深水水下防噴器控制系統(tǒng)蓄能器能力分析＊

盛磊祥許亮斌蔣世全劉正禮

(1.中海油研究總院; 2.中海石油(中國)有限公司深圳分公司)

深水水下防噴器控制系統(tǒng)蓄能器能力分析＊

盛磊祥1許亮斌1蔣世全1劉正禮2

(1.中海油研究總院; 2.中海石油(中國)有限公司深圳分公司)

根據(jù)蓄能器系統(tǒng)的工作環(huán)境和工作狀態(tài),將水下防噴器控制系統(tǒng)蓄能器分為地面蓄能器、水下蓄能器和應(yīng)急蓄能器等3類,分析了水深對不同蓄能器系統(tǒng)主要參數(shù)的影響。提高蓄能器的承壓能力,可以減小控制系統(tǒng)的預(yù)壓力,從而減少地面蓄能器的個(gè)數(shù),節(jié)省平臺(tái)空間。不同蓄能器系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)隨水深的變化趨勢差異較大,在蓄能器系統(tǒng)控制能力設(shè)計(jì)與校核時(shí)須特別注意。

防噴器 蓄能器系統(tǒng) 控制能力 深水

防噴器是海上鉆完井作業(yè)的關(guān)鍵裝備[1],1)海洋鉆井手冊編審組.海洋鉆井手冊.1996.,其開關(guān)動(dòng)作由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),蓄能器和動(dòng)力泵是控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源,也是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備[2-3]。為了滿足深水油氣田開發(fā)的需要,越來越多的鉆井服務(wù)商著手升級(jí)改造現(xiàn)有的鉆井平臺(tái)(船),蓄能器作為防噴器的開關(guān)動(dòng)力源,升級(jí)過程中其控制能力的校核和設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。與淺水條件下的水下防噴器相比,深水防噴器的蓄能器系統(tǒng)更容易受到海水靜壓力、海底低溫的影響。根據(jù)蓄能器系統(tǒng)的工作環(huán)境和工作狀態(tài),筆者將防噴器控制系統(tǒng)蓄能器分為地面蓄能器、水下蓄能器和應(yīng)急蓄能器3類,并依據(jù)API16D規(guī)范[4]分析了水深對蓄能器系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)的影響,研究結(jié)果對蓄能器系統(tǒng)控制能力的設(shè)計(jì)和校核具有參考意義。

1 蓄能器系統(tǒng)控制能力分析方法

蓄能器系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)包括預(yù)壓力 p0、蓄能器個(gè)數(shù)和單個(gè)蓄能器有效流體體積,這些參數(shù)表征了蓄能器系統(tǒng)的控制能力。

1.1 預(yù)壓力p0的計(jì)算方法

有效體積比反映的是蓄能器儲(chǔ)備的流體體積與蓄能器容積之比,其大小主要取決于系統(tǒng)各工況條件下對蓄能器壓力的要求,計(jì)算公式[4]為

式(1)、(2)中:V E2、V E3分別為蓄能器在控制狀態(tài)和全部卸載狀態(tài)時(shí)的有效體積比;F2、F3為蓄能器在控制狀態(tài)、全部卸載狀態(tài)時(shí)的安全系數(shù);ρ0、ρ1、ρ2為蓄能器在預(yù)壓狀態(tài)、充壓狀態(tài)和控制狀態(tài)時(shí)的氣體密度。

參照API16D,當(dāng)V E2=V E3時(shí),對應(yīng)預(yù)壓力p0狀態(tài)下的氣體密度為

根據(jù)蓄能器系統(tǒng)的工作環(huán)境及工作狀態(tài),將防噴器控制系統(tǒng)蓄能器主要分為地面蓄能器、水下蓄能器和應(yīng)急蓄能器3類。地面蓄能器和水下蓄能器也稱主蓄能器,用于正常作業(yè)條件下(如試壓、地漏試驗(yàn)等)防噴器系統(tǒng)的開關(guān)作業(yè),其排液過程可視為氣體等溫膨脹過程;應(yīng)急蓄能器用于海上緊急情況下的關(guān)井或剪切套管作業(yè),并要求快速實(shí)現(xiàn),因此應(yīng)急蓄能器的排液過程應(yīng)該視為氣體絕熱膨脹過程。

(1)地面蓄能器 p0的計(jì)算方法

根據(jù)API16D規(guī)范,當(dāng)控制系統(tǒng)最大承壓能力p1小于34.577MPa時(shí),地面蓄能器氣體狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程可視為理想氣體等溫變化過程,此時(shí)氣體的壓力和密度成正比,因此式(1)～(3)可以轉(zhuǎn)化為與壓力相關(guān)的計(jì)算式,若 F2和 F3按API16D推薦的安全系數(shù)取值,即 F2和 F3分別取1.0和1.5,則式(1)～(3)可變?yōu)槭?4),由式(4)可求得預(yù)壓力 p0。

根據(jù)API16D規(guī)范推薦,如果求得的p0小于對應(yīng)水深的海水靜壓力,那么公式(4)中的 V E3= (p0/p3-p0/p1)/1.5,其中 p3為卸載壓力,此時(shí)取為海水靜壓力,然后根據(jù)V E2=V E3求得 p0。如果最小操作壓力 p2小于海水靜壓力,則 p2取為海水靜壓力。

