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(1.成都?xì)W迅科技股份有限公司， 四川 成都 610041； 2.寶雞石油機(jī)械有限公司， 陜西 寶雞 721000)

0 引 言

最近幾年，世界各國(guó)對(duì)海洋油氣的勘探和開(kāi)發(fā)工作高度重視，其中，應(yīng)用于海洋油氣開(kāi)發(fā)的鉆井隔水管設(shè)備作為海洋油氣勘探裝備的重要單元，其技術(shù)一直被少數(shù)國(guó)外公司壟斷[1]。我國(guó)海洋面積遼闊，海洋油氣資源豐富[2]，對(duì)海洋石油勘探的力度也在逐步加大，但是海洋石油勘探裝備落后，海洋鉆井裝備主要依賴進(jìn)口。為維護(hù)我國(guó)海洋資源權(quán)益，保障國(guó)家能源安全，需進(jìn)行海洋鉆井裝備的自主研發(fā)[3]。

圖1 隔水管系統(tǒng)配置

圖2 Cameron公司設(shè)計(jì)的灌注閥

海洋石油隔水管系統(tǒng)由井口安裝架、萬(wàn)向節(jié)、隔水管、灌注閥、底閥等部件組成[4]，如圖1所示。作為隔水管系統(tǒng)的重要組成部件，灌注閥可以有效維護(hù)海洋隔水管系統(tǒng)的安全運(yùn)行，從而使得海洋隔水管系統(tǒng)的可靠性得到提升。

目前，隔水管灌注閥產(chǎn)品技術(shù)被Cameron，GE-Vetco Gray，Hydrill等國(guó)外少數(shù)幾個(gè)公司壟斷[5]。圖2是Cameron公司生產(chǎn)的隔水管灌注閥。壓差傳感器檢測(cè)隔水管內(nèi)外壓差，海水壓力高于管內(nèi)壓力1.55 MPa時(shí)，主控液控閥換向，滑移裝置上移使通口打開(kāi)，當(dāng)海水流入管內(nèi)平衡壓力。該灌裝閥采用中間法蘭式結(jié)構(gòu)，中間位置布置有壓差平衡裝置、蓄能器、控制閥，以此提升系統(tǒng)響應(yīng)速度。該灌裝閥具備自動(dòng)打開(kāi)和遠(yuǎn)程控制功能，當(dāng)自動(dòng)打開(kāi)功能失效時(shí)，啟動(dòng)水上遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)打開(kāi)灌裝閥，提升隔水管系統(tǒng)的可靠性[6]。Cameron公司生產(chǎn)的隔水管灌注閥應(yīng)用廣泛，市場(chǎng)占有率高。GE-Vetco Gray公司開(kāi)發(fā)的一種灌注閥能夠在大載荷環(huán)境下工作，滿足深海區(qū)域的作業(yè)要求，其結(jié)構(gòu)緊湊、接頭外部法蘭采用圓弧過(guò)度，具有良好的密封性能。Hydrill公司生產(chǎn)的外置式灌注閥兼?zhèn)渥詣?dòng)和手動(dòng)開(kāi)啟功能，當(dāng)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)打開(kāi)操作時(shí)，利用外置差分式液壓平衡結(jié)構(gòu)來(lái)完成。為提升系統(tǒng)可靠性，采用4個(gè)獨(dú)立的外置滑閥，即使一個(gè)滑閥失效，灌注閥仍可完成規(guī)定動(dòng)作。滑閥外置減小了灌注閥軸向尺寸，改善了因軸向尺寸過(guò)大而導(dǎo)致的密封性問(wèn)題。Hydrill公司生產(chǎn)的彈性元件式灌注閥利用彈性材料的壓力敏感性檢測(cè)壓差，控制灌注閥動(dòng)作。彈性材料質(zhì)量輕，當(dāng)壓差大于臨界壓差時(shí)，如果設(shè)計(jì)的灌注閥未按照要求打開(kāi)，那么此彈性元件先被損壞，灌注閥腔體的壓力由流進(jìn)的海水平衡，從而防止隔水管被擠毀。利用彈性元件設(shè)計(jì)的灌注閥還未用于實(shí)際應(yīng)用，但為灌注閥的設(shè)計(jì)提供了一種新的方向。

