陸地鉆井防噴器液控系統(tǒng)選用設(shè)計(jì)方法探討

張哲

摘 要：開發(fā)陸地石油鉆井需要調(diào)節(jié)防噴器液控系統(tǒng)，減少井噴、井涌事故造成的影響，提高操作安全性，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。文章簡述了防噴器液控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理，研究陸地鉆井防噴器液控系統(tǒng)的特點(diǎn)與選用原則，確定液控系統(tǒng)的選用設(shè)計(jì)基本方法，為鉆井防噴器液控系統(tǒng)的使用、發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：陸地鉆井;防噴器;液態(tài)控制系統(tǒng);被控制對(duì)象

中圖分類號(hào)：TE9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-1064（2021）04-105-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.04.052

石油是社會(huì)發(fā)展的重要能源，為了滿足國內(nèi)對(duì)石油能源的需求，企業(yè)需要提高石油的開采量，增加石油鉆井開采過程的安全控制，平衡鉆井井口壓力，穩(wěn)定提高鉆井工作質(zhì)量，積極應(yīng)對(duì)石油井噴、井涌等危險(xiǎn)情況，采取防噴器靈敏的液控系統(tǒng)關(guān)閉井口，保障設(shè)備與人員安全。為此，企業(yè)需要明確防噴器液控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理，確定科學(xué)合理的選用設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化防噴器控制壓力的作用，提高防噴器液控系統(tǒng)的操作準(zhǔn)確度，降低投資、維護(hù)成本，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1 防噴器液控系統(tǒng)的基本概述

1.1 防噴器液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防噴器是企業(yè)進(jìn)行陸地石油鉆井的關(guān)鍵設(shè)備，可以調(diào)控陸地石油井口的壓力，平衡陸地井口的各方面壓力，穩(wěn)定鉆井內(nèi)外環(huán)境，有效控制井涌、井噴等石油事故，保證人員安全，提高石油鉆井的工作效率。防噴器液壓控制系統(tǒng)可以制備、儲(chǔ)存與控制液態(tài)壓力油，一般由遙控設(shè)備、蓄能器裝置、輔助控制臺(tái)、液控管匯組成，工作人員通過液壓控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)防噴器開關(guān)動(dòng)作的指揮，滿足儀器遠(yuǎn)距離操作、快速可靠運(yùn)行、準(zhǔn)確指揮的要求。目前，防噴器控制系統(tǒng)分為液壓控制方式、氣液控制方式、電液控制方式，液壓控制系統(tǒng)工作準(zhǔn)確可靠，制作技術(shù)成熟，使用成本低，防爆性能較好，可用于近距離與淺水陸地鉆井方向。

1.2 防噴器液壓控制系統(tǒng)工作原理

防噴器液壓控制系統(tǒng)是大型石油鉆采裝備，需要明確液控系統(tǒng)的工作原理，如圖1所示。在制備液壓能源時(shí)，要對(duì)油箱內(nèi)的液壓油進(jìn)行升壓儲(chǔ)存，一般液壓油通過過濾器流入電機(jī)或氣泵后，進(jìn)行升壓處理并輸入儲(chǔ)能器。其中，儲(chǔ)能器儲(chǔ)存空間豐富，由若干個(gè)事先預(yù)充7 MPa氮?dú)獾匿撈拷M成，一旦儲(chǔ)能器的油壓升高到21 MPa，就可以啟動(dòng)壓力控制器進(jìn)行壓力控制，停止電機(jī)或氣泵的運(yùn)轉(zhuǎn)工作，方便液壓油的升壓儲(chǔ)存。反之，儲(chǔ)存器鋼瓶的油壓過低，液壓控制系統(tǒng)將啟動(dòng)壓力控制器調(diào)節(jié)電機(jī)或氣泵的工作運(yùn)轉(zhuǎn)，從而保持儲(chǔ)能器壓力油的壓力，儲(chǔ)備足量的液控系統(tǒng)壓力油[1]。

防噴器的控制管匯可以控制壓力油的調(diào)整與流向，降低壓力油的輸出壓力，實(shí)現(xiàn)防噴器的開關(guān)動(dòng)作，在實(shí)際工作中，液控系統(tǒng)中的壓力油經(jīng)過控制管匯的降壓閥調(diào)壓到10.5 MPa，輸入三位四通換向閥的控制管匯中，調(diào)整適當(dāng)?shù)膲毫τ汀Ｔ诓僮鬟^程中，如果需要大于10.5 MPa的壓力油，實(shí)現(xiàn)防噴器的推動(dòng)作業(yè)，可以通過旁通閥直接輸入儲(chǔ)能器內(nèi)的21 MPa壓力油，并且操縱控制管匯推動(dòng)閘板工作，實(shí)現(xiàn)防噴器液控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為了滿足鉆井遙控作業(yè)，還可以使用氣動(dòng)遙控系統(tǒng)來遙控防噴器的開關(guān)，減少因閥門觸碰、誤操作引發(fā)的安全事故，提高陸地石油鉆井的工作質(zhì)量。

