芻議防噴器控制裝置產(chǎn)品行業(yè)標準的修訂

陳慧慧，張宏英，王興燕，陳星，吳楠，鄭翔

北京石油機械有限公司 （北京 102206）

0 引言

防噴器控制裝置是控制防噴器的關(guān)鍵設備，其主要功能是儲備高壓液壓油并在緊急情況下關(guān)閉防噴器。防噴器控制裝置由蓄能器組、兩種泵組（通常是電驅(qū)泵和氣驅(qū)泵）、調(diào)壓閥及其管路、底座、油箱、轉(zhuǎn)閥控制管路、遙控臺等組成。泵組提供高壓液壓油存儲在蓄能器中，通過調(diào)壓閥將壓力調(diào)節(jié)到關(guān)閉防噴器所需要的壓力，最后通過轉(zhuǎn)閥管路控制防噴器組打開或者關(guān)閉。遙控臺最主要的功能是控制轉(zhuǎn)閥的動作，進而控制防噴器組打開或者關(guān)閉。

我國防噴器控制裝置的行業(yè)標準從1984年首次發(fā)布，直至最新版SY/T 5053.2—2007《鉆井井口控制設備及分流設備控制系統(tǒng)規(guī)范》[1]，作為防噴器控制裝置的產(chǎn)品設計制造標準，經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展和改進，指導了我國防噴器控制裝置的發(fā)展。隨著石油裝備技術(shù)的快速發(fā)展，根據(jù)國內(nèi)外油田長期使用過程中的反饋，防噴器控制裝置行業(yè)標準尚存在不合理和不足的地方，亟待修訂完善。

1 國內(nèi)外相關(guān)標準制修訂回顧

從20世紀50年代世界上第一臺防噴器控制裝置“Koomey Unit”研制成功開始，防噴器控制裝置作為鉆井作業(yè)安全保障的關(guān)鍵設備，就一直發(fā)揮著重要作用。20世紀70年代我國石油工業(yè)蓬勃發(fā)展，但是裝備落后。在這種形勢下，原石油工業(yè)部北京石油機械廠于1979年開始研制FKQ系列地面防噴器控制裝置，1981年北京石油機械廠研制出國內(nèi)首臺防噴器控制裝置，成果榮獲石油工業(yè)部科技進步一等獎。

1984年地面防噴器控制裝置行業(yè)標準首次發(fā)布，結(jié)束了防噴器控制裝置無標準可依的歷史，并于1991年7月第一次修訂。1993年API Spec16D《Specifi?cation for Control Systems for Drilling Well Control Equipment》[2]第 1版發(fā)布，2001年 9月行業(yè)標準SY/T 5053.2—2001《地面防噴器及控制裝置 控制裝置》根據(jù)API Spec 16D第1版的內(nèi)容進行第二次修訂，增加了環(huán)境適應性等有關(guān)內(nèi)容和材料。

2004年API Spec 16D《Specification for Control Systems for Drilling Well Control Equipment and Con?trol Systems for Diverter Equipment》[3]第 2版發(fā)布，我國行業(yè)標準等同采用API Spec 16D第2版并于2007年發(fā)布，即SY/T 5053.2—2007《鉆井井口控制設備及分流設備控制系統(tǒng)規(guī)范》，此次改版是該標準發(fā)展史上的一次重大改進。由于防噴器控制裝置經(jīng)歷了重大發(fā)展，此項標準的內(nèi)容也發(fā)生了重大變化：從單純的地面防噴器控制裝置，范圍擴大到囊括水上防噴器控制裝置、分流器控制裝置、水下防噴器控制裝置及輔助設備等；在原有的FK（手動型）和FKQ（氣控型）兩種控制方式基礎(chǔ)上，增加了FK?DQ（電控氣型）、FKDY（電控液型）和先導式3種控制方式；對于水上防噴器控制裝置和水下防噴器控制裝置的蓄能器容積，按照類別進行不同且詳盡的計算。

在行業(yè)標準SY/T 5053.2—2007《鉆井井口控制裝備及分流器控制系統(tǒng)規(guī)范》的指導下，經(jīng)過10多年的發(fā)展，分流器控制裝置、水上防噴器控制裝置和水下防噴器控制裝置都相繼研制成功，除了水下防噴器控制裝置外其余均批量投放市場，進入油氣鉆井領(lǐng)域，并相繼出口到40多個國家和地區(qū)，產(chǎn)品技術(shù)達到國際先進水平，為國內(nèi)外的石油天然氣勘探開發(fā)做出了重大貢獻。

