方志猛，孟少輝，王曉穎，陳慧慧，何偉紅

（北京石油機械廠，北京 100083）

氮氣備用系統(tǒng)可靠性試驗及驗證分析

方志猛，孟少輝，王曉穎，陳慧慧，何偉紅

（北京石油機械廠，北京 100083）

目前國內(nèi)外尚沒有氮氣備用系統(tǒng)現(xiàn)場可靠性應(yīng)用的相關(guān)數(shù)據(jù)及說明，為了評估氮氣備用系統(tǒng)現(xiàn)場實際應(yīng)用的可靠性，計算了有效關(guān)井容量并進行了現(xiàn)場聯(lián)機試驗。試驗結(jié)果表明：在緊急情況下使用氮氣備用系統(tǒng)不僅可以成功關(guān)井，而且確認使用氮氣備用系統(tǒng)不會對其他關(guān)聯(lián)系統(tǒng)造成損壞，為氮氣備用系統(tǒng)的現(xiàn)場使用提供了可靠性依據(jù)。

氮氣；備用系統(tǒng)；關(guān)井容量；可靠性驗證

自2009年以來，中國石油天然氣股份公司成為BP公司在伊拉克魯邁拉油田的合作伙伴后，為更好地滿足BP公司的需求，在防噴器控制系統(tǒng)部分，許多鉆機都配備了氮氣備用系統(tǒng)。在審核氮氣備用系統(tǒng)時，筆者搜索了全球主要鉆井資料庫，并無發(fā)現(xiàn)相關(guān)權(quán)威資料。BP公司提出要求：在緊急情況下，能否使用該系統(tǒng)來實現(xiàn)關(guān)井、如何安全地使用該系統(tǒng)以及使用該系統(tǒng)對整個井口控制系統(tǒng)的可靠性有無影響，要求中方在開鉆前提供氮氣備用系統(tǒng)關(guān)井的使用報告。

因此，北京石油機械廠設(shè)計并制造了一套氮氣備用系統(tǒng)，在投入油田使用時，應(yīng)BP公司要求進行了可靠性試驗，通過試驗數(shù)據(jù)驗證及分析，證明了產(chǎn)品的可靠性。

1 氮氣備用系統(tǒng)

氮氣備用系統(tǒng)是用來控制井口防噴器組和液動閥的一種緊急動力源，可以作為防噴器控制裝置的一個補充［1-2］。在緊急情況下，利用氮氣備用系統(tǒng)中高壓氮氣的能量，可以迅速關(guān)閉防噴器。從這方面來說，配備氮氣備用系統(tǒng)可以提高鉆井過程中井控的安全系數(shù)［3-4］。

1．1 系統(tǒng)組成

氮氣備用系統(tǒng)由多個高壓氮氣瓶組成，并通過管匯連接在一起，可向控制管匯提供應(yīng)急動力。氮氣備用系統(tǒng)通過1個隔離閥和單向閥連接到控制管匯上［5］。

以伊拉克現(xiàn)場配備的氮氣備用系統(tǒng)為例，單個氮氣瓶裝滿氮氣的容量為40 L，公稱壓力為15 MPa（2 140 psi）。根據(jù)防噴器組及用戶需求，可配置不同數(shù)量的氮氣瓶，一般為4～8個。氮氣備用系統(tǒng)與控制管匯的連接方式能防止氮氣進入蓄能器回路，同時防止壓力液進入氮氣備用系統(tǒng)回路。氮氣備用回路設(shè)計有排放控制閥，用以控制高壓氮氣的排出，以防止高壓氮氣排入液箱。

1．2 系統(tǒng)功能

1.2.1 作為控制BOP備用動力源（功能1）

氮氣備用系統(tǒng)是井口控制設(shè)備的一種應(yīng)急性質(zhì)的動力源，當(dāng)蓄能器組和泵組不能為控制管匯提供動力液時，可以使用氮氣備用系統(tǒng)為管匯提供高壓氣體，以便關(guān)閉防噴器［6］。

