再談防噴器遠程控制臺三位四通轉閥手柄位置問題

張桂林，郝榮明，韓興偉，陳志寧

再談防噴器遠程控制臺三位四通轉閥手柄位置問題

張桂林，郝榮明，韓興偉，陳志寧

（中石化勝利石油工程有限公司技術裝備處，山東東營，257001）

為正確操作和合理使用防噴器，確保防噴器工作可靠和關井封井安全，以《防噴器控制裝置三位四通轉閥手柄位置分析》一文為例，進一步論證了正常鉆井中手柄位置問題。通過液壓控制原理分析并查閱文獻資料，認為該文的觀點值得商榷，國外標準在該方面也存在問題。指出了正常鉆井中防噴器與液動閥三位四通轉閥手柄的合理位置為中位，位于開位和關位都存在井控安全隱患。

防噴器遠程控制臺；三位四通閥；手柄位置

《石油礦場機械》2013年第42卷第2期發表了《防噴器控制裝置三位四通轉閥手柄位置分析》一文［1］。筆者研讀之余，認為該文的觀點還需商榷。可以說，井控設備是保證安全必備的設備，對其有效保護和正確控制，是確保井控安全的重中之重。要實現正確開關井操作與控制，最核心的問題就是要有足夠的液壓油壓力和油量，保持設備處于完好狀態。在確保防噴器處于正確位置后，應采取有利于保持壓力、保存油量的措施，盡最大可能保護液控管線與防噴器。現對該文進行分析并提出建議，不足之處請原文作者和讀者批評指正！

1　對原文的分析

研讀原文，認為對防噴器控制裝置及其三位四通轉閥工作原理介紹很清楚，對國內外井控規范的說明也客觀實際，對參考文獻分析很到位。但對于原文中對轉閥的位置分析和文章結論部分，需要討論和商榷。特別是轉閥置于中位時的4個方面弊端和結論第1部分，難以得到認可，現進行如下分析。

1．1 關于防噴器控制原理

原文對防噴器控制原理進行了分析，應該說很透徹也很正確。實際上，控制系統中最核心的控制元件是三位四通轉閥。該閥的設計非常科學，在液壓控制機械中廣泛使用。如在大型吊車等液壓起重機械中，三位四通閥采用“O”型中位機能，通過控制操作桿的前、中、后不同位置，實現重物的起升（或起重臂的伸出）、下放（或起重臂的回縮）和懸停（鎖定狀態），待命位置為中位。在地面防噴器控制裝置中，三位四通轉閥也采用“O”型中位機能，手柄3個位置控制4個油口的連通與截止，實現防噴器的開關和鎖定。這種轉閥，手柄在中位能夠保持被控制對象的鎖定狀態，既防止了防噴器的誤動作、液壓油的漏失消耗，也保護了設備，因此合理待命位置應為中位。

1．2 關于國外標準

原文介紹的國外井控標準——A PI R P53—1997和殼牌公司鉆井規范［2-3］，都提到鉆井作業期間防噴器控制閥應處于開位，節流管線控制閥應處于關位。也講到了這樣做的3個原因：①可將防噴器液缸鎖定在相應的位置；②可以清晰地顯示防噴器或閥的工作狀態；③能夠監測閥、管線或防噴器的漏失情況。對于這樣做的3個方面原因，應該認真進行分析。

1） 對于防噴器位置的鎖定問題。將防噴器打開到位后再將手柄扳至中位，開啟腔內仍稍有壓力并且各油口處于截止狀態，防噴器將一直保持在打開狀態。

2） 顯示開關狀態問題。只是為了顯示開關情況就將控制系統始終處于連通狀態下工作，帶來油量消耗、壓力降低以及設備損傷等井控的隱患，實屬沒有必要。

3） 監測閥、管線或防噴器的漏失問題。井控的關鍵是保持液壓油量和液控壓力，最要害的是保證關閉防噴器這條通路的完好，對打開側管線與打開腔的長期監控沒有意義。

因此，上述3個方面的原因沒有涉及井控的關鍵，不應成為置于開位的理由！

國外標準是否科學合理，要進行研究分析，不能完全認可和照搬。可以說，對于液壓控制系統，最重要、最關鍵的是液壓油量充足、壓力足夠，只有液壓油沒有消耗、壓力保持良好，才能保證液壓控制的可靠性。手柄在中位時各腔互不相通，能夠鎖定防噴器和液動閥在相應的位置，有效防止管線系統油量的損耗；而國外標準規定正常鉆井作業時手柄置于開位，這意味著長年累月在此狀態下工作，一旦發生管線損壞將造成液壓油快速漏失、壓力迅速卸掉，直接導致無法關井的嚴重后果。