2 我國行業(yè)標準的發(fā)展現(xiàn)狀

SY/T 5053.2—2007《鉆井井口控制裝備及分流器控制系統(tǒng)規(guī)范》從2008年3月實施以來，地面防噴器控制裝置經(jīng)歷了諸多改進，功能得到完善，技術(shù)、工藝均發(fā)生變革。其中新技術(shù)、新工藝、新功能部分內(nèi)容詳見表1。

SY/T 5053.2—2007的行業(yè)標準對提高我國防噴器控制裝置的技術(shù)水平和國際市場競爭力起到了重要的支持作用。但是隨著鉆井工藝和技術(shù)的發(fā)展，防噴器控制裝置在經(jīng)歷了10多年的發(fā)展之后已產(chǎn)生了重大變化。例如：防噴器控制裝置的蓄能器容積的計算方法已經(jīng)更新；防噴器控制裝置的新技術(shù)、新工藝、新功能已經(jīng)得到蓬勃發(fā)展，目前的行業(yè)標準已經(jīng)不能很好地滿足國內(nèi)外市場的需求。

表1 防噴器控制裝置的新發(fā)展

3 國際標準和國外先進標準的發(fā)展

3.1 對蓄能器容積的具體要求

1）殼牌公司鉆井、完井和修井操作壓力控制手冊[4]針對防噴器控制裝置蓄能器最小操作壓力的定義為：閘板防噴器的額定壓力除以關(guān)閉比得到的數(shù)值再加上閘板防噴器的最小密封壓力。若防噴器組配備剪切閘板時，需要用剪切閘板的最小操作壓力來核算管子閘板的最小操作壓力，根據(jù)計算得出的蓄能器容積是否同樣滿足剪切閘板的需求。

2）沙特阿美井控手冊[5]對蓄能器容積要求為：根據(jù)API Spec 16D—2004的計算方法得出的蓄能器容積的1.5倍。

3）中東（沙特等）地區(qū)對蓄能器容積的要求為關(guān)閉并打開環(huán)形防噴器和所有閘板防噴器，再關(guān)閉環(huán)形防噴器和一個閘板防噴器所需的液量。

API Spec 16D—2004只要求關(guān)閉環(huán)形防噴器和所有閘板防噴器，并打開一側(cè)的放噴管線，且最小操作壓力為閘板額定壓力除以關(guān)閉比。而國外鉆井過程中執(zhí)行的鉆井井控手冊均對蓄能器容積計算重新做出了定義，其標準均高于API Spec 16D—2004對地面防噴器控制裝置的蓄能器容積要求。

3.2 國際標準的發(fā)展動向

API Spec 16D—2018《Control Systems for Drill?ing Well Control Equipment and Control Systems for Diverter Equipment》[6]于 2018 年發(fā)布并于 2019 年 5月正式實施，該標準做出了以下幾點重大變更。

1）氣控型防噴器控制裝置的遙控臺應顯示防噴器控制裝置本體轉(zhuǎn)閥的實時位置。

2）從3個方面提高設備安全系數(shù)。①機械部分：管路采用并聯(lián)雙過濾，泵出油口采用隔離閥和卸荷閥增強其在線維護的操作性；增加FMEA（失效模式與影響分析）和確認試驗；所有高壓元件應有兩倍額定壓力試驗；遙控臺應增加防護門以防止誤操作等，增強了防噴器控制裝置的可靠性，消除了潛在的安全隱患。②電器部分：增加了FMEA（失效模式與影響分析）和確認試驗、白盒測試和黑盒測試，以保證意外情況下不會造成防噴器控制裝置的自動誤操作。③備用動力源：所有設備配備UPS或氣罐，保證動力源失效后的遙控操作在2 h內(nèi)不失效或者遙控臺遙控所有控制轉(zhuǎn)閥動作兩次。

