防噴器控制裝置三位四通轉閥手柄位置分析

王曉穎，張立剛，陳慧慧，孟少輝

（北京石油機械廠，北京 100083）＊

防噴器控制裝置是控制井口防噴器組以及液動節(jié)流閥、壓井閥的重要設備，是鉆井、修井作業(yè)中防止井噴不可缺少的裝置［1］。當發(fā)生井涌時，防噴器控制裝置通過操作三位四通轉閥的開關，能迅速、準確、安全可靠地關閉防噴器和打開放噴閥，以防止井噴事故的發(fā)生［2］。國外的一些鉆井規(guī)范（例如API RP53，殼牌公司鉆井井控規(guī)范等）對正常鉆井時三位四通轉閥手柄的位置有明確的規(guī)定。國內目前尚沒有統(tǒng)一的規(guī)范來說明此要求，中石油和中石化內部各鉆控公司的要求也不一致。本文分析了該轉閥手柄位置與防噴器開、關位置保持一致的必要性。

1 三位四通轉閥的工作原理

三位四通轉閥的工作原理如圖1。轉閥有4個油口，其中P口為壓力油進口；A 口、B 口為壓力油出口，A 口接防噴器油缸開啟腔，B口接防噴器油缸關閉腔；T 口為回油口，與油箱相通。

閥在換向時，手柄可有3個位置：中位、關位、開位，如圖2。

1）中位時P、A、B、T 4個油口互不相通。

2）關位時P 口與B 口相通，A 口與T 口相通。

3）開位時P 口與A 口相通，B 口與T 口相通。

圖1 三位四通轉閥的工作原理

圖2 三位四通轉閥手柄位置

2 防噴器控制裝置工作原理

防噴器控制裝置的工作原理如圖3。以關閉半封防噴器［3］為例，將三位四通轉閥的手柄扳動至關位，P口與B 口相通，A 口與T 口相通。此時的壓力油經過B 口通往防噴器的關閉腔，壓力油推動油缸活塞而使防噴器關閉。同時，油腔內另一側的油液則經閥的A 口流回油箱。

圖3 防噴器控制裝置工作原理

3 國內外井控規(guī)范說明

1）API RP53－1997《鉆井作業(yè)用防噴設備系統(tǒng)推薦作法》12.5.3節(jié)及13.9.2節(jié)中均提到“鉆井作業(yè)期間，每個防噴器控制閥應處于開啟狀態(tài)（不是居中狀態(tài)）。常規(guī)作業(yè)時，節(jié)流管線液控閥應處于關閉狀態(tài)。操縱全封閉閘板的控制閥手柄應加以保護以避免誤操作，但允許從遠控臺上進行不受妨礙的所有操作。”［4］

2）殼牌公司鉆井規(guī)范《Pressure Control Manual for Drilling，Completion and Well Intervention Operations》2008版4.2.1節(jié)和2011版5.1.5節(jié)均提到了“All four way valves in operation should be either in the fully open or fully closed position，as required；they should not be left in the blocked or centre position.”即在鉆井作業(yè)中，所有的三位四通轉閥應置于全開或全關位置，不應被阻礙或置于中位。在2011版中還在6.4.4節(jié)增加了“The four way valves on the operating control manifold，shall clearly show＇open＇and＇closed＇positions for preventer（s）and the remote hydraulic operated kill and choke line valves.”在控制管匯中的三位四通轉閥，應當清楚地顯示防噴器及節(jié)流閥和壓井閥“開位”和“關位”［5］。

3）中國石油天然氣總公司于1997年出版的井控培訓教材——《井控設備》在第五章中說明“平時換向閥手柄應處于中位”［6］。除此之外沒有明確的標準提到鉆井作業(yè)中三位四通轉閥的位置。在SY／T5964－2006《鉆井井控裝置組合配套、安裝調試與維護》附錄D 鉆井井控裝置安全檢查內容中提到“對遠程控制臺及液氣壓管線要檢查：各換向閥手柄是否處于正確的位置”［7］，但對具體位置沒有說明。目前，石油工業(yè)井控裝置質量監(jiān)督檢驗中心負責將API RP53－1997轉化為推薦的行業(yè)標準，以解決國內沒有鉆井作業(yè)用防噴設備系統(tǒng)推薦做法的問題。