使用氮氣備用系統(tǒng)實施關(guān)井操作是一種非常規(guī)的關(guān)井操作，它能夠提供的可用液量有限，而且受到氮氣瓶充氮壓力的影響，系統(tǒng)的額定壓力最高不超過14 MPa。

1．2．2 為遙控回路提供應(yīng)急氣源（功能2）

氮氣備用系統(tǒng)具有為司鉆控制臺提供備用氣源的功能。它通過減壓器將氮氣瓶中的高壓氮氣轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低壓力的氣體，經(jīng)軟管線與司鉆控制臺的進氣口連接。

當(dāng)鉆機的壓縮機組和氣罐由于某種原因不能提供有效壓力的氣源時，利用氮氣備用系統(tǒng)可為司鉆控制臺提供有效氣源，保證司鉆在緊急情況下仍然可以遙控操作控制防噴器的三位四通轉(zhuǎn)閥，進而提高井控的安全性。

1．2．3 為蓄能器提供充氣氣源（功能3）

防噴器控制裝置中的高壓動力液主要儲存在蓄能器中，如果要保證防噴器控制裝置在緊急情況下可以提供足夠的可用液量，則必須保證所有蓄能器的工作狀況是正常的。在日常的設(shè)備維護中，蓄能器的充氣閥和膠囊都是易損部位。在對這2個部位進行維修前，都需要將氮氣放掉，在維修好后還需要給蓄能器瓶充入足夠壓力的氮氣。在鉆井現(xiàn)場一般無高壓氮氣源，特別在伊拉克地區(qū)，由于資源的限制，高壓氮氣的使用是難以實現(xiàn)的。利用氮氣備用系統(tǒng)則可以解決此問題。用充氣軟管、充氣工具將氧氣瓶閥與蓄能器充氣閥連接起來，即可對蓄能器進行充氣。

1．3 系統(tǒng)原理圖

綜合以上3項功能，氮氣備用系統(tǒng)的所有功能如圖1所示。

圖1 氮氣備用系統(tǒng)液壓原理

1．4 可用容量計算

現(xiàn)場試驗中使用的氮氣備用系統(tǒng)由6個額定壓力為15 MPa的40 L氮氣瓶組成，其中5個瓶子串聯(lián)起來作為系統(tǒng)功能1～2使用，另外一個瓶子作為系統(tǒng)功能3使用。試驗所使用的防噴器控制裝置型號為FKQ640-6K，防噴器組的規(guī)格型號如表1所示。

表1 防噴器組規(guī)格型號

氮氣瓶的充氣壓力受環(huán)境溫度的影響而不同?？紤]北京的環(huán)境溫度范圍，氮氣備用系統(tǒng)中氮氣瓶的充氣壓力一般為13．5～14．0 MPa，下面按充氣壓力p＝13．5 MPa計算5個40 L的氮氣瓶最多可以提供有效高壓氣體的容量。

防噴器組的推薦最小操作壓力為8．4 MPa，根據(jù)理想氣體恒溫排放公式，計算氮氣瓶壓力從13．5MPa降到8．4 MPa的體積變化，即此型號氮氣備用系統(tǒng)可提供的可用容量Y為

則Y＝120 L。

因120 L＞93．3 L，所以氮氣備用系統(tǒng)可以滿足關(guān)閉該類型防噴器組的液量要求。

2 現(xiàn)場聯(lián)機試驗

2．1 試驗?zāi)康?/p>

回顧國內(nèi)氮氣備用系統(tǒng)的發(fā)展歷史，從1997年北京石油機械廠為華北油田設(shè)計并制造了第1臺氮氣備用系統(tǒng)后，越來越多的鉆機配備了該系統(tǒng)。在多年的使用過程中，系統(tǒng)功能2～3（見第1．2節(jié)所述）常在現(xiàn)場使用，但是系統(tǒng)功能1一直沒有應(yīng)用過。