2010-04-20，墨西哥灣BP公司鉆井平臺井噴爆炸后，啟用水下機器人關井不成功，5套105 M Pa閘板防噴器（其中2套剪切）和2套70 M Pa環形防噴器共7套防噴器都不能關閉，5套控制裝置（包括R O V關井、Dead man）失去作用，應該是液壓油漏失、蓄能器失去壓力造成的。這一點我們應有清醒而充分的認識，這也是真正的井控安全隱患所在！

原文涉及的國外標準還不全面，1項至關重要的標準未引起注意［4］。該標準介紹國外三位四通閥一般為“Y”型中位機能，手柄在中位時A口與B口處于放空狀態，防噴器閘板處于浮動狀態，這就是國外規定手柄必須處于工作狀態的原因，如圖1；但國內為“O”型中位機能［5］，處于中位時防噴器閘板已經處于鎖定狀態，解決了在中位時的閘板浮動問題，如圖2。采用這一原理本是我們的一種進步，但卻非要追求與國外相同的位置，實在無法理解！

圖1　國外三位四通轉閥原理

圖2　國內三位四通轉閥原理

應該認識到，經過幾十年的鉆井實踐，我國已經積累了成功的經驗，形成了相應的標準和科學合理的做法。對國外標準，應該進行分析研究，不能一概認可！

1．3 關于相關教材文獻

原文作者認為《井控設備》提到了換向閥手柄位置問題，并且要求平時處于中位［6］，其他沒有關于這方面的文獻。實際上國內多部相關文獻涉及到了這方面內容，也明確了手柄應處于中位的結論或建議。

1．3．1 井控教材

多年前，《井控技術》與《井控設備》［6］是國內石油鉆井行業的井控培訓教材，得到了廣泛應用。這部教材中，明確了手柄位置應置于中位。隨著井控技術的進步，近年來，國內先后出版了鉆井、井下作業、采油采氣等多部新編井控教材。中石化集團公司還編寫了系列井控教材，進行井控分級培訓。

2008年，由中石化集團公司井控培訓教材編寫組編寫、石油大學出版社出版了《鉆井井控設備》［5］，要求在正常鉆進情況下，遠程控制臺各防噴器轉閥手柄處于“中”位。2012年，對井控教材按井控分級進行了系列化編印，進一步明確了正常鉆井中各防噴器轉閥手柄處于“中”位，放噴閥處于“中”位，旁通閥處于“關”位。

1．3．2 相關著作

2010年，由孫孝真著、石油工業出版社出版了《實用井控手冊》［7］，對防噴器、液動平板閥控制手柄位置進行了詳細分析，論述了手柄長期處于開位對井控安全帶來的隱患，提出了對策與建議。即“司控臺換向閥由于閥的結構特點，其待命工況只能位于中位。遠控臺控制閘板、液動閘閥的換向閥待命工況宜位于中位”。

1．3．3 相關文章

2008年、2011年，《天然氣勘探與開發》和《石油鉆探技術》分別發表了“防噴器操作手柄最佳位置的討論”和“關于兩個井控爭議問題的討論”2篇文章［8-9］，對防噴器控制原理進行了分析，對三位四通轉閥進行了剖析，對手柄在開位和中位的優缺點進行了分析與比較，得出了正常鉆井中手柄最佳位置為“中”位、處于“開”位存在很大井控隱患的認識與結論。

1．4 關于北石廠的說明書

北京石油機械廠的《地面防噴器控制裝置使用手冊》［10］，介紹了控制裝置的原理，提出了安裝與使用要求。在《使用手冊》7．1“使用須知”中提出，“在正常鉆進情況下，遠程控制臺各轉閥的手柄位置是：各防噴器處于“開”位，放噴閥處于“關”位，旁通閥處于“關”位。該手冊執行標準是S Y／T5053．2—2007《鉆井井口控制設備及分流設備控制系統規范》，該標準等同采用A PI Spec 16D 2nd Edition。但查閱S Y／T5053．2—2007和等同采用的A PI Spec 16D 2nd Edition，都未提出關于手柄位置的規定。

