楊利強(qiáng)

（1．長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 荊州 434023；2．勝利石油管理局渤海鉆井總公司，山東 東營(yíng) 257200）

防噴器地下試壓系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)研究

楊利強(qiáng)1，2

（1．長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 荊州 434023；2．勝利石油管理局渤海鉆井總公司，山東 東營(yíng) 257200）

國(guó)內(nèi)在井控裝備生產(chǎn)車間對(duì)防噴器的試壓檢測(cè)仍然采用地面試壓方式，安全風(fēng)險(xiǎn)大，檢測(cè)效率低，不符合井控安全和HSE管理的要求。為進(jìn)一步保證設(shè)備和人員的安全，設(shè)計(jì)了防噴器地下試壓系統(tǒng)，并對(duì)地下試壓相關(guān)應(yīng)用技術(shù)和工具進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)的防噴器地下試壓系統(tǒng)大幅提高了防噴器試壓檢測(cè)的安全性和檢測(cè)效率，改善了車間環(huán)境。與地面試壓檢測(cè)相比，防噴器地下試壓系統(tǒng)安全、高效、便捷、環(huán)保，必然會(huì)成為以后井控設(shè)備試壓檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的方向。

防噴器；地下試壓；檢測(cè)；液控系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；監(jiān)控

防噴器是鉆井過程中用于防止井噴事故發(fā)生的關(guān)鍵設(shè)備，為保證其質(zhì)量安全可靠，在井口安裝使用的防噴器必須作壓力檢測(cè)試驗(yàn)。隨著油氣田開發(fā)向深層的勘探與開發(fā)，鉆井施工難度越來越大，對(duì)井控設(shè)備的安全保障能力提出了更高的要求，相應(yīng)的70、105、140 MPa防噴器相繼應(yīng)用到了鉆井生產(chǎn)中。隨著防噴器壓力級(jí)別的提高，現(xiàn)有的地面試壓檢測(cè)方式已經(jīng)越來越不符合安全和環(huán)保方面的要求，存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。如何提高防噴器在井控車間試壓檢測(cè)的安全系數(shù)，不僅對(duì)試壓設(shè)備提出了更高要求，也對(duì)試壓環(huán)境的安全系數(shù)提出了更高要求。

據(jù)了解，國(guó)外著名的井控設(shè)備制造和供應(yīng)商（例如CAMERON、HYDRIL、SHAFER等公司）對(duì)防噴器的試壓檢測(cè)多采用地下試壓方式，檢測(cè)手段齊全，已經(jīng)形成一套完整的防噴器地下試壓檢測(cè)和配套技術(shù)。除能實(shí)現(xiàn)防噴器各種性能檢測(cè)外，還可以檢測(cè)氣密封等性能，滿足氣井、超高壓、高含硫等特殊工藝井開發(fā)時(shí)對(duì)防噴器的技術(shù)需求。該系統(tǒng)在滿足防噴器試壓檢測(cè)安全要求的同時(shí)，能限制噪聲擴(kuò)散并保護(hù)環(huán)境，即使在試壓過程中發(fā)生意外也能保證地面人員和設(shè)備安全，控制事故影響范圍，具有較高的安全性和先進(jìn)性。

我國(guó)在防噴器地下試壓技術(shù)方面還處于研究和探索階段，國(guó)內(nèi)大多數(shù)井控設(shè)備制造企業(yè)和維修單位對(duì)防噴器的試壓檢測(cè)仍然采用地面試壓，不僅噪聲大，工作環(huán)境差，最重要的是地面防護(hù)設(shè)施強(qiáng)度與防噴器的試驗(yàn)檢測(cè)壓力不能匹配。在防噴器地面試壓檢測(cè)過程中，人和試壓設(shè)備均處于不安全狀態(tài)，安全風(fēng)險(xiǎn)巨大。因此，采用地下試壓方式，設(shè)計(jì)防噴器地下試壓系統(tǒng)，研究解決地下試壓相關(guān)技術(shù)，進(jìn)一步解決防噴器試壓安全問題，提高試壓檢測(cè)效率，是井控設(shè)備試壓檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的方向。

1 地下試壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1 地下試壓區(qū)

