控制井喷

就工业事故而言，海上天然气或石油勘探的井喷肯定是最严重的事故之一。如果不加以控制，井喷会释放出高压气体，这些气体通常是有毒和易燃的，会造成环境破坏和可能的死亡。控制这些事件需要结合正确的硬件和控制策略。

海上钻探是一个复杂的过程。钻杆或钻柱从钻井平台向下延伸数千英尺，到达井口，并直接进入海底的井筒。该钻柱包含在隔水管或固体套管中，以形成封闭空间。立管内部是钻井泥浆，这是一种流体混合物，其绝对重量旨在遏制高压地层产生的任何隆起，而高压地层是最终目标。

但有时，新释放的碳氢化合物的“踢腿”会将钻井泥浆推向钻柱和隔水管。如果没有被较重的泥浆堵塞或压力控制系统阻止，石油或天然气就会冲上管道，像钻井平台顶部的间歇泉一样冒出来。这是一次井喷，在一个钻井平台这样小的地方，这是一场灾难。

包含管道爆裂

值得庆幸的是，如今井喷已经很少见了。这在很大程度上源于由实时计算网络控制的复杂而坚固的防喷器(BOPs)压力控制装置的出现。Hydril LLC发明了第一种液压防喷器和环空防喷器，其特点是套管内衬高强度橡胶，可以变窄或变宽，以控制油气流量。

Hydril在这些发明方面的声誉可以追溯到20世纪30年代，直到今天，该公司仍然是设计和制造防喷器和钻井控制系统的领导者。hydro产品在全球范围内都有使用，在钻井现场，在深度、井筒压力和温度方面都有最极端的环境。

一个主要的开发目标是提供多级备份保护。当前的设计通过将三个独立的软件规程——实时操作系统(RTOSs)、嵌入式高可用性数据库系统和企业级SQL服务器数据库管理——集成到一个单一的控制系统中来实现这一点。

企业数据库，微软的SQL Server，就在这个平台上，用于归档、报告和故障排除功能。嵌入式数据库，McObject的eXtremeDB High Availability，运行在QNX的Neutrino RTOS上，在钻机和海底的单个控制器上，提供数据的副本，以支持实时处理。

Hydril的目标是为行业生产安全可靠的防喷器和钻井控制系统。真正的冒险者是专业承包商，他们进行勘探钻探，以确定是否有值得开采的资源。最初的钻探是至关重要的，因为我们对地下的了解要少得多，而惊喜可能是最大的。这些承包商最关心的是，当井筒内的石油或天然气发生意外井涌时，是否有故障安全解决方案。

压力控制系统的关键硬件是防喷器，它本质上是一个大而重的压力控制阀。一个系统将使用多个专门的防喷器，配置在井口顶部的垂直堆栈中。在堆叠的上方是冗余的防喷器控制舱，每个防喷器控制舱由一个包含液压系统的下部单元和一个上部电子外壳(EH)组成。EH包含在一个3英寸厚的钢制圆顶容器中，以保护敏感的电子设备免受周围水压的影响。该吊舱还控制控制防喷器液压阀的螺线管。

钻一个复杂的过程

在运行过程中，每个冗余Pod不断收集来自远程传感器的数据，包括:

井筒中的温度和压力-显然，在10,000英尺深处非常寒冷，但钻井中使用的能量可以产生高达82-176°C(180 - 350°F)或更高的温度。井筒中的传感器能够测量高温和高压，监测压力峰值，以帮助预测和控制井涌。

定位—储层应保持垂直，立管应直接延伸至地面，但环境条件和钻井船的位置可能会使这成为一个挑战。吊舱电子外壳内的KVH光纤陀螺仪监测堆栈旋转，而倾斜仪测量倾斜。如果隔水管的位置与堆管或水面作业船无关，则钻机上的动态定位系统可以纠正问题。

液面-电子产品和盐水不能很好地混合，因此需要3英寸厚的一层电子外壳。如果吊舱内的水监测器和液位检测器显示有水，操作人员可以在损坏任何设备之前从地面关闭电子设备。然后备用pod接管对堆栈的主要控制。