原文中提到的《地面防噴器控制裝置液壓元器件使用手冊》，是關于液壓元器件原理與使用的手冊。該手冊指出，“在正常鉆進時，控制閘板防噴器與環形防噴器的三位四通轉閥的手柄務必在開位，而控制液動放噴閥的三位四通轉閥的手柄應在關位”。這樣考慮，對于保護轉閥閥芯及各油口是有好處的，但對井控安全是不利的，輕則有少量、緩慢的消耗，重則在管線突然斷（爆）裂時發生快速耗盡油箱內液壓油的情況。

總之，文章對閥的工作原理和控制原理分析得很透徹、很正確，但對閥的位置對井控安全的影響的認識還不夠深入，特別是認為轉閥在中位存在的幾方面弊端是不正確的，現進行分析并與原文作者進行探討商榷。

2　對原文中觀點的分析

原文第5部分是轉閥位置的分析。在這一部分中，原文分析了手柄不同位置時管線內的壓力情況，指出了管線和防噴器液缸耐壓能力滿足液控壓力要求，指出了鉆井中將轉閥置于中位的弊端。筆者分析認為，原文的一些觀點需要探討，現分析如下。

2．1 手柄在中位時液缸中的壓力問題

根據三位四通轉閥工作原理，若將手柄從開位回到中位，防噴器開啟管線和開啟腔壓力并沒有卸荷，控制管線、液缸開啟腔仍然在高壓下工作。無論手柄在開關位還是在中位，液壓管線都是在高壓下工作［1］，實際并非如此。

對此問題，筆者在勝利油田井控培訓基地進行了現場測試試驗。主要設備有：F K Q3204 G型控制臺，2FZ28-35型防噴器，2只量程為16 M Pa的壓力表。分別連接于防噴器開啟管線和關閉管線，匯流管壓力10．5 M Pa，用不同速度將手柄從開位扳至中位觀察剩余壓力，試驗數據如表1。

表1　管線壓力測試結果

該試驗證實了將手柄從開位快速扳回中位時管線內仍有剩余壓力，但操作時間大于1 s后，壓力表顯示管線內的壓力降為0。從關位回中位試驗結果基本一致，回位時間0．5 s壓力降為1．5 M Pa，回位時間2 s壓力降為0。在鉆井現場，操作時間一般大于1 s，開啟管線中壓力應該很低或接近為0。

這只是1個試驗驗證，給出1個明確的結果。實際上，管線中不帶壓的道理十分簡單！液體是基本不可壓縮的，微小的體積改變即可使壓力產生很大變化。在三位四通換向閥手柄由關位或開位扳向中位過程中，閥盤孔口將相對閥座孔口轉移，當閥盤孔口一部分已移離閥座孔口，而另一部分卻仍與閥座孔口相通時，與閥座油口相連管路里的壓力油就繞經閥盤孔口溢流回油箱，結果導致管路里的油壓迅速降低。這就是閘板防噴器在關井、手動鎖緊后，只需將三位四通換向閥手柄扳至中位，就可使液控管路壓力油泄壓的緣故［5-6］，如圖3。因此，將手柄從開位扳至中位過程中，開啟腔內的壓力已經釋放，已經不存在高壓力。

圖3　三位四通換向閥工作原理

2．2 操作不便利、防噴器位置不明確問題

防噴器控制裝置基本配置是司鉆控制臺和遠程控制臺。大型鉆機、高壓深井鉆井需同時配備司鉆控制臺和遠程控制臺，一般小型鉆機、低壓淺井鉆井只配置遠程控制臺。司鉆控制臺的三位四通氣轉閥進行開、關井操作后，司鉆臺手柄自動回中位，不能停在其他位置；遠程控制臺三位四通轉閥可以通過司鉆控制臺控制其開、關井操作，也可以手動進行開、關井操作，操作完后其手柄可以停在開、中、關任一位置。

若通過遠程控制臺打開防噴器，在打開到位后直接將手柄扳回中位，然后進行鉆井作業；若用司鉆控制臺打開防噴器，打開到位松手后，司鉆臺手柄自動回中位，遠程臺手柄在開位。此時，只需人工將遠程控制臺手柄扳回中位即可。這些操作是很規范、很簡單也是很習慣的操作，長期以來一直沿用，不存在操作不便利的問題。

防噴器在鉆井現場安裝完成后，首先要按設計進行試壓。環形防噴器、半封閘板防噴器關閉進行封鉆桿試壓，全封與剪切閘板防噴器關閉進行封空井試壓，試壓達到要求后打開防噴器，進行鉆進作業。在進行鉆進作業情況下，防噴器一定是打開狀態，不存在位置不明確的問題。

