(北京石油機(jī)械有限公司,北京 102206)
防噴器控制裝置是控制防噴器的關(guān)鍵設(shè)備[1],主要作用是儲備高壓液壓油并在緊急情況下關(guān)閉防噴器。防噴器控制裝置由蓄能器組、動(dòng)力泵組、油箱、底座、調(diào)壓閥管路、環(huán)形轉(zhuǎn)閥管路、閘板轉(zhuǎn)閥管路等組成。緊急情況下關(guān)閉防噴器的動(dòng)力源主要來自蓄能器內(nèi)存儲的動(dòng)力液,蓄能器的液量容積直接決定是否能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)關(guān)閉防噴器,同時(shí)也是防噴器控制裝置的油箱、動(dòng)力泵組設(shè)計(jì)的重要因素,因此蓄能器的液量容積的計(jì)算十分重要。
防噴器控制裝置在實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)蓄能器內(nèi)存儲的高壓液壓油實(shí)際排放量與理論計(jì)算值相差較大,不利于實(shí)際操作控制防噴器,針對此弊端,對蓄能器的液量采用優(yōu)化計(jì)算,解決此問題。
防噴器控制裝置的蓄能器一般采用皮囊式蓄能器,預(yù)充惰性氣體,利用壓縮氣體來存儲高壓液壓油。蓄能器有以下4種狀態(tài)[2]:
(1) 預(yù)充壓狀態(tài)p0,蓄能器在初始壓力和環(huán)境溫度下預(yù)充一定壓力的惰性氣體,此時(shí)蓄能器尚未充入液壓油;
(2) 已充壓狀態(tài)p1,蓄能器內(nèi)充入額定工作壓力的液壓油;
(3) 最小操作壓力狀態(tài)p2,蓄能器排放部分液壓油關(guān)閉防噴器并保持密封狀態(tài)下的壓力;
(4) 全部排放狀態(tài)p3,蓄能器排放所有液壓油。
以地面防噴器控制裝置為例,額定工作壓力一般為21 MPa,防噴器控制裝置在正常工作狀態(tài)時(shí),蓄能器處于已充壓狀態(tài)p1,當(dāng)防噴器控制裝置關(guān)閉防噴器組之后蓄能器處于最小操作壓力狀態(tài)p2。蓄能器從已充壓狀態(tài)p1到最小操作壓力狀態(tài)p2排出的動(dòng)力液為蓄能器的可用液量。
防噴器控制裝置的功能為提供足夠的可用液量來打開或關(guān)閉防噴器組及其他設(shè)備,并保持密封狀態(tài)。示例如下:
防噴器組配備為1個(gè)環(huán)形防噴器、1個(gè)單閘板防噴器、1個(gè)雙閘板防噴器和1個(gè)鉆井四通,蓄能器的可用液量要求能滿足關(guān)閉1個(gè)環(huán)形和所有閘板并打開一側(cè)的放噴閥,即蓄能器在已充壓狀態(tài)p1到最小操作壓力狀態(tài)p2過程中排放出的所有液量滿足操作上述防噴器組的所需全部液量,且排放后的壓力p2不小于上述環(huán)形、閘板、雙閘板防噴器保持關(guān)閉的所需壓力[3]。
對蓄能器容積的兩個(gè)要求:一是可用容積大于防噴器組所需的總?cè)莘e;二是在滿足容積要求的前提下,關(guān)閉防噴器之后剩余壓力應(yīng)不小于防噴器組的最小操作壓力。
從現(xiàn)場的實(shí)際井控操作來看,根據(jù)理想氣體計(jì)算出來的蓄能器可用液量與實(shí)際所需液量差異較大,國外多家公司根據(jù)自己的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。具體的計(jì)算優(yōu)化方式主要是兩種。
1) 增大蓄能器的容積
如:鉆井和修井井控手冊[4],將計(jì)算出的蓄能器的容積乘系數(shù)1.5;部分沙特地區(qū)要求蓄能器的容積滿足關(guān)閉并打開所有防噴器組,然后再關(guān)閉環(huán)形防噴器,兩者均是增大蓄能器可用液量以消除計(jì)算方法的誤差。
