張桂林

(中石化勝利石油工程技術(shù)有限公司，山東東營 257001)

井控設(shè)備是保證井控安全的必備設(shè)備，對其有效保護和正確控制是確保井控安全的關(guān)鍵。作為發(fā)生井噴時關(guān)井、壓井的專用設(shè)備，井控設(shè)備在正常鉆井情況下處于待命狀態(tài)，但在發(fā)生井噴時應(yīng)能夠快速可靠關(guān)井，這就要求對井控設(shè)備進行有效保護和正確控制：1) 正常鉆井中，防噴器活塞腔不承受高壓，以保護活塞密封件；2) 保證關(guān)井一側(cè)的油路系統(tǒng)完好可靠；3) 確保液壓油液量充足、壓力足夠。在保證井控設(shè)備完好的前提下，最核心的問題是始終保持足夠的控制壓力和油量。三位四通換向閥是液壓油路中常用的控制元件，也是石油井控設(shè)備遠程控制臺上油路中的核心元件[1-7]，其操作手柄的位置對于保護井控設(shè)備、保存油量與保持壓力起關(guān)鍵作用。《石油鉆探技術(shù)》2014年第3期發(fā)表了《井控設(shè)備遠程控制臺三位四通換向閥手柄位置探討》一文(以下記為文獻[1])，筆者認為該文的觀點值得商榷。為此，筆者對文獻[1]進行了詳細分析，也對當(dāng)前的一些不同觀點進行了分析、探討，并提出了建議。

1 文獻[1]存在的問題分析

文獻[1]對防噴器控制裝置及三位四通換向閥的工作原理介紹得比較清楚，但其對轉(zhuǎn)閥位置的分析及其文章結(jié)論需要進一步討論和商榷，特別是其結(jié)束語部分所陳述的“手柄置于工作位優(yōu)于中位、置于中位時增加了井控隱患”的觀點，筆者難以茍同，現(xiàn)詳細分析如下。

1.1 三位四通換向閥基本原理

防噴器的控制原理，在井控著作、教材里面介紹頗多且已十分清楚[2-7]，無需過多敘述。實際上，控制系統(tǒng)最核心的元件是三位四通換向閥。該閥是一種設(shè)計科學(xué)的控制裝置，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，三位四通換向閥采用O形機能，通過控制操作桿的前、中、后等不同位置，實現(xiàn)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(tài))，待命位置為中位。我國地面防噴器控制裝置中，三位四通換向閥也采用O形機能，手柄的3個位置控制4個油口的連通與截止，實現(xiàn)防噴器的開關(guān)和鎖定。這種換向閥的手柄在中位時，截斷了上游壓力油口，蓄能器處于壓力保持狀態(tài)，同時將被控制對象的進油口和回油口關(guān)閉，使被控制對象處于液壓鎖定狀態(tài)。這樣既保持了蓄能器中的壓力、防止了油量消耗，又鎖定了防噴器、液動閥等被控制對象(防止其活動)，因此合理的待命位置應(yīng)為中位。這與其他液壓機械的控制原理完全相同，應(yīng)該得到認可。

1.2 手柄位置對液壓元件可靠性和壽命的影響

文獻[1]對手柄在不同位置時對系統(tǒng)壓力的影響進行了詳細分析，分析很正確也很到位，由此得出的手柄位于中位時理論上應(yīng)該存在4個壓力的說法也不錯。但是，進而得出的“手柄扳回中位后封閉了打開側(cè)和關(guān)閉側(cè)的油路，在全天溫差大時將造成被封閉油路中密封件損壞”的結(jié)論，不符合實際情況。

1.2.1 手柄在中位時液缸中的壓力問題

2013年7月8日，筆者在勝利油田黃河鉆井管具公司培訓(xùn)基地用FKQ3204G遠控臺、 2FZ28-35 防噴器進行了現(xiàn)場開關(guān)防噴器試驗。儲能器壓力20.0 MPa，管匯壓力10.5 MPa，環(huán)境溫度35 ℃，2只量程為16 MPa的壓力表分別用三通連接于防噴器的開啟管線和關(guān)閉管線，以不同速度將手柄從開位、關(guān)位扳至中位并記錄剩余壓力，試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 管線壓力測試數(shù)據(jù)

試驗表明,將手柄從開位以極快速度扳回中位時，管線內(nèi)仍有部分剩余壓力，但操作時間長于1 s后，管線內(nèi)的顯示壓力基本降為0。一般來說，鉆井現(xiàn)場人員扳動手柄的時間都長于1 s，開啟、關(guān)閉管線中的壓力應(yīng)該很低。因此，按照現(xiàn)場實際操作時間考慮，管線中已經(jīng)基本不存在壓力了。

