防喷器控制装置三位四通转阀手柄位置分析.pdf

2 Ol 3年 第 2 期 第 4 2卷 第 6 6 页 石油 矿 oI L FI ELD 场 机 械 E QUI P ME NT 2 0 1 3 ， 4 2 2 6 6 ～6 9 文 章 编 号 1 0 0 卜3 4 8 2 2 0 1 3 0 2 0 0 6 6 - 0 4 防喷器控制装置三位 四通转 阀手柄位置分析 王 晓颖 ， 张立刚 ， 陈慧慧 ， 孟少辉 北京 石油 机械 厂， 北京 1 0 0 O 8 3 摘要 在正常钻井过程 中， 防喷器控制装置的三位四通转阀手柄是置于中位， 还是和防喷器保持一 致的开位或关位， 一直是 国内井控管理人 员争论的话题。通过对国内外行业标准的对比、 防喷器控 制装 置及 三位 四通转 阀工作 原理 的分析 ， 阐明 了转 阀手 柄位置 应和 防喷 器开 、 关位置保 持 一致 的必 要 性 。为 防喷 器控 制 装置在 井控 中的安 全使 用提供 理论依 据 。 关键 词 防喷 器控 制装 置 ； 三位 四通转 阀 ； 手柄 位 置 中 图分 类号 T E 9 2 1 ． 5 0 7 文献 标识 码 B An a l y s i s o f Fo u r 。 wa y Va l v e Ha n d l e Po s i t i o n o n BOP Co n t r o l S y s t e m W ANG Xi a o ～ y i n g， ZH ANG Li g a ng， CH EN Hui hu i ， M ENG Sh a o ～ hu i B e i j i n g Pe t r o l e u m Ma c h i n e r y Co ． ， Be i j i n g 1 0 0 0 8 3， C h i n a Ab s t r a c t I n no r m a l dr i l l i ng p r oc e s s， wh e t he r t he f ou r wa y va l v e p o s i t i o n o n BOP c on t r o l s y s t e m s ho ul d b e r e ma i n e d i n t h e mi d dl e or ke pt u p wi t h BOP d e v i c e h a s b e e n a l l t he t i me a c o nt r o v e r s i a l t o p i c a r gu e d b y do me s t i c we l l c on t r ol a d m i n i s t r a t o r s ． Thr ou g h t he c o mpa r i s o n o f do me s t i c a nd i n t e r na t i on a l i nd us t r y s t a nd a r d s， a nd t he a na l y s i s of wo r ki ng p r i nc i pl e of BOP c on t r o l s y s t e m a nd f ou r wa y va l ve， t hi s a r t i c l e i l l u s t r a t e s t he ne c e s s i t y o f t h e f o ur wa y v a l v e h a nd l e p os i t i on whi c h s ho ul d b e ke pt u p wi t h t h e s wi t c h o f BOP d e v i c e， a nd f ur t h e r pr o v i de a t h e o r e t i c a l ba s i s f o r s a f e t v a p p l i c a t i o n s o f B P c o n t r o l s y s t e m i n t h e we l l c o n t r o l p r o c e s s ． Ke y wo r d s BOP c o nt r o 1 s y s t e m ； f ou r wa y v a l v e s ha nd l e p os i t i o n 防喷器控 制装 置是控 制井 口防喷器组 以及 液动 节 流 阀、 压井 阀的 重 要设 备 ， 是 钻 井 、 修 井 作业 中防 ”0 一n “ “ - * 止井喷不可缺少的装置Ⅲ 。