螺线管电流-每个堆叠功能都通过电磁阀驱动控制。例如，如果吊舱发出信号，启动多个螺线管中的任何一个来打开或关闭防喷器阀，则必须监测每个螺线管的电流，以验证是否正常运行。

压力—防喷器液压压力必须超过周围水施加的静水压力，以保证正常工作，如果需要采取严厉措施，则需要更高的压力，以确保剪切管道。每个吊舱监测多达20个压力传感器，以保持适当的操作压力。

电状态吊舱的电力在地面产生，去除尖峰和噪音，转换为720伏或480伏，并传输到海底吊舱，在那里变压器将其降低到各种电压以操作电子设备。电力水平被持续监控。

圆荚体温度-电子产品对热也很敏感，这会降低性能。每个吊舱都监测电子外壳内的空气温度以及处理器核心温度。由于存在世界上最大的散热器(海洋)，海底电子外壳的温度通常不是问题。然而，当烟囱和吊舱在地面上时，穹顶温度可超过60°C。

在需要的地方提供数据

所有这些收集到的数据必须在正确的时间、正确的地点出现。为了提高数据管理效率，我们发现从三个方面来考虑系统是有用的:

首先，传感器收集的数据转移到控制器的本地数据存储中。吊舱中的主要控制器是基于Intel x86的，带有串行、数字和模拟I/O板，用于通信。表面上的齿轮包括工业级，无源背板，单板控制器，其中一些包括基于PCI和isa的串行，数字和模拟I/O板。地面显示站控制器通常使用带有QNX Neutrino RTOS的Photon图形界面的触摸屏显示器。

其次，数据必须从控制器传送到存档的Microsoft SQL server数据库。使用Easysoft的QNX开放数据库连接(ODBC)桥接技术，可以方便地访问SQL server。

第三个流程是从在显示站控制器HMI工作的操作员直接到负责操作系统部分的控制器。例如，当操作员按下按钮时，该动作被记录在显示站的本地数据存储中，并且它还触发远程过程调用，导致适当的控制器执行诸如打开阀门之类的操作。

控制器上的本地数据存储由eXtremeDB-HA提供。使用第三方的数据库意味着数据库逻辑和应用程序逻辑本质上是分离的，这加强了软件的模块化。这将简化系统未来的升级和维护。

数据库及其交互都配置为确保高可用性。数据库本身是一个内存中的DBMS:它始终将数据记录存储在内存中，以便实时访问(消除磁盘和文件I/O)。但是，数据库会在每个控制器上复制，并且eXtremeDB的高可用性(HA)子系统会自动将更改从主数据库传播到辅助备份数据库。任何数据库更新操作都发生在数据库事务的范围内，以保证物理上独立的数据存储保持同步。

HA机制还在控制器之间复制选定的数据。此外，整个控制系统通过二级控制器网络设计为冗余，数据库管理网络之间的更新。这种重要系统数据的复制，在多个级别和自动故障转移，提供了最高程度的可靠性。

数据库还通过使用远程访问接口提供了我们系统中的核心消息组件，该接口使控制器和软件组件能够从每个网络节点的数据库读取和写入数据。数据库高可用性机制是此更新过程不可或缺的一部分，它确保在一个控制器上发生的任何事情都会反映到系统的所有其他部分。在消息传递层下面，QNX Neutrino的透明分布式处理(TDP)网络支持简化了系统节点的协调，使所有网络设备能够相互识别并以点对点的方式共享信息，而不管它们位于何处。

这种冗余，再加上需要使用关键任务信息更新系统元素，增加了软件的复杂性，但一个功能良好的压力控制系统可以保证钻井过程正常进行，并减少停机时间。这是一个非常重要的问题，因为钻井公司每天可能会因为一台不钻井的钻机而损失数百万美元。因此，高可靠性和可用性以及安全性是Hydril的关键设计考虑因素。我们的新系统无缝集成了RTOS技术、多个复制的HA嵌入式数据库和一个归档的SQL server数据库，将这些目标推进到了可以被称为最先进的程度。

作者信息

埃里克·米尔恩是Hydril公司的电气和软件总工程师。打电话给他。emilne@hydril.com．

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