這只是一個驗證試驗，目的是給出一個明確結(jié)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(chǎn)生很大變化。在三位四通換向閥的手柄由關(guān)位或開位扳向中位過程中，閥盤孔口相對閥座孔口發(fā)生位移，當(dāng)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油就繞經(jīng)閥盤孔口溢流回油箱，導(dǎo)致管路里的油壓迅速降低。這就是閘板防噴器在關(guān)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[2-4]。同理，將手柄從開位扳至中位過程中，開啟腔內(nèi)的壓力也已經(jīng)釋放。三位四通換向閥的工作原理如圖1所示(圖1中，A,B為接入油缸的通油口；P，O分別為進油口和回油口)。如果文獻[1]作者不認可這個結(jié)果，可以拆解三位四通換向閥進行分析，并做一次試驗進行驗證。

1.2.2 溫差對管線與設(shè)備壽命的影響問題

理論和試驗證明了手柄在中位時管線中基本不存在壓力，也就不存在文獻[1]所說的溫差影響問題。三位四通換向閥性能可靠、經(jīng)久耐用、很少出現(xiàn)故障。使用中如果出現(xiàn)問題，現(xiàn)場拆裝檢修也很方便[4]。因閥心密封面是金屬磨光面，閥座口是硬質(zhì)合金磨光面，二者密封十分可靠。不論手柄在中位還是在開位，對其性能和壽命基本沒有影響，不存在膨脹損壞問題?，F(xiàn)在使用的液控管線是三層鋼纏高壓橡膠軟管，彈性較大，可靠性很高，微小的膨脹對管線沒有任何影響，也不存在所謂的膨脹損壞問題。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。并且現(xiàn)在使用的液壓油屬專用液壓油(一般為32號低凝抗磨液壓油)，熱膨脹系數(shù)很低，在液控管線系統(tǒng)中的膨脹量很小。因此，在管線中已經(jīng)不存在高壓的情況下，液壓油微小的體積膨脹或收縮對設(shè)備的影響是可以忽略不計的。

圖1 三位四通換向閥工作原理Fig.1 Principle of the three-position four-way directional control valve

相反，如果按文獻[1]將手柄置于工作位，防噴器開啟側(cè)與關(guān)閉側(cè)將長期存在8.5～10.5 MPa的壓差，這就將發(fā)生井噴時才用的專用關(guān)井設(shè)備——防噴器變成了長期帶壓設(shè)備，勢必導(dǎo)致活塞密封圈損傷、管線本體與密封件損傷以及液壓油漏失等問題，且這些都是人為因素造成的。

1.3 其他方面存在的問題

1.3.1 目視化管理問題

目視化管理是近年來現(xiàn)場管理中的一種新提法，目的是通過各種標(biāo)示對人們進行提醒，以提高管理與操作的可靠性。但目視化只具有提示、提醒功能，并沒有實質(zhì)性、本質(zhì)性內(nèi)涵，其應(yīng)用也是有一定范圍的。在井控操作方面，主要是要靠落實崗位及其職責(zé)、宣貫標(biāo)準(zhǔn)、落實制度、加強管理等一系列做法，確保井控安全。遠程控制臺的操作崗位一般是副司鉆，其他人員不得操作，這是崗位人員的職責(zé)，不需要靠目視化提醒就能可靠地操作。而且，在正常鉆井中防噴器一定是打開狀態(tài)，不可能在關(guān)閉狀態(tài)下進行鉆進，不需要目視化、也不需要掛牌就知道一定是打開的。如果靠目視化來提示開關(guān)狀態(tài)問題，那就太教條了。

1.3.2 操作程序問題

對防噴器與液動閥的開關(guān)操作，既可以從遠程控制臺扳動三位四通換向閥手柄進行操作，也可以從司鉆控制臺通過遙控方式對遠程控制臺三位四通換向閥二位氣缸進行操作。司鉆控制臺上的三位四通氣轉(zhuǎn)閥為Y形機能，操作后自動回中位。遠程控制臺三位四通換向閥手柄則有開位、中位和關(guān)位3個位置，要使其處于中位需手動操作。

若直接在遠程臺操作，不存在文獻[1]所說的程序復(fù)雜的問題；若通過司鉆臺遙控操作，就要在其后再手動將手柄扳至中位。實際上這種操作是非常習(xí)慣、非常自然的，這種操作也是為了保護設(shè)備、保存油量、保持壓力而必須進行的，是安全技術(shù)需要，不是增加所謂“程序”的事情。

因此，以上操作既沒有所說的程序繁瑣問題，也沒有“減少了一道操作程序，具有明顯的優(yōu)勢”和“又需要增加手動操作，明顯增加了現(xiàn)場工作量”的問題。而在三位四通換向閥上掛牌標(biāo)示開關(guān)狀態(tài)，才會增加麻煩、不利于操作、影響設(shè)備整潔。