3）更新計算方式，提高蓄能器容積計算的準確性。更新后的API Spec 16D—2018的計算方式變化最大。首先取消了原有的方法A，并且將原來用于水下防噴器控制裝置的方法B和方法C應用到水上防噴器控制裝置（取消了原地面防噴器控制裝置的術(shù)語）。方法B采用等溫過程計算，方法C采用絕熱過程計算，而且兩種計算方法中按照容積限制和壓力限制兩種方法取最優(yōu)值，考慮溫度變化帶來的影響，采取氮氣在不同壓力不同溫度下的實際密度以減少計算誤差。

容積限制和壓力限制考慮的是溫度和壓力等因素的變化對容積造成的影響。壓力限制是壓力降低到最小操作壓力之后，剩余液量不可使用；容積限制是容積排放過程中溫度的變化對容積的影響，高于局部環(huán)境溫度的是可用控制液量。

溫度對容積限制和壓力限制的影響在API Spec 16D—2018版中也得到論證，其結(jié)果是壓力限制的容積率隨著溫度降低而降低，容積限制的容積率隨著溫度上升而降低。為了保證計算結(jié)果的準確性，在計算時引入了溫度的影響，容積限制計算時取低溫，壓力限制計算時取高溫。

方法B采用的是等溫過程計算，是蓄能器從預充壓力升壓至額定壓力的過程，采用API Std 53—2018[7]的壓降過程來計算蓄能器容積，模擬的是蓄能器關(guān)閉環(huán)形防噴器和所有閘板防噴器并打開一側(cè)管線的過程，保證蓄能器在充壓過程中充入足夠可用液量（即從最小操作壓力到額定壓力21 MPa），同時滿足容積限制和壓力限制的需求。

方法C采用的是絕熱過程計算，模擬的是實際關(guān)井過程中的操作，即關(guān)閉環(huán)形防噴器和管子閘板防噴器，打開一側(cè)的管線，若是有剪切閘板防噴器，關(guān)閉操作為關(guān)閉環(huán)形防噴器，然后關(guān)閉剪切閘板防噴器，最后關(guān)閉管子閘板防噴器，打開一側(cè)的管線。與方法B不同，由于防噴器控制裝置蓄能器壓力低于19 MPa，泵組才會給蓄能器補壓。因此壓力變化為19 MPa到最小操作壓力下的過程中排放的液量，此過程同樣需要滿足容積限制和壓力限制的需求。

方法B和方法C的計算公式都采用氮氣在不同壓力、不同溫度下的實際密度計算，這樣大大減小了計算誤差。圖1描述了兩種計算方法的過程，利用方法B的壓力限制和容積限制兩種方法得到一個最優(yōu)預充壓力值；同時利用方法C的壓力限制和容積限制兩種方法得到一個最優(yōu)預充壓力值；然后對比方法B和方法C取最優(yōu)預充壓力值。這樣保證了蓄能器容積滿足充壓和關(guān)井兩個過程的需求，且兼顧溫度、壓力的影響，將其影響值降到最低。

需要指明的是，利用方法B和方法C計算得到的蓄能器預充壓力均比方法A計算得出的值高，且溫度、最小操作壓力等變化均會影響預充壓力數(shù)值的變化。

圖1 方法B和方法C的計算方法曲線

1)增加高壓剪切功能。增加高壓剪切功能是此次API Spec 16D—2018改版做出的另外一項重大變動。由于計算方法的變更，帶剪切閘板的防噴器組匹配的防噴器控制裝置蓄能器容積變大，這是因為剪切閘板所需最小操作壓力值較高引起的。若是蓄能器計算容積過大，可以采用專用高壓剪切管路（額定壓力35 MPa）配備專用高壓蓄能器（額定壓力35 MPa）來解決此項問題，同時取消原有的利用氣泵打高壓關(guān)閉剪切閘板防噴器的方法，保證了防噴器控制系統(tǒng)除了高壓剪切管路之外其余部分的壓力不會超過額定壓力（21 MPa）。這樣既滿足高壓需求，又消除了高壓對防噴器控制裝置帶來的安全隱患。

2)其他重要變動。取消了原有的ASME B 31.1—2016[8]《動力管道》標準，更改為ASME B 31.3—2016[[9]《工藝管道》標準。由于ASME B 31.1—2016相比ASME B 31.3—2016，對管道材料的許用應力要求更高，動力管道通常流通高溫高壓介質(zhì)，工藝管道通常流通一般介質(zhì)，因此動力管道對腐蝕余量要求更高。防噴器控制裝置的管道介質(zhì)為常溫的液壓油（21 MPa），此次變動符合防噴器控制裝置的實際使用情況。