目前，國(guó)內(nèi)還未開(kāi)展海洋鉆井隔水管配套裝備領(lǐng)域方面的研究工作，僅是針對(duì)隔水管灌注閥進(jìn)行了一些前期調(diào)研。作為海洋鉆井隔水管系統(tǒng)的主要部件，隔水管灌注閥的研究工作十分重要。

1 隔水管灌注閥對(duì)隔水管的保護(hù)作用

在海洋石油隔水管系統(tǒng)中，深水區(qū)域的隔水管受到多種力的作用，見(jiàn)表1。當(dāng)其受到的內(nèi)外壓力差值超過(guò)臨界擠毀壓力時(shí)，隔水管破裂，系統(tǒng)無(wú)法工作。隔水管擠毀壓力公式[7]為

(1)

式(1)中：pc為隔水管最小擠毀應(yīng)力；cm為材料不確定系數(shù)；cg為集合缺陷系數(shù)；E為彈性模量；v為材料泊松比；t為隔水管壁厚；D為隔水管外徑。

表1 海洋鉆井隔水管受力

為了防止隔水管被擠毀，需要平衡隔水管內(nèi)外壓力。隔水管灌注閥與單根隔水管結(jié)合：當(dāng)隔水管內(nèi)外壓力差達(dá)到隔水管的臨界擠毀壓力時(shí)，灌注閥閥門自動(dòng)打開(kāi)1個(gè)外部套筒，海水進(jìn)入隔水管，保持內(nèi)外壓力平衡，從而保護(hù)隔水管。一般按照式(1)設(shè)計(jì)灌注閥閥門開(kāi)啟的臨界壓力。

2 隔水管灌注閥功能要求

2.1 隔水管灌注閥設(shè)計(jì)原則

圖3 灌注閥控制原理圖

海洋鉆井隔水管工作環(huán)境復(fù)雜多變，實(shí)際工作中受到海浪、洋流、平臺(tái)移動(dòng)、海水壓力等載荷作用[8]。因此，在設(shè)計(jì)灌注閥時(shí)，其可靠性應(yīng)放在第一位[9]，并在具備高可靠性基礎(chǔ)上，兼?zhèn)渥詣?dòng)和人工打開(kāi)的功能，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，操作簡(jiǎn)單。通過(guò)對(duì)隔水管灌注閥操作條件和應(yīng)用環(huán)境的分析與研究，總結(jié)國(guó)外主要產(chǎn)品的功能特征，得到灌注閥設(shè)計(jì)指標(biāo)有：可靠性高、密封性能良好、 響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)布置緊湊、承載能力強(qiáng)。灌注閥開(kāi)啟壓差為

Δp=p管外-p管內(nèi)

(2)

隔水管的極限承載力為

(3)

式(3)中：Q0為隔水管極限承載力；Dc為隔水管外徑；dc為隔水管內(nèi)徑；qs為管側(cè)阻力；qp為管端阻力；Li為隔水管深度。

圖4 平衡閥結(jié)構(gòu)

圖5 初始狀態(tài)控制原理

2.2 灌注閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隔水管灌注閥有4種工作狀態(tài)：初始狀態(tài)、自動(dòng)打開(kāi)狀態(tài)、遠(yuǎn)程打開(kāi)狀態(tài)以及遠(yuǎn)程關(guān)閉狀態(tài)，其控制系統(tǒng)如圖3所示。

平衡閥又叫壓差反應(yīng)器，通過(guò)平衡閥兩端海水和泥漿的壓差控制灌注閥的狀態(tài)，是灌注閥的核心部件。研究設(shè)計(jì)的平衡閥結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由力平衡可得

F2=|F1-F3|

(4)