当发生井涌时 ， 防喷器 控制装置通过操作三位四通转阀的开关 ， 能迅速 、 准 参考文献 [ 1 ] 陈徐军 ， 崔维成 ， 沈 庆 ． 对称 式布置锚 链系 统的线性 化处理[ J ] ． 海洋工程 ， 2 0 0 2 ， 2 0 1 7 5 7 9 ． 7 2 ] 周 奇才， 冯双 昌． 大型工程船舶锚泊移位 系统研究[ J ] ． 中国航海 ， 2 0 0 9 ， 3 2 2 3 5 3 8 ． [ 3 ] J o n K Wo o d ． A Mo o r i n g D e s i g n f o r Me a s u r e me n t o f D e e p Wa t e r Oc e a n Wa v e s [ J ] ． I E E E， 0C E ANS 2 0 0 6 ， 2 0 0 6 9 1 - 6 ． [ 4 ] 冯 刚 ， 吴海 帆， 黄洪钟 ， 等． 工程船锚泊移位 系统 的最 [ 5 ] [ 6 ] 优控 制策略及拟模拟静力分析[ J ] ． 海洋工程 ， 2 0 0 1 ， 1 9 文 技 ， 2 胡灵 舶 ， 2 艳 ， 刘家新． 铺排船锚泊线分析与设计 [ J ] ． 交通科 oI1， 36 斌 ， 唐 0 0 4 1 6 1 0 7 1 1 0 ． 军． 悬链线方程的求解及其应用[ J ] ． 船 1 7 2 O． [ 7 ] 于洋， 李伟． 锚泊中船舶卧底链长的一种估算方法 [ J ] ． 中 国航海 ， 2 0 0 2 1 4 0 4 2 ． 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 2 5 作者简介 王 晓颖 1 9 8 1 一 ， 女 ， 黑 龙江密 山人 ， 2 0 0 3年 毕业于 哈尔滨 工业 大学 ， 主要从 事 防喷器技 术研 究 ， E - ma i 1 wa n g x y d r i c n p c ． c o r n ． c n 。 第 4 2卷第 2期 王 晓颖 ， 等 防喷器控制装置三位 四通转 阀手柄位置分析 确 、 安 全可靠 地关 闭防 喷器和 打 开放 喷阀 ， 以 防止井 喷事故的发生_ 2 ] 。国外 的一些钻井规范 例如 AP I R P 5 3 ， 壳牌公司钻井井控规范等 对正常钻井时三 位四通转 阀手柄的位置有明确的规定。国内 目前 尚 没有统一 的规范来说 明此要求 ， 中石油 和中石化内 部各 钻控 公 司 的要 求 也不一 致 。本 文分 析 了该转 阀 手柄 位置 与 防喷器 开 、 关位 置保 持一 致 的必要 性 。 1 三位 四通转 阀的工作原 理 三位 四通 转 阀的工 作原 理 如 图 1 。转 阀有 4个 油 口 ， 其 中 P 口为 压 力油 进 口； A 口、 B 口为压 力 油 出 口 ， A 口接 防喷器 油缸 开启 腔 ， B口接 防喷 器油 缸 关闭腔 ； T 口为回油 口， 与油箱相通 。 阀在换 向时， 手柄可有 3个位置 中位 、 关位 、 开 位 ， 如 图 2 。 1 中位时 P、 A、 B、 T 4个 油 口互不 相通 。 2 关 位 时 P 口与 B 口相 通 ， A 口 与 T 口 相通 。 3 开 位 时 P 口与 A 口 相 通 ， B 口与 T 口 相通 。 三 位 四通 转 阀 防喷器液缸 图 1 三位 四通转阀的工作原理 a 开位 b中位 c关位 图 2 三位 四通转 阀手柄位置 2 防喷器控制装置工作原 理 腔 防喷器控制装置的工作原理如图 3 。以关 闭半 封防喷器[ 3 ] 为例 ， 将三位 四通转 阀的手柄扳 动至关 位， P口与 B口相通 ， A 口与 T 口相通 。此时的压 力油经过 B口通往防喷器 的关 闭腔 ， 压力油推动油 缸活塞而使防喷器关闭。同时 ， 油腔 内另一侧的油 液则经 阀的 A 口流回油箱。 