4）北京石油機械廠在每版的《地面防噴器控制裝置液壓元器件使用手冊》中均明確指出“在正常鉆進時，控制閘板防噴器與環(huán)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。反之，當發(fā)生井噴時，則上述各閥的手柄位置相反，前者在“關”位，后者在“開”位轉閥的“中”位通常不用，而當調試或檢修設備時以及在運輸過程中，閥的手柄應搬到“中”位，以免液壓油漏失”。

4 國內目前操作狀況

在中石化的勝利油田、中原油田、西北分公司、西南分公司、華北分公司等油氣田及企業(yè)，鉆井施工中防噴器控制系統(tǒng)各控制手柄置于“中”位；在中國石化的南方勘探分公司，控制防噴器的三位四通轉閥手柄置于“開”位；在中石油的塔里木等油田，半封防噴器控制手柄置于“開”位，其他防噴器置于“中”位；其他油氣田，有的要求所有閘板防噴器控制手柄置于“開”位、環(huán)形防噴器置于“中”位，有的則要求全封和剪切閘板防噴器控制手柄置于“中”位、其他置于“開”位［8］。

5 轉閥的位置分析

API標準是國際石油界認可的權威標準，也是中國的石油裝備和技術進入到國際市場必須遵守的準則之一。作為國際知名的石油公司之一的殼牌，鉆井標準中也與API標準持一致的觀點。

但國內的一些培訓教材和油田的井控規(guī)范均要求在操作過程中將三位四通轉閥手柄置于中位，這其中的原因主要是他們認為“將轉閥手柄置于開、關位會使控制管線、液缸開啟腔長期在高壓下工作，存在安全隱患”［9］。

當轉閥置于開位時，如圖4，壓力油P口與A 口相通，壓力油充滿防噴器開啟管線及防噴器開啟腔。B口與油箱相通。防噴器關閉腔及關閉管線均與控制裝置的油箱相通。

圖4 轉閥置于開位時系統(tǒng)連接示意

在對防噴器操作結束之后，若將三位四通轉閥手柄回到中位，如圖5。則壓力油口P與A 口隔絕，但此時防噴器開啟管線和開啟腔壓力油并沒有泄荷，僅是在換向過程中少量液壓油的損耗，則控制管線、液缸開啟腔仍然在高壓下工作。也就是說無論是在開關位，還是在中位，液壓管線其實都是在高壓下工作。

圖5 轉閥置于中位時系統(tǒng)連接示意

目前使用的控制管線的工作壓力一般為35 MPa，而除高壓剪切閘板防噴器外，環(huán)形防噴器、閘板防噴器及液動閥的操作壓力約為10.5MPa，遠低于管線的工作壓力，故按規(guī)定定期檢查管線，管線長期帶壓使用是允許的。防噴器的液缸也如此。

將轉閥在鉆井工作中置于中位有4方面弊端。

1）操作不便利，防噴器位置不明確。大型鉆機配備的防噴器控制裝置一般都有司鉆控制臺，在進行井控作業(yè)時，主要是通過司鉆控制臺操作，而司鉆控制臺是無法將轉閥手柄置于中位的，需人工到遠程控制臺操作；現在國內普遍使用的氣控型防噴器控制裝置，在遠程臺操作時司鉆控制臺上的顯示氣缸是不能同步換向的，也就無法正確顯示防噴器的正確位置，需要人工來記錄。通過人員的管理記錄又增加了很多不確定因素。

2）液壓管線的泄漏問題。將轉閥置于中位后，防噴器控制裝置和液壓管線是不連通的，則防噴器控制裝置中提供的高壓油是無法供給到防噴器的開啟腔或關閉腔的，若轉閥出口端至防噴器的腔體這部分管線有滲漏，則腔體內的液壓油壓力會逐漸下降，可能低于防噴器的最小操作壓力。