式(4)中：F1為海水作用在活塞上的力；F2為控制口壓力作用在活塞上的力；F3為泥漿作用在活塞上的力。

控制系統(tǒng)根據(jù)活塞受到的力F2的大小實(shí)現(xiàn)對(duì)灌注閥狀態(tài)的控制。

(1) 初始狀態(tài)：海水壓力(管外壓力)和泥漿壓力(管內(nèi)壓力)相等時(shí)，平衡閥處于初始位置?？刂圃砣鐖D5所示：P1、P2、K1口壓力相等；主閥閥芯在彈簧作用下，閥芯處于左邊的位置，此時(shí)，A與T口處于接通狀態(tài)。彈簧力對(duì)轉(zhuǎn)換閥的作用使得P和B口接通，B和T口隔開(kāi)；此時(shí)，轉(zhuǎn)換閥內(nèi)的油液流通狀態(tài)是：P-B-液壓油缸-A-T。

(2) 自動(dòng)打開(kāi)狀態(tài)：當(dāng)海水壓力與泥漿壓力的差值低于設(shè)置的壓差時(shí)，柱塞式壓差閥動(dòng)作，從而使主控閥實(shí)現(xiàn)換向，并且蓄能器的壓力推動(dòng)液缸，然后再向下推動(dòng)滑套，灌注閥筒處于全部打開(kāi)的狀態(tài)。此時(shí)，K1口壓力增加，油液進(jìn)入K2口，K2口的壓力超過(guò)主閥彈簧打開(kāi)需要的值，主閥彈簧被推動(dòng)，從而帶動(dòng)閥芯向右運(yùn)動(dòng)，P口和A口處于接通狀態(tài)，A口和T口則截止，B口和T口也接通，而B(niǎo)口和P口則截止。此時(shí)，轉(zhuǎn)換閥內(nèi)部的油液流通狀態(tài)是：P-A-液壓油缸-B-T。控制原理如圖6所示。

(3) 遠(yuǎn)程打開(kāi)狀態(tài)：用地面的控制裝置發(fā)出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)主控閥的換向，蓄能器的壓力推動(dòng)液缸，然后再推動(dòng)滑套向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)灌注閥處于開(kāi)啟狀態(tài)。當(dāng)平衡閥兩邊的受力處于平衡狀態(tài)時(shí)，K2口油液壓力小于開(kāi)啟主閥閥芯所需的力，從而使閥芯位于初始位置，K3接通遠(yuǎn)程液壓油才能使主閥開(kāi)啟，以實(shí)現(xiàn)閥芯的右移；當(dāng)K3口接通遠(yuǎn)程液壓油時(shí),P與A口和T與B口均處于接通狀態(tài)。此時(shí)，油液流通方向?yàn)椋篜-A-液壓油缸-B-T。控制原理如圖7所示。

圖6 自動(dòng)打開(kāi)狀態(tài)原理圖

圖7 遠(yuǎn)程打開(kāi)狀態(tài)原理圖

圖8 遠(yuǎn)程關(guān)閉狀態(tài)原理圖

圖9 高壓艙海洋環(huán)境模擬測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布局

圖10 高壓艙艙內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

表2 不同壓差下灌注閥動(dòng)作 MPa

4 結(jié) 論

針對(duì)海洋石油勘探裝備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)行研究，分析國(guó)外主要海洋隔水管灌注閥性能特點(diǎn)，歸納得出灌注閥設(shè)計(jì)的基本指標(biāo)。根據(jù)隔水管灌注閥功能要求和海洋工作環(huán)境，以基本指標(biāo)為準(zhǔn)則設(shè)計(jì)灌注閥功能和控制系統(tǒng)。在高壓艙內(nèi)模擬海洋環(huán)境，控制隔水管內(nèi)外壓差，并對(duì)其進(jìn)行開(kāi)閉性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果良好，滿足深海作業(yè)要求，檢驗(yàn)了設(shè)計(jì)灌注閥的性能，可為海洋石油勘探的研究提供參考。

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