取消了“在不使用蓄能器組且一套泵系統(tǒng)或一套動力系統(tǒng)不工作時，余下的泵系統(tǒng)應能在2min內(nèi)在空井時關(guān)閉一個環(huán)形防噴器（不包括分流器），打開液動節(jié)流閥并保證提供的壓力至少等于最小操作壓力”的條款等。

4 標準修訂的迫切性

我國行業(yè)標準SY/T 5053.2—2007和API Spec 16D—2018的部分內(nèi)容比較分析詳見表2。

目前我國行業(yè)標準在近期的發(fā)展過程中已經(jīng)滯后于防噴器控制裝置的發(fā)展，而且防噴器控制裝置在國內(nèi)外油田的長期使用過程以及參與國外項目的技術(shù)交流中，也反映出一些問題，迫切需要修訂解決。

表2 SY/T 5053.2—2007與API Spec 16D—2018的部分內(nèi)容對比

4.1 防噴器控制裝置遙控臺的即時位置顯示

防噴器控制裝置的常規(guī)布局是：控制裝置本體置于距井口25 m左右的區(qū)域，控制裝置的主遙控臺放置在司鉆臺，輔助遙控臺放置在隊長室，通過遙控臺可控制本體的開關(guān)動作進而控制防噴器的開關(guān)。井場常用的控制方式為氣控型或電控型。①氣控型防噴器控制裝置成本較低且維護簡單，是防噴器控制裝置最常用的控制方式，在油田現(xiàn)場大量使用。但是在長期使用過程中氣控型防噴器控制裝置顯現(xiàn)出一個弊端，即遙控臺不能即時顯示本體轉(zhuǎn)閥的實際位置（只能使用氣缸顯示上次在遙控臺操作時的位置），因此相關(guān)操作人員在遙控臺不知道控制裝置本體的轉(zhuǎn)閥實際位置，不利于實際操作。②電控型防噴器控制裝置不存在上述問題，但由于電控型防噴器控制裝置的成本高、維護難和對操作人員的要求高等因素，油田現(xiàn)場無法全部使用電控型防噴器控制裝置，因此氣控型防噴器控制裝置的即時位置顯示成為迫切需要解決的一個問題。

近年來，在國外防噴器控制裝置項目設計過程中，對氣控型防噴器控制裝置進行了改進，將遙控臺改進為帶實時位置顯示的燈顯遙控臺，很好地解決了此項問題，經(jīng)過大量現(xiàn)場驗證，其滿足現(xiàn)場實際需求。

4.2 高壓剪切的安全性

防噴器控制裝置作為井控的安全設備，其重要作用就是在關(guān)鍵時刻及時關(guān)井，因此防噴器控制裝置的安全性關(guān)乎井噴時能否正常關(guān)井。常規(guī)防噴器控制裝置的額定壓力是21 MPa，關(guān)井時通常先關(guān)閉環(huán)形防噴器、半封/全封閘板防噴器，剪切閘板防噴器在使用過程中作為井噴的最后一道防線，需要足夠的壓力推動剪切閘板以剪斷鉆桿。在實際的鉆井過程中，因為情況緊急，剪切閘板剪到鉆鋌等情況也時有發(fā)生，此時所需壓力遠高于21 MPa?，F(xiàn)場做法是利用高于21 MPa的壓力來關(guān)閉剪切閘板控制井口，這樣會對防噴器控制裝置造成安全隱患，成為井控操作的不可控因素。

