，该舱被装在海底BOP上且连接到BOP阀的致动器和BOP传感器。 [0057] 钻井操作人员利用操作人员控制台（30、31）来控制海底BOP的BOP阀，并且接收来自海底BOP中的BOP传感器的信号。操作人员控制台（30、31）连接到浮动设施（4）处的中央控制单元（10、20）。操作人员选择将使用平台上的哪个冗余中央控制单元（10、20）和海底BOP（1）处的哪个冗余海底控制系统（11、21）来控制海底BOP（1）。 [0058] 操作人员可以利用多路复用的BOP控制系统来执行以下工作： [0059] －在地层流体流入井中和检测到潜在的井喷状况时，关闭（封闭）井； [0061] －如果检测到存在从地层到井的高压涌入，则打开压井管线以便能够将压井泥浆从压井管线注入到井眼中，以使井处于控制之中。 [0062] －打开穿过海底BOP的主眼以允许钻杆、套管或其它物体通过BOP。 [0063] 本发明的重要特征是使用模拟器及连接到多路复用的BOP控制系统（6）的不同部分来测试： [0064] －多路复用的BOP控制系统（6）的功能按照规范、规则和规程运行。 [0065] －通过多路复用的BOP控制系统恰当且有效地处理故障状况。 [0066] 在本发明的实施例中，多路复用的BOP控制系统测试系统被设置成执行包括以下测试的一项或多项测试： [0067] －蓝色和黄色中央控制单元的冗余处理的测试； [0068] －SEA舱的海底控制系统的功率损耗和重启能力的测试； [0069] －紧急断开连接序列的测试； [0070] －声电－液压POD功能的测试； [0071] －FRU、HPU和分流器的PLC控制的测试； [0073] －I/O、网络和操作员站的协议的测试。 [0074] 在图3中示出了本发明实施例的高层次图，其中强调测试信号。其中示出了第一和第二中央控制单元（10、20）与第一和第二海底控制系统（11、21）之间的模拟信号（41）。模拟信号（41）可以是双向信号，例如从中央控制单元（10、20）到相应的海底控制系统（11、21）的控制信号，以及从海底控制系统（11、21）到相应的中央控制单元（10、20）的信号。多路复用的BOP控制系统（6）的内部信号（诸如握手和协议特定信息）也可以为模拟信号（41）的一部分。 [0075] 图4示出了本发明的实施例，其中示出了具有两个和三个冗余BOP控制系统的多路复用的BOP控制系统（6）。现今，之前描述的具有蓝色和黄色的控制系统及舱的冗余系统是占支配地位的，本发明目的在于测试这样的冗余系统。然而，本发明也可以通过相同方式被用于测试具有三个或更多的用于BOP的冗余控制系统及舱的冗余系统。 [0076] 根据本发明的实施例，多路复用的BOP控制系统包括具有相应的第一操作人员控制台和第二操作人员控制台（30、31）的第一冗余中央控制单元和第二冗余中央控制单元（10、20），其中所述中央控制单元（10、20）被设置为经由第一信号传输系统（40）连接到相应的第一冗余海底控制系统和第二冗余海底控制系统（11、21），所述海底控制系统（11、21）被设置为连接到海底BOP（1）中的BOP阀（50）和BOP传感器（55），所述测试系统包括控制系统信号模拟器（42），系统信号模拟器（42）被设置为连接在所述控制单元（10、20）中的一个或多个与所述海底控制系统（11、21）中的一个或多个之间，且进一步地被设置为完全或部分取代所述第一信号传输系统（40）并且在所述控制单元（10、20）中的一个或多个与所述海底控制系统（11、21）的一个或多个之间提供模拟信号（41）。 [0077] 根据实施例，本发明涉及通过将中央控制单元（10、20）连接到控制系统信号模拟器（42）和BOP阀及传感器模拟器（52）来测试多路复用的BOP控制系统（6），控制系统信号模拟器（42）和BOP阀及传感器模拟器（52）用中央控制单元（10、20）与海底控制系统（11、21）之间的模拟或修改的信号（41）来修改或替代一个或多个信号（40）。这是为了测试在上述测试场景中的缺失功率或者缺失一个或多个信号、信号中断、信号干扰等模拟情形下，中央控制单元（10、20）和舱中的海底控制系统（11、21）如何工作和交互。 [0078] 在实施例中，BOP阀和传感器模拟器（52）被设置成使得海底控制系统（10、20）连接到模拟的BOP阀及传感器系统（52），该系统（52）从黄色和/或蓝色舱中的海底控制系统（11、21）处接收信号，并且从BOP阀及传感器模拟器（52）中提供模拟的传感器信号（51）。 [0079] 根据本发明的实施例，该测试系统包括：所述模拟信号（41）为修改的信号、或者基于模型计算的信号或者模拟损坏连接的零信号。 [0080] 根据本发明的实施例，测试系统包括BOP阀及传感器模拟器（52），BOP阀及传感器模拟器（52）被设置为连接到所述海底控制系统（11、，21）中的一个或多个，且进一步被设置为完全或部分取代所述BOP阀（50）和/或BOP传感器（55），以及向所述海底控制系统（11、21）提供模拟的传感器信号（51）。 [0081] 根据本发明的实施例，BOP阀和传感器模拟器（52）被进一步设置为接收来自所述海底控制系统（11、21）的BOP控制信号（53）。 [0082] 根据本发明的实施例，模拟的传感器信号（51）为修改的信号、或者基于所述BOP（1）的模型计算的信号或者模拟损坏连接的零信号。 [0083] 根据本发明的实施例，该测试系统被设置用于测试下列中的一项或多项： [0084] －第一冗余中央控制单元和第二冗余中央控制单元（10、20）的冗余处理； [0085] －第一冗余海底控制系统和第二冗余海底控制系统（11、21）的功率损耗和重启能力； [0086] －紧急断开连接序列的测试； [0087] －第一冗余海底控制系统和第二冗余海底控制系统（11、21）的声电－液压功能的测试； [0088] －FRU、HPU和分流器的PLC控制的测试； [0089] －因部件故障导致的网络风暴的测试； [0090] －I/O、网络和操作人员控制台的协议的测试。 [0091] 根据本发明的实施例，多路复用的BOP控制系统（6）还包括第三冗余中央控制单元（100），第三冗余中央控制单元（100）被设置用于经由第一信号传输系统（40）连接到第三冗余海底控制系统（110），所述第三冗余海底控制系统（110）被设置用于连接到所述BOP阀（50）和所述BOP传感器（55），其中所述控制系统信号模拟器（42）被设置用于连接在所述控制单元（10、20、100）中的一个或多个与所述海底控制系统（11、21、110）中的一个或多个之间，且进一步地被设置用于完全或部分取代所述第一信号传输系统（40）以及在所述控制单元（10、20、100）中的一个或多个与所述海底控制系统（11、21、110）中的一个或多个之间提供模拟信号（41）。 [0092] 在实施例中，本发明是一种测试多路复用的BOP控制系统的方法，其中所述多路复用的BOP控制系统包括： [0093] －第一冗余中央控制单元和第二冗余中央控制单元（10、20），其具有相应的第一操作人员控制台和第二操作人员控制台（30、31），其中所述中央控制单元（10、20）经由第一信号传输系统（42）连接到相应的第一冗余海底控制系统和第二冗余海底控制系统（11、21），所述第一冗余海底控制系统和第二冗余海底控制系统（11、21）连接到海底BOP（1）中的BOP阀（50）和BOP传感器（55）， [0094] 所述方法包括： [0095] －通过将所述控制系统信号模拟器（42）连接于所述控制单元（10、20）中的一个或多个与所述海底控制系统（11、21）中的一个或多个之间，利用所述控制系统信号模拟器（42）完全或部分取代所述第一信号传输系统（40）； [0096] －从所述控制系统信号模拟器（42）向所述控制单元（10、20）中的零个或更多个以及所述海底控制系统（11，21）中的零个或更多个提供模拟信号（41）。 [0097] 根据本发明的实施例，该方法包括将BOP阀及传感器模拟器（52）连接到所述海底控制系统（11、21）中的一个或多个，以及从所述BOP模拟器（52）向所述海底控制系统（11、21）提供模拟的传感器信号（51）。 [0098] 根据本发明的实施例，该方法包括在所述BOP模拟器（52）中从所述海底控制系统（11、21）处接收BOP控制信号（53）。 [0099] 根据实施例，本发明为一种多路复用的BOP控制系统（6）的测试系统，其包括： [0100] －具有操作人员控制台（30、31）的第一和第二冗余水面中央控制系统CCU（10、20），第一和第二冗余水面中央控制系统CCU（10、20）被设置用于设在水面船只（4）上以及经由信号传输系统（40）连接到第一和第二冗余海底控制系统SEA（11、21），所述冗余海底控制系统SEA（11、21）被设置为进行连接以向海底BOP（1）中的阀发送和从海底BOP（1）中的阀接收控制及传感器信号（50），还包括：被设置用于连接在所述水面控制系统（10、20）中的一个或多个与所述海底控制系统（11、21）中的一个或多个之间的信号模拟器（42、52），所述信号模拟器（42、52）被设置用于完全或部分取代所述信号传输系统（40），并且在所述水面控制系统（10、20）中的一个或多个与所述海底控制系统（11、21）中的一个或多个之间提供模拟信号（41）。 [0101] 根据本发明的实施例，信号模拟器（42、52）包括舱（11、21），舱（11、21）连接到模拟的BOP阀及传感器系统（52），该模拟的BOP阀及传感器系统（52）从黄色和/或蓝色舱（11、21）处接收信号，并且提供来自模拟的BOP阀及传感器（52）的模拟的传感器信号（51）。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