在此次驗證試驗中，主要對系統(tǒng)功能1進行驗證，即當(dāng)蓄能器組和泵組不能向控制管匯提供有效動力液時，驗證氮氣備用系統(tǒng)能否作為一種可靠的備用動力源，來實現(xiàn)關(guān)閉井口的防噴器組的目的。具體來說，通過此次試驗要實現(xiàn)以下3個目的：

1） 獲得氮氣備用系統(tǒng)在應(yīng)用功能1時，關(guān)閉、打開特定防噴器對象的時間，以及試壓數(shù)據(jù)文件。

2） 確認使用氮氣備用系統(tǒng)關(guān)井操作后，高壓氮氣是否會對各關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的密封元件造成損壞。

3） 由于高壓氣體的膨脹（排放過程）存在一定的危險性，通過此次試驗，對危險因素進行識別，并針對危險因素總結(jié)出一套安全的基本操作流程。利用該流程，確保在緊急情況下可以迅速、安全地使用氮氣備用系統(tǒng)來實施關(guān)井操作。

2．2 試驗過程

2．2．1 基準數(shù)據(jù)的采集

為便于比較氮氣關(guān)井與常規(guī)高壓油液關(guān)井的區(qū)別，在進行氮氣備用系統(tǒng)關(guān)井試驗前，先進行FKQ640-6 K型防噴器控制裝置關(guān)井試驗，記錄高壓液壓油關(guān)井時間等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

使用FKQ640-6K型防噴器控制裝置來開關(guān)防噴器，記錄數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 FKQ640-6K型防噴器控制裝置關(guān)井時間和壓力數(shù)據(jù)

2．2．2 試驗前準備

使用氮氣備用系統(tǒng)關(guān)井前，需要將該系統(tǒng)和防噴器控制裝置用管線連接起來，關(guān)井液壓原理如圖2所示。

1—高壓氮氣瓶；2—氣體排放閥；3—單向閥；4—隔離閥；5—氣體瓶閥；6—壓力表；7—氮氣減壓閥；8—高壓管線；9—氣源管線；10—蓄能器充氣管；11—高壓球閥；12—三位四通轉(zhuǎn)閥；13－蓄能器；14－蓄能器組隔離閥

操作步驟：

1） 分別關(guān)閉氮氣備用系統(tǒng)上的隔離閥、排放控制閥。

2） 關(guān)閉與氮氣備用系統(tǒng)連接的高壓球閥。

3） 用管線連接防噴器控制裝置與氮氣備用系統(tǒng)。

4） 將氮氣備用系統(tǒng)的排氣管線的絲堵打開，排氣管連接到收液桶。

5） 逐個打開氮氣瓶上部閥門。

6） 打開防噴器控制裝置油箱左右兩側(cè)上方的絲堵。

7） 液壓系統(tǒng)泄壓：將電控箱的主令開關(guān)扳到手動位置，不接氣源。將系統(tǒng)壓力卸荷至8 MPa。

8） 關(guān)閉蓄能器組隔離閥，將管匯壓力卸荷至0。各三位四通轉(zhuǎn)閥手柄放在中位，打開旁通閥。

9） 連通高壓氮氣，打開控制管匯與氮氣備用系統(tǒng)間的高壓球閥。

2．2．3 開關(guān)全封的驗證試驗

1） 操作全封三位四通轉(zhuǎn)閥手柄至關(guān)位［6］，關(guān)閉全封閘板防噴器，用時4．5 s，觀察氮氣壓力為11．4 MPa（1 650 psi）。關(guān)閉全封后，開始對防噴器進行低壓、高壓的試壓測試。

2） 試壓系統(tǒng)對全封防噴器進行2．4 MPa（350 psi）低壓試壓，保壓10 min，觀察試壓管線壓降，結(jié)果顯示合格。低壓試壓曲線如圖3所示。

