巴魯軍，王曉穎，陳 超，方志猛，郭 晨，何偉紅

應(yīng)急井控控制裝置氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)設(shè)計(jì)分析

巴魯軍1，王曉穎2，陳 超2，方志猛2，郭 晨2，何偉紅2

（1.勝利石油管局 渤海鉆井管具公司，山東 東營(yíng)257200；2.北京石油機(jī)械廠，北京100083）

氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)是井控控制裝置的重要組成部分。當(dāng)井噴失火、管線破裂等原因造成防噴器控制裝置儲(chǔ)存的高壓液壓油耗盡，主動(dòng)力和輔助動(dòng)力泵組都失去動(dòng)力時(shí)，氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)能提供應(yīng)急關(guān)井的動(dòng)力，為防止井噴失控起到至關(guān)重要的作用。依據(jù)API 16D對(duì)氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)的概述，分析了氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)的原理及其輔助功能，對(duì)氮?dú)馄康睦碚摽捎脷饬窟M(jìn)行了計(jì)算，為氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)在鉆井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急操作中的合理應(yīng)用提供依據(jù)。

氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)；應(yīng)急關(guān)井；防噴器控制裝置

氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)是應(yīng)急井控防噴器組應(yīng)急操作的重要組成部分［1］，當(dāng)防噴器控制裝置的蓄能器組存儲(chǔ)的高壓液壓油耗盡，主動(dòng)力和輔助動(dòng)力泵組都失去動(dòng)力的時(shí)候，氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)將是最后的應(yīng)急關(guān)井動(dòng)力（即，當(dāng)防噴器控制裝置沒有可用液量時(shí)，高壓氮?dú)獗恢苯咏尤氲揭簤汗芫€，利用高壓氮?dú)鈦黻P(guān)閉防噴器）。

1 氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)概述

在API SPEC 16D 2nd Edition、SY／T5053.2—2007的5.8.5條款中，對(duì)氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)作了如下描述：

1） 氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)由多個(gè)高壓氮?dú)馄拷M成，這些氮?dú)馄客ㄟ^管匯連接在一起，可向控制管匯提供應(yīng)急的動(dòng)力。氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)通過1個(gè)隔離閥和單向閥連接到控制管匯上。如果蓄能器或泵組不能為控制管匯提供動(dòng)力液，可以用氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)為管匯供應(yīng)高壓氣體以便關(guān)閉防噴器。

2） 氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)應(yīng)以上述方式連接到控制管匯中，既要防止氮?dú)膺M(jìn)入到蓄能器管線中又要防止液壓油進(jìn)入到氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)的管線中。氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)的管線或控制管匯應(yīng)帶有允許控制高壓氮?dú)饬髁康男逗砷y，以防止高壓氮?dú)鉄o控制地進(jìn)入液箱［2-3］。

2 氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)工作原理

根據(jù)API 16D對(duì)氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)的定義，設(shè)計(jì)的氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)要滿足API 16D的要求，同時(shí)還包括一些輔助功能，其液壓原理如圖1。

圖1 氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)液壓原理

其工作原理為：

動(dòng)力源高壓氮?dú)馄恐写鎯?chǔ)足量的高壓氮?dú)?，?dāng)需要應(yīng)急動(dòng)力操作氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)的時(shí)候，關(guān)閉防噴器控制裝置上的蓄能器組隔離閥，以防止氮?dú)膺M(jìn)入蓄能器。將旁通閥打開，以防止高壓氮?dú)饨?jīng)過減壓閥減壓。將所有轉(zhuǎn)閥置于中位，打開高壓球閥，打開氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)上的隔離閥，高壓氮?dú)馔ㄟ^高壓管線進(jìn)入到防噴器控制裝置中的控制管匯，可以操作三位四通轉(zhuǎn)閥，進(jìn)而推動(dòng)防噴器動(dòng)作。

氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)中的單向閥用以防止防噴器控制裝置中的液壓油進(jìn)入到氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)的管線中，壓力表顯示高壓氮?dú)馄恐械臍怏w壓力。

當(dāng)操作結(jié)束后，關(guān)閉隔離閥，緩慢打開備用氮?dú)庠磁艢夤軈R上的氣體排放閥，將控制管匯中的帶壓氣體釋放到大氣中，同時(shí)將殘余油液回收到收液桶中。