蓄能器组 液动阀 图 3 防喷器控制装 置工作原理 3 国 内外井控规范说明 1 AP I R P 5 3 1 9 9 7 { 钻井作业用防喷设备系 统 推荐 作法 } 1 2 ． 5 ． 3节及 1 3 ． 9 ． 2节 中均 提 到 “ 钻 井 作业期间， 每个防喷器控制阀应处于开启状态 不是 居中状态 。常规作业时， 节流管线液控 阀应处于关 闭状 态 。操纵 全封 闭 闸板 的控制 阀手柄 应加 以保 护 以避免误操作 ， 但允许从远控 台上进行不受妨碍的 所有 操作 。 ” [ 4 2 壳 牌 公 司 钻 井 规 范 P r e s s u r e C o n t r o l M a nu a l f o r Dr i l l i n g。 Co mpl e t i o n a nd W el l I nt e r ve n t i o n Op e r a t i o n s } 2 0 0 8版 4 ． 2 ． 1节 和 2 0 1 1版 5 ． 1 ． 5 节 均 提 到 了 “ A1 1 f o u r wa y v a l v e s i n o p e r a t i o n s ho ul d be e i t h e r i n t he f u l l y o p e n or f ul l y c l o s e d po s i t i o n， a s r e q u i r e d； t h e y s h ou l d n o t be l e f t i n t he b l o c k e d o r c e n t r e p o s i t i o n ． ” 即在钻井作业 中， 所有 的三位 四通 转 阀应 置 于全 开 或 全 关位 置 ， 不 应 被 阻 碍或置于 中位。在 2 0 1 1版 中还在 6 ． 4 ． 4节增加 了 “The f ou r wa y v a l v e s on t he o p e r a t i ng c o nt r o l ma ni f ol d， s h a l l c l e a r l y s ho w o p e n “ a nd c l os e d p os i t i o ns f o r pr e v e n t e r s a nd t he r e mot e hy d r a ul i c o p e r a t e d k i l l a n d c h o k e l i n e v a l v e s ． ” 在 控 制管 汇 中的 三位 四通转阀， 应当清楚地显示防喷器及节流阀和 压井 阀“ 开位” 和“ 关 位” _ 5 ] 。 3 中国石油天然气总公 司于 1 9 9 7年 出版的 井控培训教材 井控设备 在第五章 中说 明“ 平 时换向阀手柄应处于 中位” l 6 ] 。除此之外没有明确 的标准提到钻井作业 中三位 四通转 阀的位置。在 S Y／ T5 9 6 4 2 0 0 6 { 钻井井控装置组合配套 、 安装调 试与维护 附录 D钻井井控装置安全检查 内容中提 T B 芯 目 A T P ■ T 石 油矿 场机 械 到“ 对 远 程控制 台及 液气 压管线要 检查 各 换 向阀手 柄是否处 于正确的位置- L 7 I ， 但对具体 位置没有说 明 。 目前 ， 石 油工业 井 控 装 置 质量 监 督 检 验 中心 负 责将 AP I R P 5 3 1 9 9 7转化为推荐的行业标准， 以 解决国内没有钻井作业用 防喷设备系统推荐做法的 问题 。 4 北 京石 油机 械 厂在 每 版 的 地 面 防喷器 控 制装置液压元器件使用手册 中均明确指出“ 在正常 钻进 时 ， 控 制 闸板 防喷 器 与环 形 防 喷 器 的三 位 四通 转阀的手柄务必在“ 开” 位 ， 而控制液动放 喷阀的三 位四通转阀的手柄应在“ 关” 位 。反之 ， 当发生井喷 时 ， 则 上述 各 阀的手 柄 位置 相 反 ， 前 者 在 “ 关 ” 位 ， 后 者在 “ 开 ” 位转 阀 的“ 中” 位 通 常 不 用 ， 而 当 调试 或 检 修设 备时 以及 在运 输过 程 中 ， 阀 的手柄 应 搬 到 “ 中” 位 ， 以免 液压 油漏失 ” 。 