2 陸地鉆井防噴器液控系統(tǒng)的選用標(biāo)準(zhǔn)

2.1 防噴器液控系統(tǒng)的特點(diǎn)

防噴器工作壓力一般通過高壓系統(tǒng)控制推動(dòng)防噴器的工作，滿足石油生產(chǎn)需要，因此，鉆井防噴器的液控系統(tǒng)需要具備反應(yīng)快速、連接方式簡單可靠、操作靈敏、儀器精密、組合性能強(qiáng)等特點(diǎn)。如快速反應(yīng)特點(diǎn)，防噴器高壓油的工作壓力通常需要達(dá)到210kg/m2，以保證在井噴、井涌等情況下，通過防噴器快速實(shí)施作業(yè)，在19s內(nèi)關(guān)閉萬能防噴器，在6s內(nèi)關(guān)閉閘板和防噴閥;防噴器的連接方式簡單可靠，可以有效降低操作混亂，減少液壓控制系統(tǒng)的誤操作，確保操作簡單可靠，縮短液控系統(tǒng)安裝時(shí)間，節(jié)省物流運(yùn)輸空間，降低系統(tǒng)裝卸工作量。

液控系統(tǒng)管路簡單、操作靈敏，避免設(shè)計(jì)不合理造成的管路問題，減少管路彎頭、堵塞等問題，提高管路穩(wěn)定性，提高液控系統(tǒng)應(yīng)對(duì)井噴、井涌的能力。液控儀器精密，可以有效預(yù)防火災(zāi)、腐蝕等外界情況，通過精密的儀器設(shè)備可以嚴(yán)格控制儀器的工作閥，準(zhǔn)確判斷壓力指數(shù)，降低操作控制過程中的誤動(dòng)作。同時(shí)，精密高效的儀器，適應(yīng)氣候能力強(qiáng)，使用壽命長，可以降低儀器成本。液控系統(tǒng)的組合性能強(qiáng)，方便選擇系統(tǒng)設(shè)備，通常液控系統(tǒng)由遙控設(shè)備、蓄能器裝置、輔助控制臺(tái)、液控管匯、管排架、電纜等組成，獨(dú)立的設(shè)備元件可以根據(jù)施工要求進(jìn)行組合安裝，方便企業(yè)采購安排，根據(jù)石油開采地的環(huán)境特點(diǎn)及存儲(chǔ)量，選用合適的裝備進(jìn)行組裝。

2.2 陸地鉆井防噴器液控系統(tǒng)的選用原則

企業(yè)進(jìn)行防噴器液控系統(tǒng)的設(shè)備選用時(shí)，需要充分考慮各設(shè)備的性能與設(shè)計(jì)，針對(duì)設(shè)備選用進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，選擇安全可靠的設(shè)備進(jìn)行組裝使用，提高設(shè)備使用的經(jīng)濟(jì)效能，根據(jù)切實(shí)可行的選用原則，制定選用實(shí)施方案。為此，企業(yè)需要以陸地鉆井工藝設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，落實(shí)選用要求，明確防噴器的本體型號(hào)、工作壓力、尺寸，以及防噴閥的性能要求，明確防噴器被控制設(shè)備的組裝數(shù)量，選擇合適的組裝方式，并結(jié)合防噴器被控制設(shè)備的液體工作量，確定合適的高壓油儲(chǔ)能器的容量[2]。

選擇容量、流量合適的泵源及輔助泵組，泵源容量需要滿足儲(chǔ)存器充壓的時(shí)間要求，流量大小以3min內(nèi)不用儲(chǔ)存器就可以關(guān)閉防噴器組為選用標(biāo)準(zhǔn)，輔助泵組的選擇需要合適可靠，滿足液控系統(tǒng)的可靠性。企業(yè)在選用操縱控制板時(shí)，需要考慮環(huán)境、氣候問題，選擇符合野外現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)的管線、氣管線，選擇牢固的設(shè)備防碰設(shè)施，保證陸地鉆井防噴器液控系統(tǒng)可以快速可靠安裝，降低外界環(huán)境對(duì)設(shè)備的影響。

3 陸地鉆井防噴器液控系統(tǒng)的選用設(shè)計(jì)方法

3.1 明確防噴器本體需要的最大液量與組合方式

防噴器組一般包括萬能防噴器、單雙閘板防噴器、液動(dòng)防噴閥。選用設(shè)計(jì)鉆井需要的防噴器組，需要明確防噴器組的工作壓力、型號(hào)與最大液量設(shè)計(jì)值Q1，結(jié)合防噴器組開啟實(shí)際動(dòng)作需要的最大液量Q2，確定選用與設(shè)計(jì)液控系統(tǒng)的基本依據(jù)——最大液量Q1Q2。閘板防噴器的最大液量由雙閘板運(yùn)作時(shí)所需要的最大液量為計(jì)算基礎(chǔ)，單閘板的最大液量是雙閘板的一半。企業(yè)通過試驗(yàn)明確防噴器組各設(shè)備的最大液量，并且根據(jù)最大液量Q1Q2，確定防噴器液控系統(tǒng)的選用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