3） 對全封防噴器進行34．5 MPa（5 000 psi）的高壓試壓，保壓10 min，觀察試壓管線壓降，結(jié)果合格。高壓試壓曲線如圖4所示。

4） 操作三位四通轉(zhuǎn)閥手柄至開位，開啟全封閘板，用時4．5 s，觀察此時氮氣壓力為10．4 MPa（1 500 psi）。

5） 對全封閘板防噴器重復(fù)試驗1次，關(guān)閉防噴器用時6．9 s，氮氣壓力為9．3 MPa（1 350 psi）。開啟全封閘板用時4．5 s，氮氣瓶壓力降為8．6 MPa（1 250 psi）。

圖3 全封低壓試壓曲線

圖4 全封高壓試壓曲線

2．2．4 開關(guān)半封的驗證試驗

1） 操作半封三位四通轉(zhuǎn)閥手柄至關(guān)位，關(guān)閉半封閘板防噴器，用時4．2 s，氮氣壓力降為7．9 MPa（1 150 psi）。

2） 對半封防噴器進行試壓，閘板沒有封住，試壓操作沒有記錄到數(shù)據(jù)。

3） 重新?lián)Q上新的氮氣瓶組，連接好管線，記錄此時氮氣瓶壓力值為12．4 MPa（1 800 psi）。由于此時半封防噴器的活塞缸處于關(guān)閉位置，操作半封三位四通轉(zhuǎn)閥手柄至關(guān)位，氮氣瓶的壓力為11．4 MPa（1 650 psi）。

4） 重新對半封防噴器進行2．4 MPa（350 psi）低壓試壓，保壓10 min，觀察試壓管線壓降，如圖5，結(jié)果合格。

5） 對半封防噴器進行34．5 MPa（5 000 psi）高壓試壓，保壓10 min，觀察試壓管線壓降，試壓曲線如圖6所示。結(jié)果合格。

6） 對半封防噴器重復(fù)以上開關(guān)操作，開啟半封用時4．9 s，觀察此時氮氣壓力為10．4 MPa（1 500 psi）。然后又關(guān)閉半封閘板用時4．6 s，此時氮氣壓力降為9．3 MPa（1 350 psi）。

7） 再開啟半封，用時4．9 s，觀察此時氮氣壓力為9．0 MPa（1 300 psi）。

圖5 半封低壓試壓曲線

圖6 半封高壓試壓曲線

2．2．5 開關(guān)環(huán)形的驗證試驗

由于在試驗中，為了確認試驗結(jié)果的可靠性，每一步操作都重復(fù)進行了幾次，所以剩余氮氣壓力不足以試驗操作開關(guān)體積較大的環(huán)形防噴器。因此在進行環(huán)形防噴器試驗操作前，換上1組新的氮氣備用系統(tǒng)。

開關(guān)環(huán)形防噴器前，記錄氮氣瓶壓力為13．8 MPa（2 000 psi）。

操作三位四通轉(zhuǎn)閥手柄至關(guān)位，關(guān)閉環(huán)形防噴器，用時21 s，此時觀察氮氣壓力為9．7 MPa（1 400 psi）。

然后對環(huán)形防噴器進行34．5 MPa（5 000 psi）的高壓試壓，保壓10 min，然后觀察試壓管線壓力，結(jié)果合格。

為了確認環(huán)形試壓的結(jié)果，接著對環(huán)形進行第2次34．5 MPa（5 000 psi）的高壓試壓［7］。經(jīng)過第2次試壓測試，壓力保持在34．5 MPa（5 000 psi）左右，雖然有一點壓降，但是在可接受的范圍內(nèi)，現(xiàn)場各方對試壓結(jié)果比較滿意。試壓曲線如圖7所示。