3）液壓管線升壓問題。將轉閥置于中位后，開啟管線和開啟腔或關閉管線和關閉腔為密閉空間，當環(huán)境溫度升高時，雖然液壓油的膨脹系數很小，但其受熱后微小的體積膨脹可導致壓力較大的升高，可能會超過液壓管線和防噴器液缸的工作壓力。轉閥置于開位（或關位），則液壓管線和液缸均和防噴器控制裝置相連，當環(huán)境溫度變化時，閘板防噴器可通過防噴器控制裝置的減壓溢流閥溢流調壓，環(huán)形防噴器可通過環(huán)形溢流閥溢流調壓，不會使系統(tǒng)超壓。

在實際工作中也推薦對環(huán)境溫度的適應范圍更寬的油品，這些油品的膨脹系數會小，例如10號航空液壓油、MOBIL Univis N32、TOTAL Equivis ZS 32、殼牌TELLUS T32等牌號的液壓油。

4）防噴器誤動作問題。閘板防噴器安裝的機械鎖緊裝置有手動鎖緊裝置和液壓自動鎖緊裝置2種，液壓自動鎖緊裝置可以防范誤動作問題的發(fā)生，但當安裝的鎖緊裝置為手動方式時，手動鎖緊裝置只是在較長時間關井時使用，在正常鉆井操作時是沒有鎖緊裝置，將轉閥置于中位就有可能出現防噴器的誤動作。

將轉閥置于中位后，開啟腔與壓力油不相連，若防噴器液缸的活塞密封損壞，開啟腔的液壓油進入關閉腔，則開啟腔和關閉腔會出現壓力平衡的情況，兩端壓力平衡導致活塞的浮動，引起防噴器的誤動作。

液壓回路本身應該是一個有動力源、有泄荷的回路，這樣才能保證液壓系統(tǒng)的安全與可靠。曾發(fā)生過井隊向防噴器控制裝置廠家咨詢鉆井現場全封三位四通轉閥置于中位無人操作，而全封防噴器出現誤動作，將鉆桿擠壓變形的情況。井隊懷疑是三位四通轉閥損壞。后經廠家協(xié)助分析與檢查防噴器，發(fā)現是全封閘板防噴器的油缸密封損壞導致。

若將三位四通轉閥手柄置于開位，則壓力油從防噴器的開啟腔進入關閉腔，再經轉閥的回油口將液壓泄回油箱，防噴器開啟腔和關閉腔的壓力不會達到平衡，則不會發(fā)生誤動作。同時，防噴器控制裝置不斷地供給防噴器高壓油，則電泵會頻繁起動，轉閥回油口持續(xù)漏油，這些也都可以提醒現場人員檢查異常情況。

6 結論

1）在鉆井作業(yè)中，防噴器控制裝置的三位四通轉閥手柄應和防噴器保持一致，即控制防噴器的三位四通轉閥的手柄應置于開位，控制液動閥的三位四通轉閥手柄應置于關位，這樣可以在控制裝置上直觀地看到防噴器的開關狀態(tài)，也可以有效地防止管線升壓的問題和防噴器誤動作的問題。

2）防噴器控制裝置轉閥手柄位置問題是實際井控作業(yè)中的基礎問題。通過研究分析防噴器控制裝置和三位四通轉閥的原理和功能，應盡快制定出具有實際意義的標準，以規(guī)范國內石油鉆井行業(yè)中井控設計、配套、操作和現場管理等行為，確保防噴器控制裝置在井控中的安全應用。

［1］石油天然氣鉆井井控編寫組.石油天然氣鉆井井控（中國石油員工培訓系列教材）［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2008.

［2］陳香凱.提高防噴器控制裝置性能的探討［J］.石油礦場機械，1998，27（3）：12－14.

［3］API SPEC 16D，Specification for Control Systems for Drilling Well Control Equipment and Control Systems for Diverter Equipment［S］.2nd Edition.2010.

［4］API RP53，Recommended Practices for Blowout Prevention Equipment Systems for Drilling Wells ［S］.Third Edition，MARCH 1997.

［5］Shell Group of companies.Restricted Pressure Control Manual for Drilling，Completion and Well Intervention Operations WS 38.80.00.18－Gen［K］.October 2011.

［6］孫振純，王守謙，徐明輝.井控設備［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1997.

［7］SY／T5964－2006，鉆井井控裝置組合配套、安裝調試與維護［S］.

［8］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.

［9］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(fā)，2008，31（4）：47－51.