2．3 液壓管線泄漏問題

原文提出，因轉閥置于中位后防噴器控制裝置和液壓管線不連通，管線泄漏后液壓油無法供給到防噴器開啟腔或關閉腔。恰恰這就是將手柄置于中位的最重要原因和理由！只有手柄在中位，才能保護油量不消耗，保持壓力不降低，關鍵時候能關井。反之，若鉆井中手柄置于開位，管線泄漏后液壓油消耗、壓力降低，隨后泵啟動加壓補充。這樣更加速了油量的消耗，嚴重的漏失不被發現時將導致油箱內油量全部耗光，這是井控安全絕對不允許的。要防止發生這種問題，最好的辦法就是將手柄置于中位，使其互不相通，確保液壓油量和壓力。

再者，原文提出的腔體內的液壓油壓力可能低于防噴器的最小操作壓力問題。因為轉閥在中位時防噴器的開啟腔、關閉腔形成了密閉空間，防噴器已經處于鎖定狀態。不管壓力是否低于防噴器最小操作壓力，因為沒有液壓油的流動，防噴器此時是不能活動的，絕對不會影響防噴器的開關操作。

2．4 液壓管線升壓問題

手柄置于中位后，因后面的管線、防噴器腔體為密閉空間，隨著環境溫度的變化可能會產生液壓油體積膨脹的現象。目前采用的液壓油是添加了阻燃劑、消泡劑的專用液壓油，一般為32號低凝抗磨液壓油，熱膨脹系數很低，環境晝夜溫差引起的液控管線系統中液體的膨脹量很小；液控管線采用的是3層鋼纏的橡膠軟管，彈性較大，可靠性很高，這種微小的膨脹對管線沒有任何影響。同時，防噴器液缸活塞兩端基本不存在壓力和壓差，對密封圈保護最為有利，溫度的變化不會影響防噴器的工作狀態。

相反，按原文的考慮將手柄至于工作位，防噴器開啟側與關閉側將長期存在8．5～10．5 M Pa的壓差，這就將發生井噴時才用的專用關井設備——防噴器變成了長期帶壓設備，對于活塞密封圈的損傷、管線本體與密封的損傷以及造成的液壓油漏失等問題將是難以避免的。

2．5 防噴器誤動作問題

1） 鎖緊裝置與中位的關系。原文講到了液壓鎖緊、機械鎖緊，并與正常鉆進時沒有鎖緊進行聯系，認為手柄置于中位就可能出現誤動作。這樣分析沒有道理，鎖緊只是在關井時采用，鉆進時是不用鎖緊的，產生誤動作與是否在中位是沒有關系的。

2） 活塞的浮動問題。原文認為，手柄在中位時，開啟腔、關閉腔與壓力油不連通情況下若活塞密封損壞，將會出現活塞浮動進而出現誤動作問題。實際上，這是不可能發生的事情。正常鉆井前，進行的是防噴器打開后手柄回中位的操作，防噴器開啟腔內稍有壓力，關閉腔內無壓力，活塞是不能浮動的。且因不受高壓力的作用，此時活塞密封是不應該損壞的，也不會造成閘板的動作。同時，活塞密封與液缸的摩擦力、活塞桿密封處的摩擦力將限制活塞的移動。因此說，不存在活塞達到浮動的狀態，也不存在誤動作的問題。

3） 全封閘板將鉆桿擠壓變形的事故。曾經出現了這樣一個莫名的事故，就給出了是“全封閘板防噴器的油缸密封損壞導致”的結論，實在難以接受！試想，全封閘板將鉆桿擠壓變形需要多大的力？這個力一定要由關閉腔中的液壓力提供，這個液壓力一定要三位四通閥P口與A口連通提供壓力油才能產生。與此同時，開啟腔內一定是低壓，并且B口與O口一定要連通，使液壓油回油箱才能進行。可以說，只有轉閥在關位時，才能有這樣的情形！

分析認為：因活塞2個方向都采用了質量好、可靠性高的“Y”形密封圈，在將手柄從開位扳至中位、防噴器液缸內基本不存在壓力的情況下，防噴器不但不會產生誤動作，也沒有影響關井可靠性的因素。

2．6 原文的結論問題

原文結論是：鉆井作業中防噴器控制臺三位四通轉閥置于開位，液動閥三位四通轉閥置于關位，這樣可以直觀地看到防噴器的開關狀態，也可以防止管線溫升問題和防噴器誤操作問題。對于防噴器開關狀態的觀察和對于管線的溫升與防噴器的誤動作問題，上文已進行了分析，不再贅述。這里再分析一下液動閥的手柄位置問題。