當(dāng) p1>34.577MPa時(shí),API16D推薦安全系數(shù) F2和 F3分別取1.0和1.4,則式(3)變?yōu)槭?5);該條件下氣體狀態(tài)與理想氣體狀態(tài)差別較大,可根據(jù)蓄能器工作時(shí)的環(huán)境溫度和壓力參數(shù)查NIST[5](美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表得到密度ρ1、ρ2,再由式(5)計(jì)算得到預(yù)壓力狀態(tài)下的氣體密度,然后再查NIST表確定預(yù)壓力 p0。

(2)水下蓄能器 p0計(jì)算方法

水下蓄能器的預(yù)壓力計(jì)算與地面蓄能器類似,只是計(jì)算時(shí)需要考慮海水靜壓力的影響,即將所有關(guān)于壓力的值都轉(zhuǎn)化為絕對壓力,其它參數(shù)的計(jì)算與地面蓄能器相同。

(3)應(yīng)急蓄能器 p0計(jì)算方法

絕熱過程氣體狀態(tài)方程[6]為

假設(shè)完成應(yīng)急動(dòng)作前后蓄能器內(nèi)氣體狀態(tài)參數(shù)分別為 p1、p2和 T1、T2,則由式(6)可得

式(6)、(7)中:p、V、T分別表示氣體壓力、體積和溫度;T1為海底泥線附近溫度;T2為完成應(yīng)急動(dòng)作后氣體溫度;γ為氮?dú)獾亩▔簾崛菖c定體熱容之比,氮?dú)獾亩▔簾崛?Cp取1.038、定體熱容 CV取0.741,得到γ為1.4。p1和 p2為工況壓力(考慮了靜水壓力 p),由絕熱過程狀態(tài)方程可計(jì)算得到絕熱膨脹過程的溫度 T2,然后查NIST表[6]分別確定氣體在充壓狀態(tài)和控制狀態(tài)下的密度ρ1和ρ2,并由式(3)計(jì)算預(yù)壓力狀態(tài)對應(yīng)的氣體密度ρ0(由于API16D推薦的安全系數(shù) F2、F3均取為1.1,故此時(shí)ρ0在數(shù)值上等于ρ2),再查NIST表可得到預(yù)壓力 p0。

1.2 蓄能器有效流體體積及個(gè)數(shù)計(jì)算方法

出于保守考慮,單個(gè)蓄能器有效流體體積可由式(8)計(jì)算

式(8)中:FV R表示單個(gè)蓄能器有效流體體積;BV表示單個(gè)蓄能器的容積。

蓄能器的個(gè)數(shù)可由式(9)求得

式(9)中:n為蓄能器的個(gè)數(shù);V為控制機(jī)構(gòu)所需的有效流量。

2 蓄能器系統(tǒng)控制能力分析

以某深水鉆井船配備的防噴器組為控制對象進(jìn)行蓄能器系統(tǒng)控制能力分析。節(jié)流壓井、液壓控制管匯最大承壓力為68.948MPa,蓄能器承壓力為20.684MPa,井控動(dòng)力泵額定壓力為20.684MPa;井口最大壓力為 68.948MPa;防噴器關(guān)閉比為6.7;節(jié)流閥與壓井閥的工作壓力均為10.342MPa,其它參數(shù)見表1。

表1 防噴器系統(tǒng)基本參數(shù)

2.1 系統(tǒng)最大承壓力 p1和最小操作壓力p2的求取

系統(tǒng)最大承壓力 p1應(yīng)取節(jié)流壓井和液壓控制管匯最大承壓力、蓄能器承壓力、井控動(dòng)力泵額定壓力的最小值。根據(jù)本例已知條件,p1為 20.684 MPa。

系統(tǒng)最小操作壓力 p2應(yīng)取根據(jù)統(tǒng)計(jì)防噴器關(guān)閉比計(jì)算的控制井口的最小工作壓力、分流器閥門工作壓力及其它井控液壓閥工作壓力的最大值。

由井口最大壓力為68.948MPa及防噴器關(guān)閉比為 6.7,可得到控制井口的最小工作壓力為10.291MPa,而本例中節(jié)流閥和壓井閥的操作壓力均為10.342MPa,故最小操作壓力 p2為 10.342 MPa。

2.2 蓄能器系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)計(jì)算與分析

2.2.1 地面蓄能器系統(tǒng)

針對防噴器系統(tǒng)控制要求(表1),根據(jù)公式(4)、(5)、(8)、(9)計(jì)算出了系統(tǒng)承壓能力范圍不同水深所需地面蓄能器系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù),并分析了這些參數(shù)與 p、p0、p2之間的關(guān)系(表2)。

表2 地面蓄能器系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)計(jì)算結(jié)果及其與 p、p0、p2的關(guān)系(單個(gè)蓄能器容積302.833L)