1．1．1 結(jié)構(gòu)與布局

從防噴器檢測(cè)、通行、監(jiān)控等各種設(shè)備的布局及油、電、監(jiān)控等管線安裝方面考慮，仔細(xì)研究在生產(chǎn)和檢測(cè)過程中各種設(shè)備的功能，避免弧線干擾和造成過多空間浪費(fèi)，方便施工。設(shè)計(jì)的地下試壓區(qū)平面圖如圖1所示。

圖1 地下試壓區(qū)布局

設(shè)計(jì)的地下試壓區(qū)長(zhǎng)13 m，寬7 m，深5 m，分為2個(gè)區(qū)，可承受重力500 k N，可滿足2臺(tái)防噴器同時(shí)試壓要求，也滿足防噴器聯(lián)體試壓和氣密封試壓檢測(cè)等要求。試壓區(qū)設(shè)計(jì)有長(zhǎng)7 m、寬2．5 m、厚4 cm的防護(hù)鋼板，可以沿試壓區(qū)頂部墻面左右移動(dòng)，防止試壓檢測(cè)時(shí)試壓管柱飛出造成傷害，保護(hù)試壓區(qū)頂部安全。

1．1．2 安全性校核

按最高壓力140 MPa設(shè)計(jì)，當(dāng)防噴器發(fā)生泄漏后，可簡(jiǎn)化為單噴嘴射流模型。假設(shè)泄漏處為1個(gè)噴嘴，墻體距噴嘴取最小距離為1．5 m，即，已知參數(shù)：入口壓力p＝140 MPa；噴嘴直徑d＝0．003 m；噴距（防噴器殼體與防護(hù)墻的最小距離）L＝1．5 m。

沿漏點(diǎn)方向軸線速度場(chǎng)分布如圖2所示，可以看出：在射流到達(dá)防護(hù)墻壁附近時(shí)，速度為vq＝25 m／s。根據(jù)式（1）可計(jì)算射流對(duì)墻體的壓力為：pq＝0．31 MPa。防護(hù)墻抗壓強(qiáng)度為42．5 MPa，說明射流不能破壞防護(hù)墻［1］。

圖2 射流軸線速度分布

1．2 試壓控制與檢測(cè)系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)防噴器試壓檢測(cè)過程安全、智能、高效的目標(biāo)，設(shè)計(jì)了試壓控制與檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由液控系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)組成，系統(tǒng)控制流程如圖3所示［2-3］。

圖3 試壓系統(tǒng)控制流程

1） 試壓控制與檢測(cè)系統(tǒng) 主要實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)壓力的自動(dòng)采集、監(jiān)測(cè)結(jié)果輸入和過程控制，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)檢測(cè)過程的自動(dòng)化。

2） 液控系統(tǒng) 主要由控制裝置、卡箍、管匯組及管線組成，主要實(shí)現(xiàn)防噴器法蘭部位密封、閘板開關(guān)和泄壓功能。

3） 增壓系統(tǒng) 由液動(dòng)泵或氣動(dòng)泵組成，實(shí)現(xiàn)防噴器試壓壓力的提供和補(bǔ)償。

4） 監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 主要實(shí)現(xiàn)對(duì)試壓區(qū)和試壓過程的監(jiān)控。

5） 輔助系統(tǒng) 主要實(shí)現(xiàn)試壓區(qū)頂部護(hù)板的移動(dòng)、攝像頭位置角度的調(diào)節(jié)、排水除污等功能。

2 地下試壓系統(tǒng)的實(shí)施與開發(fā)

2．1 地下試壓區(qū)的建設(shè)

勝利油田渤海鉆井總公司是在原有的防噴器維修檢驗(yàn)車間改建地下試壓區(qū)，所以地下試壓區(qū)的建設(shè)都是在廠房?jī)?nèi)施工，由于老廠房地基和地下水層的影響，地下試壓區(qū)面積又比較大，深度較深，直接挖坑建設(shè)的方法不可取，施工難度較大。為此，技術(shù)和基建施工人員經(jīng)研究計(jì)算采用逐層下降的方法，邊下挖、邊下沉、邊澆注，這樣既保護(hù)了老廠房地基，防止地層坍塌造成危險(xiǎn)，又保證了地下試壓區(qū)的施工質(zhì)量。

2．2 試壓控制與檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)

在試壓控制與檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合以前試壓控制系統(tǒng)存在問題，開發(fā)了新的試壓控制與檢測(cè)系統(tǒng)。新系統(tǒng)主要由控制單元（軟件部分）和執(zhí)行單元（硬件部分）2部分組成?？刂葡到y(tǒng)軟件主界面如圖4所示，硬件部分如圖5所示。具有以下特點(diǎn)［4］：