4 国内 目前操作状况 在 中石化 的胜 利 油 田、 中原 油 田、 西 北 分 公 司 、 西南分公 司、 华北分公司等油气田及企业 ， 钻井施工 中防喷器控制系统各控制手柄置于“ 中” 位 ； 在中国 石 化 的南方 勘探分 公 司 ， 控 制 防 喷器 的三 位 四通 转 阀手柄置于“ 开” 位 ； 在中石油的塔里木等油田， 半封 防喷器 控制 手柄 置 于“ 开” 位 ， 其 他 防喷 器 置 于 “ 中” 位； 其他油气田， 有的要求所有闸板防喷器控制手柄 置于 “ 开” 位 、 环形 防 喷器置 于“ 中” 位 ， 有 的则 要求 全 封 和剪切 闸板 防喷 器控 制 手柄 置 于“ 中” 位 、 其 他 置 于“ 开” 位 J 。 5 转 阀的位置分析 AP I 标准 是 国际石 油 界认 可 的权 威 标 准 ， 也 是 中国 的石 油装 备和 技术进 入 到 国际市 场必 须遵 守 的 准 则之一 。作 为 国 际知 名 的石 油 公 司 之一 的壳 牌 ， 钻 井标 准 中也与 AP I 标 准持 一致 的观 点 。 但国内的一些培训教材和油田的井控规范均要 求在操作过程中将三位 四通转 阀手柄置于中位 ， 这 其 中的原因主要是他们认为“ 将转阀手柄置于开、 关 位会使控制管线 、 液缸开启腔长期在高压下工作 ， 存 在 安全 隐患 ” [ 。 当转阀置于开位时， 如图 4 ， 压力油 P口与 A 口 相通 ， 压力油充满防喷器开启管线及防喷器开启腔。 B口与油箱相通。防喷器关闭腔及关闭管线均与控 制装置的油箱相通。 蓄能 溢流 防喷器关『 I1 腔 图 4 转 阀置于开位 时系统连接示意 在对防喷器操作结束之后 ， 若将三位四通转阀 手柄 回到 中位 ， 如 图 5 。则 压力 油 口 P与 A 口隔绝 ， 但此 时 防喷 器 开 启 管 线 和 开 启 腔 压 力 油 并 没 有 泄 荷 ， 仅是 在换 向过程 中少 量液压 油 的损耗 ， 则控 制管 线 、 液缸开启腔仍然在高压下工作。也就是说无论 是在开关位 ， 还是在 中位 ， 液压管线其实都是在高压 下 工作 。 图 5 转阀置于中位时系统 连接示意 目前 使 用 的控 制 管 线 的 工 作 压 力 一 般 为 3 5 MP a ， 而除高压剪切闸板防喷器外 ， 环形防喷器 、 闸 板 防 喷器及 液动 阀 的操作 压 力约 为 1 0 ． 5 MP a ， 远低 于管线的工作压力 ， 故按规定定期检查管线 ， 管线长 期带压使用是允许 的。防喷器的液缸也如此 。 将转阀在钻井工作 中置于中位有 4方面弊端 。 1 操作不便利 ， 防喷器位置不明确。大型钻 机配备的防喷器控制装置一般都有司钻控制台， 在 进行井控作业时， 主要是通过司钻控制台操作 ， 而司 钻控制台是无法将转阀手柄置于 中位 的， 需人工到 远程控制台操作 ； 现在 国内普遍使用 的气控型防喷 器控制装置 ， 在远程台操作时司钻控制台上的显示 气缸是不能同步换 向的， 也就无法正确显示防喷器 第 4 2卷第 2期 王 晓颖 ， 等 防喷器控制装 置三位 四通转阀手柄位置分析 的正 确位 置 ， 需要 人 工来 记 录 。通 过人 员 的管 理 记 录又增 加 了很 多不 确定 因素 。 2 液 压 管 线 的泄 漏 问 题 。将 转 阀 置 于 中位 后 ， 防喷器 控 制装 置和 液压 管线是 不 连通 的 ， 则 防 喷 器控制装置中提供的高压油是无法供给到防喷器的 开启腔或关闭腔的， 若转 阀出口端至防喷器 的腔体 这部分管线有渗漏 ， 则腔体 内的液压油压力会逐渐 下降， 可能低于防喷器的最小操作压力 。 3 液 压管 线 升压 问题 。将 转 阀置 于 中位 后 ， 开启 管线 和开 启 腔 或 关 闭 管 线 和 关 闭 腔 为 密 闭 空 间 ， 当环境 温 度 升 高 时 ， 虽 然 液 压 油 的 膨 胀 系数 很 小 ， 但其受热后微小的体积膨胀可导致压力较大的 升高， 可能会超过液压管线和 防喷器液缸 的工作压 力 。转 阀置于开位 或关位 ， 则液压管线 和液缸均 和防喷器控制装置相连 ， 当环境温度变化时， 闸板防 喷器 可通 过 防 喷 器 控 制 装 置 的减 压 溢 流 阀溢 流 调 压 ， 环 形 防喷 器可 通过 环形 溢 流 阀溢流调 压 ， 不会 使 系统 超压 。 