由表2可以看出,隨著水深的變化,地面蓄能器系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)的變化可分為3個(gè)階段:水深較小,p(海水靜壓力)p2時(shí),蓄能器個(gè)數(shù)和預(yù)壓力隨著水深的增加而增加,特別是蓄能器個(gè)數(shù)在1 900m和2 000m大幅增加,而單個(gè)蓄能器有效流體體積隨之減小。根據(jù)壓力和水深的關(guān)系,得到此算例3個(gè)階段的臨界水深分別是828m和1 034m。

海上平臺(tái)空間資源有限,必須保證空間的利用率。增加蓄能器的容積,僅僅可以減少蓄能器的數(shù)量,但是并不能改變系統(tǒng)總體積要求。提高蓄能器的承壓能力可以降低預(yù)壓力 p0,水深相同的條件下,預(yù)壓力減小,可以減小蓄能器的數(shù)量。以2 000m水深為例,如果將壓力 p1(通過提高蓄能器瓶和泵的承壓能力實(shí)現(xiàn))由20.684MPa提高至34.474 MPa,計(jì)算發(fā)現(xiàn)預(yù)壓力 p0可由19.655MPa減小至16.517MPa,蓄能器個(gè)數(shù)可由232減少至22。這樣就可以大大節(jié)省平臺(tái)空間。

2.2.2 水下蓄能器系統(tǒng)

與地面蓄能器系統(tǒng)相比,水下蓄能器需要考慮海水的靜壓力。由前所論,當(dāng)控制系統(tǒng)最大壓力大于34.577MPa,即水深超過1 390m時(shí),水下蓄能器系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)根據(jù)公式(5)、(9)、(10)計(jì)算;當(dāng)控制系統(tǒng)最大承壓力小于34.577MPa,即水深不超過1 390m時(shí),水下蓄能器參數(shù)根據(jù)公式(4)、(8)、(9)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表3。由表3可以看出,隨著水深的增加,水下蓄能器的預(yù)壓力增加,單個(gè)蓄能器的有效流體體積減小,蓄能器個(gè)數(shù)增加。

表3 水下蓄能器系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)計(jì)算結(jié)果(單個(gè)蓄能器容積151.416L)

對比表2、表3可以看出,水下蓄能器系統(tǒng)蓄能器個(gè)數(shù)對水深的敏感性遠(yuǎn)低于地面蓄能器系統(tǒng)。以水深由1 100m增至2 000m為例,地面蓄能器系統(tǒng)蓄能器個(gè)數(shù)由21個(gè)增加至232個(gè),而水下蓄能器系統(tǒng)僅由10個(gè)增加至17個(gè)。因此,隨著水深的增加,地面蓄能器系統(tǒng)對平臺(tái)空間的需求更明顯。

2.2.3 應(yīng)急蓄能器系統(tǒng)

由公式(6)～(9),參照NIST氣體狀態(tài)參數(shù)表,應(yīng)急蓄能器參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4。

由表4可以看出,隨著水深的增加,蓄能器預(yù)壓力增加,蓄能器的有效流體體積和個(gè)數(shù)呈不明顯的遞減或遞增關(guān)系。

表4 應(yīng)急蓄能器系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)計(jì)算結(jié)果(單個(gè)蓄能器容積151.416L)

3 結(jié)論

根據(jù)蓄能器系統(tǒng)的工作環(huán)境和工作狀態(tài),可將水下防噴器控制系統(tǒng)蓄能器分為地面蓄能器、水下蓄能器和應(yīng)急蓄能器3類,不同蓄能器系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)隨水深的變化趨勢差異較大,在蓄能器系統(tǒng)控制能力設(shè)計(jì)與校核時(shí)須特別注意。

提高蓄能器的承壓能力可以減小控制系統(tǒng)的預(yù)壓力,從而減少系統(tǒng)地面蓄能器的個(gè)數(shù),節(jié)省平臺(tái)空間。

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[6] 廉樂明.工程熱力學(xué)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

(編輯:孫豐成)

Abstract:According to the working environment and operating status,accumulators are classified in three categories:surface accumulator,subsea accumulator and emergency accumulator.This paper analyzes the influence of water depth on main parameters of the three kinds of accumulators respectively.It is concluded that,to a certain BOP,increasing the pressure rating of accumulator can decrease the pre-pressure of control system so that to reduce the number of surface accumulators and save platform space significantly.The parameters of different accumulators vary evidently with water depth,which must be noted during the design and evaluation of accumulator control capacity.

Key words:BOP;accumulator system;control capacity;deepwater

Capacity analysis on accumulator of deepw ater subsea BOP control system

Sheng Leixiang1Xu Liangbin1Jiang Shiquan1Liu Zhengli2
(1.CNOOC Research Institute,Beijing,100027;
2.Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.Co.,Guangdong,518000)

2009-12-20 改回日期:2010-05-18

＊國家科技重大專項(xiàng)“深水油氣田開發(fā)鉆完井工程配套技術(shù)”(編號(hào):2008ZX05026-01)部分研究成果。

盛磊祥,男,2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè),獲碩士學(xué)位,現(xiàn)主要從事深水鉆完井方面的研究工作。地址:北京市東城區(qū)東直門外小街6號(hào)海油大廈(郵編:100027)。