圖7 環(huán)形高壓試壓曲線

接著，利用高壓氮氣開啟環(huán)形防噴器，用時23 s，觀察氮氣瓶剩余壓力為7．6 MPa（1 100 psi）。

2．2．6 開關(guān)液動閥的驗證試驗

開啟放噴閥用時2 s，觀察氮氣壓力為8．8 MPa（1 275 psi）。

關(guān)閉放噴閥用時2 s，觀察氮氣壓力為8．6 MPa（1 250 psi）。

放噴閥測試結(jié)果滿意。

2．2．7 試驗后的各系統(tǒng)完好性驗證

為了確認使用氮氣備用系統(tǒng)后，高壓氮氣是否會對防噴器造成損壞，對各部分進行了拆檢。對拆下來的防噴器膠芯進行了檢查。全封閘板、半封的密封元件和頂部密封還是完好、比較新的狀態(tài)，如圖8～9。膠芯和密封沒有磨損和破環(huán)的情況，這表明氮氣不會產(chǎn)生任何不利的影響。

通過對環(huán)形膠芯的檢查，沒有發(fā)現(xiàn)任何損壞的跡象，這表明氮氣對環(huán)形膠芯不會產(chǎn)生不利的影響。如圖10。

圖8 全封閘板無非正常磨損

圖9 半封無非正常損壞

圖10 環(huán)形膠芯無非正常損壞

對FKQ640-6K型防噴器控制裝置進行性能測試，恢復(fù)遠程控制臺壓力，各元件部分的油密性、氣密性均完好［8］，工作正常。證明氮氣備用系統(tǒng)對其他關(guān)聯(lián)設(shè)備沒有破壞影響。

3 結(jié)論

通過試驗和分析，確定了該類型的氮氣備用系統(tǒng)在緊急情況下可以成功關(guān)閉防噴器，并且使用該系統(tǒng)不會對防噴器的密封元件和防噴器控制系統(tǒng)造成損壞。證明該套氮氣備用系統(tǒng)可以大規(guī)模在油田使用。氮氣備用系統(tǒng)的功能符合API SPEC 16D中的要求，產(chǎn)品達到了設(shè)計目的。

［1］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］．

［2］Recommended Practices for Blowout Prevention Equipment Systems for Drilling Wells API RP53 Third edition［R］．MARCH，1997．

［3］徐興平．海洋石油工程概論［M］．東營：中國石油大學(xué)出版社，2007．

［4］周守為．中國海洋石油高新技術(shù)與實踐［M］．北京：地質(zhì)出版社，2005．

［5］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(xùn)系列教材）［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2008．

［6］王曉穎，張立剛，陳慧慧．防噴器控制裝置三位四通轉(zhuǎn)閥手柄位置分析［J］．石油礦場機械，2013，42（2）：66-69．

［7］曹月臣．旋轉(zhuǎn)環(huán)形防噴器結(jié)構(gòu)分析與應(yīng)用［J］．石油礦場機械，2013，42（7）：90-92．

［8］李園園，陳國明，耿向忠．防噴器安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析［J］．石油礦場機械，2011，40（12）：6-9．

Nitrogen Backup System Reliability Testing and Validation Analysis

FANG Zhi-Meng，MENG Shao-hui，WANG Xiao-ying，CHEN Hui-hui，HE Wei-hong（Beijing Petroleum Machinery Factory，Beijing 100083，China）

So far till now，there is no data and description about the reliability of the nitrogen backup system’s application in the domestic and overseas．In order to evaluate the safety and reliability of the nitrogen backup system，the effective shut-in capacity of the BOP was calculated and an online experiment with the BOP was carried out．The result of the experiment shows that in case of the emergency，just using the nitrogen backup system can shut in the BOP stacks and make no damage to the related systems．The experiment provides a basis for the reliability of the application of the nitrogen backup system．

nitrogen；backup system；shut capacity；reliability verification

TE931．1

A

1001-3482（2014）01-0058-05

2013-07-19

方志猛（1982-），男，江蘇南通人，工程師，主要從事地面防噴器控制裝置設(shè)計工作，E-mail：fangzmdri＠cnpc．com．cn。