在实际工作中也推荐对环境温度的适应范围更 宽的 油 品 ， 这些 油 品 的膨胀 系 数会 小 ， 例 如 1 O号航 空 液 压 油 、MO B I L Un i v i s N3 2 、 T TAL E q u i v i s Z S 3 2 、 壳牌 TE L L US T3 2等牌号的液压油 。 4 防喷器误动作问题 。闸板防喷器安装的机 械锁紧装置有手动锁紧装置和液压 自动锁紧装置 2 种 ， 液压 自动锁紧装置可以防范误动作问题的发生， 但 当安装 的锁 紧装置为手 动方式时 ， 手动锁紧装置 只是在较长时间关井时使用 ， 在正常钻井操作时是 没有锁紧装置 ， 将转阀置 于中位就有可能 出现防喷 器 的误 动作 。 将转阀置于中位后 ， 开启腔与压力油不相连 ， 若 防喷器液缸的活塞密封损坏 ， 开启腔的液压油进入 关 闭腔 ， 则开 启腔 和关 闭腔 会 出现 压力 平衡 的情 况 ， 两端压力 平衡导 致活 塞 的浮动 ， 引起 防喷器 的误 动作 。 液压 回路本身应该是一个有动力源 、 有泄荷的 回路 ， 这样才能保证液压 系统 的安全与可靠 。曾发 生 过 井 队 向防喷器 控 制装 置厂 家咨 询钻 井现 场全 封 三位四通转 阀置于中位无人操作， 而全封防喷器 出 现误动作 ， 将钻杆挤压变形的情况 。井队怀疑是 三 位 四通转 阀损坏 。后经厂家 协助分析 与检查防 喷 器 ， 发现是全封闸板防喷器 的油缸密封损坏导致。 若将三位 四通转阀手柄置于开位 ， 则压力油从 防喷器的开启腔进 入关 闭腔 ， 再经转阀的回油 口将 液 压泄 回油箱 ， 防喷 器 开启 腔 和 关 闭 腔 的压 力 不 会 达到平衡 ， 则不会发生误动作。同时， 防喷器控制装 置不 断地 供 给防喷 器 高压油 ， 则 电泵会 频繁起 动 ， 转 阀回油 口持续漏油 ， 这些也都可 以提醒现场人员检 查异 常情 况 。 6 结 论 1 在 钻井 作 业 中， 防 喷 器控 制 装 置 的 三位 四 通转 阀手柄应 和 防 喷器 保 持 一 致 ， 即控制 防 喷器 的 三位 四通转 阀 的手柄 应 置 于 开 位 ， 控 制液 动 阀 的三 位四通转 阀手柄应置 于关位 ， 这样可以在控制装置 上直 观地 看到 防 喷器 的开关 状态 ， 也 可 以有 效 地 防 止管线升压的问题和防喷器误动作的问题 。 2 防喷器控制装置转阀手柄位置问题是实际 井 控作 业 中的基 础 问题 。通过研 究分 析 防喷器 控制 装 置和 三位 四通 转 阀 的原 理 和 功 能 ， 应 尽 快制 定 出 具有实际意义的标 准， 以规范国内石油钻井行业 中 井 控设 计 、 配套 、 操 作 和现 场 管 理 等行 为 ， 确保 防喷 器 控制 装置 在井 控 中的安 全应用 。 参考文献 [ 1 ] 石油天然气钻井井控 编写组． 石油天然气钻井井控 中 国石油员工培训系列 教材 [ M] ． 北京 石 油工业 出版 社 ， 2 0 0 8 ． E 2 ] 陈香凯． 提 高防喷器控 制装 置性能 的探讨 E d ] ． 石油 矿 场机械 ， l 9 9 8 ， 2 7 3 1 2 - 1 4 ． 1- s ] A P I S P E C 1 6 D， S p e c i f i c a t i o n f o r C o n t r o l S y s t e ms f o r Dr i l l i n g W e l l Co nt r ol Equi pme nt a n d Con t r o l Sys t e ms f o r D i v e r t e r E q u i p me n t [ S ] ． 2 n d E d i t i o n ． 2 0 1 0 ． r 4 ] API RP5 3 ， Re c o mme n d e d Pr a c t i c e s f o r Bl o wo u t P r e v e n t i o n E q u i p me n t S y s t e ms f o r Dr i l l i n g We l l s[ 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