4.3 蓄能器計算方法

防噴器控制裝置SY/T 5053.2—2007行業(yè)標準從2007年等同采用API Spec 16D—2004之后，多年來對地面型防噴器控制裝置一直采用基于理想氣體的等溫排放公式增加系數(shù)的方法（簡稱方法A）來計算。而方法A的計算結(jié)果與實際情況有較大的誤差。在蓄能器充壓的過程中，通常是泵組在15 min內(nèi)將蓄能器的壓力從預充壓力升到額定壓力（21MPa），此過程時間長，可以考慮為等溫過程。但是蓄能器在排放的過程中，要求關(guān)閉防噴器最長的時間不超過45 s，因此是一個短時間內(nèi)排放大量液體的過程，應該按照絕熱過程來計算。而絕熱過程計算方法算出的蓄能器容積大于方法A計算出的蓄能器容積。經(jīng)過長期的設計計算、經(jīng)驗交流，以及蓄能器實際排油量試驗，對比得出：利用絕熱過程計算方法算出的蓄能器容積與現(xiàn)場的實際使用情況更加吻合，因此SY/T 5053.2—2007行業(yè)標準中的計算方法A已經(jīng)不符合現(xiàn)有井場設備的需求。

4.4 氣泵問題

防噴器控制裝置在長期的使用過程中，氣泵的耗氣量太大也是現(xiàn)場多次反映的一個問題。行業(yè)標準SY/T 5053.2—2007要求防噴器控制裝置的泵組（氣泵組和電泵組）需要具備兩個功能：在不使用蓄能器組且一套泵系統(tǒng)或一套動力系統(tǒng)不工作時，余下的泵系統(tǒng)應能在2 min內(nèi)在空井時關(guān)閉一個環(huán)形防噴器（不包括分流器），打開液動節(jié)流閥并保證提供的壓力至少等于最小操作壓力。由于鉆井初期會配備大通徑的防噴器組，環(huán)形防噴器關(guān)閉液量很大，這樣就會增大電泵組和氣泵組的流量需求，進而增加電泵和氣泵的數(shù)量，需要井場配備相匹配的電源和氣源。在油田現(xiàn)場經(jīng)常發(fā)現(xiàn)氣泵所需空壓機的功率超過井場現(xiàn)有空壓機的總功率，這樣造成井控安全隱患，需要重新匹配合適的空壓機。而現(xiàn)場使用過程中極少情況下會直接使用氣泵2 min內(nèi)關(guān)閉環(huán)形防噴器，重新配備的大功率空壓機就會產(chǎn)生資源浪費，并造成鉆井成本增加。

5 修訂建議

從國外防噴器控制裝置相關(guān)先進標準的變化看，我國行業(yè)標準中存在的問題在API Spec 16D—2018中均得到改進，因此可以作為我國防噴器控制裝置行業(yè)標準修訂的參考。具體修訂建議如下。

1）取消氣泵2 min空井關(guān)閉一個環(huán)形防噴器的功能，與現(xiàn)場使用需求一致，建議行業(yè)標準中同樣取消該要求。

2）高壓剪切功能順應鉆井設備發(fā)展的變更，兼具設備安全性和操作實用性，建議行業(yè)標準中增加。

3）工藝管道標準使用ASME B 31.3—2016符合防噴器控制裝置的實際使用情況，建議行業(yè)標準中考慮采用。

4）機械、電氣部分的變動增強了防噴器控制裝置的可靠性，強制要求備用動力源增加防噴器控制裝置的安全系數(shù)，建議考慮采用。

5）帶實時位置顯示的燈顯遙控臺符合鉆井技術(shù)發(fā)展，解決實際問題，應大力推廣。但是需要考慮國內(nèi)修井機對遙控臺的需求度，還需要討論是否區(qū)別對待。

6）蓄能器的計算方法應根據(jù)我國的實際情況執(zhí)行，API Spec 16D—2004的計算方法A不符合實際需求，但是API Spec 16D—2018的計算方法采取方法B和方法C取優(yōu)，公式中相關(guān)指數(shù)都是按照最低值計算，這樣會使計算結(jié)果相比原計算方法變大很多，而且蓄能器的預充壓力大幅增高。通過國內(nèi)現(xiàn)場的實際關(guān)井操作反饋和國外油公司井控手冊來看，殼牌公司井控手冊的計算方法滿足現(xiàn)場的使用需求，得到業(yè)內(nèi)專家的認可，該手冊在行業(yè)內(nèi)有指導意義，因此API Spec 16D—2018標準的計算方法對于陸地使用防噴器控制裝置是否合適，還需要深入討論以求符合國情。

修訂后的行業(yè)標準將進一步推動防噴器控制裝置的發(fā)展，提高其技術(shù)水平和在國際上的地位，以期獲得更大的經(jīng)濟效益。