2) 提高蓄能器的最小操作壓力
蓄能器的最小操作壓力p2應(yīng)不小于防噴器的最小操作壓力,國外公司根據(jù)實(shí)際井控經(jīng)驗(yàn)對蓄能器的最小操作壓力提出新的要求。如井控手冊[5],對蓄能器的最小操作壓力要求為閘板最小操作壓力加最小密封壓力。
鉆井,完井和修井操作的壓力控制手冊[6]對蓄能器的容積計(jì)算不僅僅嚴(yán)格要求蓄能器最小操作壓力為最小操作壓力加最小密封壓力,同時(shí)要求對此最小操作壓力使用剪切壓力進(jìn)行核算,兩者取最大值。
這兩種方法是通過提高蓄能器的最小操作壓力來減少計(jì)算方法的誤差,以滿足實(shí)際操作需求。
提高蓄能器的最小操作壓力的計(jì)算方式最為復(fù)雜和嚴(yán)謹(jǐn),不僅考慮閘板的最小操作壓力須加上最小密封壓力,并且要求核算此最小操作壓力是否滿足剪切閘板的最小操作壓力。根據(jù)井控操作要求:
使用剪切閘板防噴器時(shí),先關(guān)閉剪切閘板防噴器上的環(huán)形防噴器,然后打開放噴管線閘閥泄壓,打開剪切閘板防噴器上面和下面的半封閘板防噴器,打開防噴器遠(yuǎn)程控制臺儲能器旁通閥,關(guān)閉剪切閘板防噴器,直到剪斷井內(nèi)鉆具/油管,關(guān)閉全封閘板防噴器,控制井口[7]。
剪切閘板因其特殊性和重要性作為最后一道安全屏障需要剪斷井內(nèi)鉆具/油管[8],需要防噴器控制裝置在操作剪切之后,剩余壓力大于剪切的最小操作壓力方能保證剪斷鉆具/油管,且保證剪切之后能封住剪切閘板,方能手動(dòng)鎖緊閘板,控制井口。提高蓄能器的最小操作壓力計(jì)算要求是更符合現(xiàn)場井控操作實(shí)際要求的。
上述的計(jì)算方式都是從實(shí)際井控需求角度對蓄能器容積做出修正,從而使蓄能器容積更加符合實(shí)際需求,但是上述國外的計(jì)算方式都是按照等溫過程來計(jì)算的,沒有考慮計(jì)算方式的差異對蓄能器容積造成的影響。若從防噴器控制裝置的實(shí)際使用過程中來分析,蓄能器充壓的過程與排放過程截然不同,應(yīng)該考慮計(jì)算方法對不同過程造成的差異。
因此需要從充壓、排放、溫度影響三個(gè)方面對蓄能器的液量計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化分析。
防噴器控制裝置的充壓過程是指蓄能器從預(yù)充壓力到額定壓力的過程,防噴器控制裝置的泵組在15 min 內(nèi)將蓄能器從預(yù)充壓力升至額定壓力,蓄能器充壓的過程時(shí)間長容積大可以考慮為等溫過程。
防噴器控制裝置的排放過程是指蓄能器從額定壓力到最小操作壓力的過程,而且蓄能器的輸出壓力和排油體積存在一定的關(guān)系[9],不能簡單按照等溫過程來計(jì)算,考慮排放過程是一個(gè)短時(shí)間內(nèi)(最長1 min)排放大量液壓油的過程,按照絕熱過程來考慮更加適合實(shí)際需求。
根據(jù)蓄能器容積計(jì)算公式(選自機(jī)械設(shè)計(jì)手冊):
(1)
式中,VR為蓄能器總?cè)莘e;V0為蓄能器壓力降低到最小操作壓力時(shí)的容積;n為指數(shù);p0,p1,p2為蓄能器不同狀態(tài)下的壓力。
對于理想氣體,等溫過程,n=1;絕熱過程,n=1.4;即蓄能器充壓過程指數(shù)n=1,蓄能器排放過程中指數(shù)n=1.4。