組合合理防噴器組可以有效控制井噴、井涌現(xiàn)象，是液控系統(tǒng)選用設(shè)計(jì)的基本依據(jù)之一，一般采用四種方式組合防噴器：組合一，被控制對(duì)象有液動(dòng)放噴閥、萬能防噴器;組合二，被控制對(duì)象包括放噴閥、雙閘板防噴器;組合三，常用的陸地鉆井組合方式，被控制對(duì)象包括液動(dòng)放噴閥、雙閘板防噴器、萬能防噴器;組合四，被控制對(duì)象包括半封或全封雙閘板防噴器、兩個(gè)液動(dòng)放噴閥、萬能防噴器。選用設(shè)計(jì)液控系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)野外作業(yè)情況，科學(xué)選擇防噴器的組合方式，減少防噴器組合浪費(fèi)[3]。

3.2 確定液控系統(tǒng)與油泵的選擇設(shè)計(jì)方法

液控系統(tǒng)的選用設(shè)計(jì)要考慮設(shè)備控制的安全經(jīng)濟(jì)性，增大控制系統(tǒng)的安全系數(shù)，選擇完善可靠的設(shè)備進(jìn)行科學(xué)組裝，選用經(jīng)濟(jì)安全的液控系統(tǒng)。企業(yè)選用油泵需要結(jié)合工作環(huán)境、氣候特點(diǎn)以及動(dòng)力條件，配備合適的油泵，如雙倍的動(dòng)力油泵、氣動(dòng)泵等。一般情況下，可以選擇四種油泵，電動(dòng)往復(fù)泵結(jié)構(gòu)簡單，用于野外工作，維修技術(shù)簡單，使用壽命較長;氣動(dòng)泵壓力傳動(dòng)比高，高壓氣源下使用效果理想，以壓縮空氣進(jìn)行單柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng);輔助泵由柴油機(jī)或天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)運(yùn)行的油泵，技術(shù)要求與電動(dòng)泵、氣動(dòng)泵相似;手動(dòng)泵是備用泵，一般用于調(diào)試或其他特殊情況，提供的液壓源流量有限。

3.3 選擇合適的控制管匯與操縱控制板

控制管匯由萬能防噴器回路、閘板防噴器和放噴閥回路以及旁通回路組成，一般以經(jīng)濟(jì)可靠性為前提，通過防噴器組被控制數(shù)量來確定控制管匯系統(tǒng)的選用與設(shè)計(jì)，滿足液控系統(tǒng)的壓力需求。同時(shí)，選擇合適的操縱控制板進(jìn)行遠(yuǎn)距離操縱，有效控制井噴、井涌現(xiàn)象，如采取簡單快速的氣動(dòng)操縱控制板可以安全可靠地控制液控系統(tǒng)，但要準(zhǔn)備單獨(dú)的氣體源。采取輕便的電動(dòng)操作控制板，可以克服氣候問題，但要設(shè)置防爆措施，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換動(dòng)作復(fù)雜。采取可靠性強(qiáng)的液動(dòng)控制板，要準(zhǔn)備液壓源。因此，工作人員要根據(jù)氣候特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、防爆設(shè)施等情況，選擇合適的操縱控制板。

4 結(jié)語

防噴器是石油鉆井的關(guān)鍵部分，選擇與設(shè)計(jì)合適的防噴器液控系統(tǒng)可以有效優(yōu)化石油鉆井質(zhì)量，提高工作效率。為此，要根據(jù)野外作業(yè)的環(huán)境情況與液控系統(tǒng)選用的原則特點(diǎn)，選用設(shè)計(jì)與防噴器相匹配的設(shè)備，提高液控設(shè)備的安全性、靈活性，簡化液控連接系統(tǒng)，優(yōu)化儲(chǔ)存器的工作壓力，有效控制儲(chǔ)存器排油量，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制防噴器液控系統(tǒng)，降低投資、運(yùn)輸成本，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 姜毅磊.基于防噴器控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢的探討[J].石化技術(shù)，2018，25（5）：293.

[2] 徐新，路妍.某自升式鉆井平臺(tái)防噴器液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題分析[J].機(jī)電設(shè)備，2017，34（2）：29-31，35.

[3] 蒲志理.陸地鉆井防噴器液控系統(tǒng)選用設(shè)計(jì)方法的探討[J].石油鉆采機(jī)械通訊，1980（6）：16-25.