井控管匯中，有手動和液動2種平板閥，控制某條管線的全開全關狀態。這種閥閥芯相同都為平板型，需要浮動密封。手動平板閥開、關到底后，應回轉1／4圈～1／2圈，使其處于浮動狀態，提高壓力密封可靠性，并且開、關應1次完成，不允許半開半閉［11］。手動控制可以進行回轉操作達到閥芯的浮動狀態，液動閥因結構原因無法實現閥芯的浮動。在這種情況下，關閉到位后完全可以使手柄回到中位，長期使其處于關位保持液壓連通狀態，實屬沒有必要！

3　認識與建議

1） 正常鉆井中，防噴器遠程控制臺各防噴器、液動平板閥操作手柄應置于中位，保護液壓油量、保持液控壓力、保護井控管線與設備，確保發現溢流后及時可靠關井。若使其置于開位和關位，雖然液控管線耐壓能力滿足使用要求，但容易造成油量損耗和壓力損失，不利于管線與設備保護，將造成井控隱患。

2） 對國外標準應進行研究和分析，不能一概認可，不能一概引用。特別是事關井控安全的重要標準，應從原理科學、技術先進、操作方便、符合習慣等方面進行研究論證，不科學、不合理的規定應進行修改完善，不能盲目對號照搬。對于國內具有顯著優勢的做法，不應因與國外的不同而改變。

3） S Y／T5053．2—2007《鉆井井口控制設備及分流設備控制系統規范》標準中沒有關于手柄位置的規定。考慮到標準的指導作用，可以提出手柄位置問題，但應規定為中位。

4） 井控設備是二級井控的手段和保障，要確保二級井控安全，就要一切以發生溢流后及時關井、確保井口不失控為前提；同時，要做到在現有條件下最大限度提高設備性能、延長設備壽命、提高井控可靠性。

［1］ 王曉穎，張立剛，陳慧慧，等防噴器控制裝置三位四通轉閥手柄位置分析［J］．石油礦場機械，2013，42（2）：66-69．

［2］ A PI R P53，Reco mmend Practices for Blowout Prevention Equip ment Systemes for Drilling W ells［S］．1997．

［3］ Shell Group of Co m pany．Restricted Pressure Control M anual for Drilling，Co m pletion and W ell Intervention O perations［K］．2011．

［4］ D T L-AW eatherford Co m pany．Rig Train-Drilling and W ell Services Training［K］．2001：80-91．

［5］ 集團公司井控培訓教材編寫組．鉆井井控設備［M］．東營：石油大學出版社，2008：79-81．

［6］ 孫振純，王守謙，徐明輝．井控設備［M］．北京：石油工業出版社，1997：73-74．

［7］ 孫孝真．實用井控手冊［M］．北京：石油工業出版社，2010：58-60．

［8］ 張桂林，蘇山林，王延文．防噴器操作手柄最佳位置的討論［J］．天然氣勘探與開發，2008，31（4）：47-51．

［9］ 張桂林．關于兩個井控爭議問題的討論［J］．石油鉆探技術，2011，39（5）：8-13．

［10］ 北京石油機械廠．地面防噴器控制裝置使用手冊［K］．北京：2012．

［11］ S Y／T6426—2005，鉆井井控技術規程［S］．

Discussion on the Position of Three-position and Four-way Valve on the Blowout Preventer Remote Console

ZHANG Guilin，HAO Rong ming，HAN Xingwei，CHEN Zhining
（Petroleu m Technology and Equip ment Department of SI N O P E C Oilfield Seruice Shengli Corporation，Dongying257001，China ）

For the correct operation and reasonable use of the B O Ps，ensuring B O Ps w ork reliably and close the well safely，the paper of“T he A nalysis about the Position of T hree-Position and Four-W ay Valve on the Blow out Preventer Rem ote Console”is taken as a case to further dem onstrate the handle position problem during normal drilling operations．T hrough the hydraulic control principle analysis and consulting literature data，the view points in the article should be deliberated，foreign standards also has the problem in this aspect．It was pointed out that the reasonable position of the B O Ps and hydraulic three-position and four-way valve is neutral during normal drilling operations．The well control safety risks exit if the control valves are located in open and close position．

blowout preventer rem ote console；three-position and four-way valve；valve position

T E921．9

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．017

1001-3482（2015）01-0068-06

2014-03-15

張桂林（1959-），男，山東壽光人，教授級高級工程師，主要從事鉆井工程技術管理與研究工作。