在操作前，還要打開防噴器控制裝置油箱左右兩側(cè)上方的絲堵，增大排氣通道，防止換向操作防噴器時(shí)，有高壓氮?dú)饪焖倩赜拖湓斐捎拖湎潴w破裂。

3 氮?dú)馄坑行艢饬坑?jì)算

目前，常規(guī)氮?dú)馄康墓Q工作壓力為15 MPa，試驗(yàn)壓力為22.5 MPa。而市場(chǎng)銷售的氮?dú)馄繉?shí)際充裝的鋼瓶?jī)?nèi)壓力在室溫下多為13.5～14.0 MPa左右。

氮?dú)馄康娜莘e有10、15、20、40 L等多種規(guī)格。氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)選用40 L的鋼瓶。

氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)的控制對(duì)象為防噴器，API RP53中規(guī)定：“防噴器的最小操作壓力為在正常工作條件下，由制造廠商規(guī)定的能有效關(guān)閉／密封閘板或環(huán)形防噴器的最小操作壓力?！蹦壳?，國(guó)內(nèi)的閘板防噴器的最小操作壓力為8.4 MPa，環(huán)形防噴器的最小操作壓力小于閘板防噴器的最小操作壓力。

根據(jù)理想氣體恒溫排放公式［4］，有

式中：p1為氮?dú)馄恐械念A(yù)充壓力，取13.5 MPa；V1為單個(gè)氮?dú)馄康娜莘e，取40 L；p2為防噴器的最小操作壓力，取8.4 MPa；V2為最小操作壓力下的氣體體積。

則V2＝13.5×40／8.4＝64.3 L

△V＝V2－V1＝64.3－40＝24.3 L

即1個(gè)40 L的氮?dú)馄坷碚撋峡商峁┑牡獨(dú)獠僮魅萘繛?4.3 L。

在現(xiàn)場(chǎng)使用中，系統(tǒng)長(zhǎng)期處于備用狀態(tài)，氮?dú)鈺?huì)有緩慢泄露。根據(jù)上述計(jì)算公式計(jì)算不同壓力下1個(gè)40 L的氮?dú)馄吭诶碚撋峡商峁┑牡獨(dú)獠僮魅萘浚ㄈ绫?），以便于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)氮?dú)馄康膲毫档湍苡刑岱酪庾R(shí)。

表1 不同壓力下40 L氮?dú)馄坷碚摬僮魅萘?/p>

需要注意的是：氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)使用的壓力表為1.5級(jí)，25 MPa，則壓力表的讀數(shù)誤差為25×0.015＝0.375 MPa，在需要補(bǔ)充氮?dú)鈺r(shí)，要將此考慮到。

溫度對(duì)于氮?dú)馄績(jī)?nèi)的最高充裝壓力是有影響的，GB14194—2005《永久氣體氣瓶充裝規(guī)定》中對(duì)溫度和15 MPa氮?dú)馄康淖罡叱溲b壓力規(guī)定［5］如表2。

表2 不同溫度下氮?dú)馄孔罡叱溲b壓力

在有充氮小車或制氮機(jī)的維修服務(wù)站，補(bǔ)充氮?dú)鈺r(shí)要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的溫度合理充裝氮?dú)狻?/p>

4 可用氮?dú)馄繑?shù)量

對(duì)于不同的防噴器組及不同用戶的需求，氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)要配備不同數(shù)量的氮?dú)馄?，一般?～8個(gè)。

當(dāng)使用氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)時(shí)，僅作為一種應(yīng)急操作，是在防噴器控制裝置的蓄能器組存儲(chǔ)的高壓液壓油耗盡，主動(dòng)力和輔助動(dòng)力泵組都失去動(dòng)力時(shí)，氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)將是最后的應(yīng)急關(guān)井動(dòng)力，故不應(yīng)以防噴器控制裝置中對(duì)于蓄能器的容量來要求。

設(shè)計(jì)時(shí)取氮?dú)馄康臄?shù)量為5，則理論可提供的應(yīng)急動(dòng)力容量為24.3×5＝121.5 L。

在緊急操作時(shí)，應(yīng)關(guān)閉閘板操作，以保證氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)的有效動(dòng)力容量。