1.3.3 漏油問題

文獻[1]關(guān)于手柄置于中位有利于保護油量的觀點是正確的、明確的，但“在現(xiàn)行技術(shù)和設(shè)備條件下，油量監(jiān)測報警是很容易實現(xiàn)的，只要在井控設(shè)備上加裝油量監(jiān)測報警裝置，漏油問題就會迎刃而解”的說法有問題。這是因為，將手柄常年處于開位，造成了漏油機會；然后再加裝監(jiān)測裝置進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)漏油造成消耗后再去將手柄扳至中位控制漏油，實在沒有必要。只要手柄在中位，就不會發(fā)生這種問題，難道不是從根本上解決問題的最好辦法嗎？

1.3.4 閘板移位問題

三位四通換向閥的手柄位于工作位時，防噴器閘板不存在反向移位的問題，但在中位時就有移位問題嗎？可以肯定地說，手柄在中位時閘板也不存在反向移位問題，因為液體基本不可壓縮，液缸兩端又不存在高壓差，也就沒有大量滲漏，因此不存在液缸移位問題。退一步說，若有壓差又發(fā)生滲漏，由于進回油口全部關(guān)閉，這時壓差將會迅速減小，移位是微量的，形不成所謂的隱患。

1.3.5 出錯概率問題

三位四通換向閥手柄在開位或關(guān)位時，能保證防噴器、液動閥處于相應(yīng)的位置，但帶來了井控的隱患[5-7]。手柄在中位時也能保證防噴器、液動閥處于相應(yīng)的位置，卻消除了上述隱患。文獻[1]所提的出錯概率是個想象中的問題，要是從根本上“采取兩害相權(quán)取其輕的做法”，這個出錯概率的問題也就不是問題了。

另有，在現(xiàn)行國內(nèi)外有效標(biāo)準(zhǔn)中沒有“工作位”的提法，只有“開位、關(guān)位”(國外)、“換向閥轉(zhuǎn)動方向與防噴器開關(guān)狀況應(yīng)一致”(SY/T 5964—2006)的提法?！肮ぷ魑弧本唧w指哪個位置，應(yīng)該明確指出。還有，“防噴器”不能稱為“封井器”，在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與教材中都稱為防噴器，就是說，井口裝置是用來防噴與壓井的，不是用于封井的。

2 對其他問題的分析

2.1 國外標(biāo)準(zhǔn)中的問題

在API RP 53—1997和殼牌公司鉆井規(guī)范[8-9]中，都提到鉆井作業(yè)期間防噴器的控制閥應(yīng)處于開位，節(jié)流管線的控制閥應(yīng)處于關(guān)位，并說明這樣做的理由是：1) 可將防噴器液缸鎖定在相應(yīng)位置；2) 可以清晰地顯示防噴器或閥的工作狀態(tài)；3) 能夠監(jiān)測閥、管線或防噴器的漏失情況。對于這幾方面的理由，下面依次進行分析。

關(guān)于防噴器的鎖定問題前面已經(jīng)講了，手柄在中位能夠?qū)⒎绹娖麈i定在應(yīng)有的狀態(tài)，不再贅述。關(guān)于顯示開關(guān)狀態(tài)問題，也相當(dāng)于目視化問題，前面也已經(jīng)講了。重點是第3個問題，在開位或關(guān)位時能夠監(jiān)測閥、管線或防噴器的漏失：井控工作的前提是保持液控壓力和油量，要緊的是保證關(guān)閉防噴器和打開放噴閥這兩條管線的完好，對防噴器打開管線、放噴閥關(guān)閉管線長期監(jiān)控沒有意義。因此，3方面的理由不應(yīng)成為置于開位、關(guān)位的依據(jù)，不必盲從。

正常鉆井作業(yè)時控制防噴器的手柄置于開位、放噴閥的手柄置于關(guān)位，長年累月在該狀態(tài)下工作，一旦發(fā)生管線損壞將造成液壓油快速漏失、壓力迅速卸掉，導(dǎo)致無法關(guān)井的嚴重后果，這一點對海上鉆井尤為重要。如2010年4月20日墨西哥灣BP公司鉆井平臺發(fā)生井噴爆炸后，啟用水下機器人關(guān)井不成功，5套105 MPa閘板防噴器(其中2套為剪切閘板防噴器)和2套70 MPa環(huán)形防噴器共7套防噴器都不能關(guān)閉，5套控制裝置(包括ROV關(guān)井、Deadman功能)失去作用，應(yīng)該是液壓油漏失、蓄能器失去壓力造成的。必須對這一點有清醒而充分的認識，這也是真正的井控安全隱患所在。