理想氣體狀態(tài)方程只是在低壓下才能反映實(shí)際氣體的性質(zhì),隨著氣體壓力的增加兩者的偏離越來越大[10]。以40 L蓄能器為例,等溫過程中計(jì)算的可用容積為20 L,絕熱過程中計(jì)算的可用容積為16.86 L,相差近8%,而防噴器控制裝置使用的蓄能器容量都較大,以800 L為例,差別達(dá)60 L,足可以關(guān)閉1個(gè)FH35-70型號的閘板防噴器,因此在計(jì)算蓄能器容積時(shí)應(yīng)該按照排放時(shí)的絕熱過程來計(jì)算,才能更滿足實(shí)際使用要求。
蓄能器內(nèi)的液壓油在排放過程中受到摩擦力、溫度、壓力等影響,排放是一個(gè)多變的過程,實(shí)際排放量會小于理論計(jì)算值。蓄能器排放過程中氣囊內(nèi)的壓縮氮?dú)饨^熱膨脹,實(shí)際氮?dú)獾慕^熱指數(shù)n(即k=Cp/Cv)與溫度T和壓強(qiáng)p有關(guān),容積絕熱指數(shù)隨溫度的升高而降低,隨壓力的增加而增加,因此計(jì)算時(shí)不能簡單的以理想氮?dú)獾慕^熱指數(shù)n=1.4來計(jì)算,而根據(jù)RKS狀態(tài)方程、范德瓦耳斯方程等計(jì)算,或者根據(jù)AMESim仿真計(jì)算,都是通過計(jì)算方法得到氣體的絕熱指數(shù),計(jì)算方法較為復(fù)雜且仿真計(jì)算時(shí)條件參數(shù)輸入要求比較嚴(yán)格[11-12],例如要求輸入蓄能器的排放體積和排放時(shí)間,這些數(shù)據(jù)都是需要經(jīng)過計(jì)算得出,不適用于防噴器控制裝置的蓄能器容積計(jì)算。防噴器組的配備需要根據(jù)鉆井現(xiàn)場的井底壓力等情況進(jìn)行配備,組合多變,不利于優(yōu)化計(jì)算及現(xiàn)場用戶的使用推廣。因此需要用簡便且精確的方法來計(jì)算,本研究參考NIST的數(shù)據(jù)進(jìn)而得到實(shí)際絕熱指數(shù),方便實(shí)際計(jì)算。從表1的數(shù)據(jù)可以看出蓄能器內(nèi)氮?dú)獾慕^熱指數(shù)隨著溫度上升而下降,隨著壓力上升而升高,符合絕熱指數(shù)的特性,由于防噴器控制裝置所處的地理環(huán)境不同,溫度差異較大,且季節(jié)不同帶來的影響較大,因此應(yīng)該以低溫計(jì)算且取額定壓力下的指數(shù)計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確。
表1 NIST氮?dú)鈹?shù)據(jù)
為驗(yàn)證此試驗(yàn)方法是否正確而進(jìn)行蓄能器實(shí)際排油量驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容如下:取不同容積的蓄能器,在室溫20 ℃下從額定壓力21 MPa降為最小操作壓力8.4 MPa,得到蓄能器的實(shí)際排量。同時(shí)根據(jù)表1選取額定壓力下的絕熱指數(shù)n=1.6899,代入式(1)中得到VR=0.3,試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對比見表2。
優(yōu)化計(jì)算值與實(shí)際排放值非常接近,因此,選用此計(jì)算方式來計(jì)算蓄能器在不同溫度下的實(shí)際排放值的準(zhǔn)確率較高,更好的滿足實(shí)際關(guān)井時(shí)關(guān)井容積的需求。
(1) 對蓄能器容積的優(yōu)化計(jì)算結(jié)合實(shí)際氣體狀態(tài)、溫度和壓力等因素的考慮,計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際數(shù)值,滿足現(xiàn)場實(shí)際使用需求;
表2 實(shí)際排量與優(yōu)化計(jì)算值
(2) 提供的計(jì)算方式可以作為其他工程選型蓄能器容積計(jì)算的參考。