需要說明的是：氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)中氮?dú)馄康念A(yù)充壓力為13.5 MPa，而對(duì)于高壓剪切閘板的最小工作壓力一般為21 MPa，氮?dú)馄康膲毫Σ粔?，所以氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)不能用于剪切閘板。

5 輔助功能

氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)還具有為司鉆控制臺(tái)提供備用氣源的功能。通過氮?dú)鉁p壓閥將高壓氮?dú)廪D(zhuǎn)變?yōu)檩^低壓力，經(jīng)氣源管線與司鉆控制臺(tái)的進(jìn)氣口連接。當(dāng)鉆機(jī)的空氣壓縮機(jī)組失效時(shí)，可為司鉆控制臺(tái)提供遠(yuǎn)程操作所需的氣源壓力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在司鉆臺(tái)遙控關(guān)閉防噴器組。

當(dāng)從司鉆臺(tái)操作時(shí)，1次操作所引起的司鉆臺(tái)氣缸、遠(yuǎn)程臺(tái)上氣缸、管線的耗氣量大約為0.26 L。則根據(jù)恒溫下的理想氣體狀態(tài)方程［4］，有

式中：p1為氮?dú)馄恐械念A(yù)充壓力，取13.5 MPa；V1為單個(gè)氮?dú)馄康娜莘e，取40 L；p′2為氣缸的最小操作壓力，取0.65 MPa；V′2為最小操作壓力下的氣體體積。

則：V′2＝13.5×40／0.65＝830.7 L

則1個(gè)40 L的氮?dú)馄坷碚摽商峁檫b控氣缸的氮?dú)獠僮魅萘繛?90.7 L。790.7／0.26＝3 041，即，可以用此氮?dú)馄刻峁┧俱@臺(tái)上約3 041次的操作。

氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)也可以為蓄能器充氣。用蓄能器充氣管和充氣工具將氣體瓶閥與蓄能器的充氣閥連接起來，可對(duì)蓄能器補(bǔ)充氣體。在為蓄能器充氣后，要對(duì)氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)及時(shí)充氣，以保證應(yīng)急關(guān)井操作的壓力。

6 結(jié)語

氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)作為應(yīng)急關(guān)井設(shè)備在鉆井機(jī)和修井機(jī)上得到了普遍地應(yīng)用，對(duì)于該設(shè)備的性能及實(shí)際操作防噴器時(shí)所能提供的關(guān)閉氣體的氣量，還需要通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用來驗(yàn)證。

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

［2］ API SPEC 16D 2nd Edition，Specification for control systems for drilling well control equipment and control systems for diverter equipment［S］.

［3］ SY／T5053.2—2007，鉆井井口控制設(shè)備及分流設(shè)備控制系統(tǒng)規(guī)范［S］.

［4］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第四卷［K］.4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［5］ GB14194—2005，永久氣體氣瓶充裝規(guī)定［S］.

Emergency Control Equipment for Well Control-Nitrogen Backup Systems Design and Analysis

BA Lu-jun1，WANG Xiao-ying2，CHEN Chao2，F(xiàn)ANG Zhi-meng2，GUO Chen2，HE Wei-hong2
（1.Bohai Drilling Tubular and Tools Company，Shengli Petroleum Administration Bureau，Dongying 257200，China；2.Beijing Petroleum Machinery Co.，Beijing 100083，China）

The nitrogen backup system is a very important part of emergency operation to control wellhead blowout preventer（BOP）group.When the high-pressure hydraulic oil stored in accumulators of BOP control system depleted，and the active force and the auxiliary power pump group lost power，the nitrogen backup system becomes the final emergency shut-in power.According to the overview of API 16D on nitrogen backup system，the principle of nitrogen backup system was analyzed，and the nitrogen available volumes was calculated theoretically，and the auxiliary function of nitrogen standby system was described.In conclusion，this paper provided the basis on reasonable application of nitrogen backup system for emergency operation at drilling site.

nitrogen backup system；emergency shut-in；BOP control system

TE931.1

A

1001-3482（2014）03-0081-03

2013-09-11

巴魯軍（1964-），男，山東東營(yíng)人，高級(jí)工程師，主要從事井控裝置維修技術(shù)管理工作，E-mail：gjblj188＠sohu.com。