還要清楚，國外標(biāo)準(zhǔn)之所以這樣要求[10]，是因為國外三位四通換向閥一般為Y形機能，手柄處于中位時被控制對象將處于自由活動的狀態(tài)。這種機能手柄在中位時，打開側(cè)油口與關(guān)閉側(cè)油口均處于放空狀態(tài)，防噴器閘板處于浮動狀態(tài)(見圖2)。而國內(nèi)為O形機能[2-7]，手柄處于中位時防噴器閘板已經(jīng)處于鎖定狀態(tài)，解決了在中位時閘板浮動的問題(見圖1)。國內(nèi)的做法本來是一種進步，但非要追求與國外相同的手柄位置，則是對其原理研究不夠，或者沒有研究過的表現(xiàn)。

應(yīng)該認識到，經(jīng)過幾十年的鉆井實踐，已經(jīng)積累了成功的經(jīng)驗，形成了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和科學(xué)合理的做法。對國外標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該先進行分析研究，不能盲從和照搬。

圖2 國外三位四通換向閥原理Fig.2 Principle of the three-position four-way directional control valve used abroad

2.2 有關(guān)防噴器使用手冊中的問題

北京石油機械廠的《FKDQ系列地面防噴器控制裝置使用手冊》介紹了控制裝置的原理，提出了安裝與使用要求。在該手冊的“使用須知”中提出：在正常鉆進情況下，遠程控制臺各轉(zhuǎn)閥的手柄位置是，各防噴器處于開位，放噴閥處于關(guān)位，旁通閥處于關(guān)位。該手冊執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)是《鉆井井口控制設(shè)備及分流設(shè)備控制系統(tǒng)規(guī)范》(SY/T 5053.2—2007)，該標(biāo)準(zhǔn)等同采用API Spec 16D(2nd Edition)。但查閱SY/T 5053.2—2007和API Spec 16D(2nd Edition)，均沒有關(guān)于手柄位置的規(guī)定。

對于控制系統(tǒng)來說，只有將手柄置于中位，才能保護油量不消耗，保持壓力不降低，關(guān)鍵時候能關(guān)井。反之，若手柄置于開位，液壓油泄漏、壓力降低后泵啟動打壓補充，更加速了油量的消耗，甚至使油箱內(nèi)油量全部耗光，這是井控安全絕對不允許的。

2.3 閘板防噴器擠扁鉆桿的問題

文獻[11]介紹了某個鉆井現(xiàn)場發(fā)生全封閘板將鉆桿擠壓變形的問題，經(jīng)分析得出了“全封閘板防噴器的油缸密封損壞導(dǎo)致”的結(jié)論。這是一個莫名其妙的問題，乍一看似乎是可能的、甚至是不用懷疑的，但經(jīng)過簡單分析就知道這是不可能發(fā)生的事情：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(guān)閉腔中的液壓力提供，這個液壓力一定要三位四通換向閥的P口與A口連通提供壓力油才能產(chǎn)生(見圖1)。與此同時，開啟腔內(nèi)一定是低壓，并且B口與O口一定要連通，液壓油回油箱。只有轉(zhuǎn)閥在關(guān)位時，才能有這樣的情形。因此，這樣的結(jié)論是不正確的。由此可以說，手柄在中位時既不存在液缸活塞移動的事情，也不會出現(xiàn)自動關(guān)閉擠扁鉆桿的問題。

再分析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，閥心為平板型，需要浮動密封。這種閥開、關(guān)到底后，應(yīng)回轉(zhuǎn)1/4～1/2圈。其開、關(guān)應(yīng)一次性完成，不允許半開半閉[12]。手動控制尚且要求進行回轉(zhuǎn)操作，液動閥因結(jié)構(gòu)原因無法實現(xiàn)也是沒有辦法。但在這種情況下，關(guān)閉到位后完全可以使手柄回到中位，長期處于關(guān)位保持液壓連通狀態(tài)則沒有必要。

3 認識與建議

1) 井控設(shè)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(fā)生溢流后及時關(guān)井、確保井口不失控為前提，就要認識到方法科學(xué)、原理清楚的重要性，做到在現(xiàn)有條件下最大限度地提高設(shè)備性能、延長設(shè)備壽命、提高井控可靠性。

2) 正常鉆井中，在確保防噴器打開到位、液動閥關(guān)閉到位的情況下，遠程控制臺各防噴器、液動閥的操作手柄應(yīng)置于中位，以利于保護液壓油量、保持液控壓力、保護井控管線與防噴器設(shè)備，確保發(fā)現(xiàn)溢流后及時可靠關(guān)井。

3) 需認真研究液壓控制原理與三位四通換向閥工作原理，認識O形機能與Y形機能的特點和異同點，同時應(yīng)對國外標(biāo)準(zhǔn)進行研究和分析，不能盲目照搬。對于國內(nèi)具有顯著優(yōu)勢的做法，不應(yīng)因與國外的不同而改變，這一點十分重要。

參考文獻
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