圖4 控制系統(tǒng)軟件主界面

圖5 控制系統(tǒng)硬件原理

1） 安裝使用方便，界面清晰，顯示直觀，操作簡(jiǎn)單。

2） 實(shí)現(xiàn)了整個(gè)試壓過程的全自動(dòng)操作，自動(dòng)化程度高。

3） 設(shè)置了壓力超限報(bào)警、誤操作提示和故障自我保護(hù)等功能，安全程度高。

4） 精度高，檢測(cè)靈敏度0．01 MPa，滿足防噴器低壓試壓檢測(cè)要求。

5） 檢測(cè)壓力高，可以滿足140 MPa及以下防噴器的壓力檢測(cè)要求。

6） 可輸入功能強(qiáng)大，穩(wěn)壓時(shí)間、預(yù)置壓力、報(bào)警壓力等參數(shù)都可以修改，可以滿足各種工況的防噴器壓力檢測(cè)要求。

7） 可按時(shí)間及編號(hào)自動(dòng)保存試壓結(jié)果和曲線，具備完整的檢測(cè)結(jié)果打印功能，查詢和可追溯功能強(qiáng)大。

8） 具有較強(qiáng)的抗工業(yè)干擾能力。

2．3 液控系統(tǒng)的開發(fā)

2．3．1 原系統(tǒng)主要問題

目前，國(guó)內(nèi)還沒有專門用于維修試壓檢測(cè)的防噴器控制裝置，只能用鉆井現(xiàn)場(chǎng)使用的防噴器控制裝置來替代，而這種裝置在使用過程中有許多不變和局限性，主要存在以下問題：

1） 控制裝置的蓄能器和部分高壓管匯暴露在廠房?jī)?nèi)，對(duì)周圍施工人員構(gòu)成安全威脅。

2） 控制裝置電機(jī)啟動(dòng)工作時(shí)噪聲巨大，嚴(yán)重破壞車間環(huán)境。

3） 占用了有限的防噴器維修車間面積，容易發(fā)生磕碰、誤操作等意外事故。

4） 輸出壓力范圍有限，滿足不了防噴器試壓檢測(cè)需要不同等級(jí)壓力源的要求。

5） 控制裝置的泄壓回路只有1個(gè)，使得每個(gè)控制單元不能單獨(dú)形成回路，無法有效提高工作效率。

6） 無備用電機(jī)和柱塞泵，部件損壞容易影響整個(gè)試壓檢測(cè)工作。

2．3．2 新液控系統(tǒng)的開發(fā)

圖6 原控制系統(tǒng)油路

1） 將油泵、電機(jī)、油箱、蓄能器等高壓力油制備、儲(chǔ)存部分轉(zhuǎn)移到車間外并隔離，將操控執(zhí)行部分留在室內(nèi)，2部分用高壓軟管聯(lián)通。這樣既防止了高壓設(shè)備直接暴漏的安全風(fēng)險(xiǎn)，也消除了控制裝置電機(jī)啟動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，節(jié)省出有限的車間內(nèi)空間［6］。

2） 增加調(diào)壓閥數(shù)量和調(diào)節(jié)范圍，共形成4套獨(dú)立的減壓輸出系統(tǒng)，不但可以輸出不同壓力級(jí)別的高壓源，而且互不影響，大幅提高了工作效率；同時(shí)增加蓄能器數(shù)量，每個(gè)蓄能器下部安裝高壓球閥和泄壓閥，增強(qiáng)儲(chǔ)壓量的同時(shí)方便維修。

3） 把原來的單電機(jī)、油泵改為雙電機(jī)、雙油泵，在提高效率的同時(shí)大幅提高了工作可靠性，避免了因設(shè)備部件故障而影響整個(gè)檢測(cè)工作。

4） 操控執(zhí)行部分采用模塊化設(shè)計(jì)并備有接口，方便添加新的控制單元，可擴(kuò)展性強(qiáng)。

圖7 新控制系統(tǒng)油路

2．4 監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

試壓監(jiān)控采用移動(dòng)式全方位視頻監(jiān)控系統(tǒng)。鏡頭能夠10倍光學(xué)變焦，能夠局部放大影像，在保證對(duì)防噴器和地下試壓區(qū)監(jiān)控的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)試壓泵、管匯組的監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)能夠清晰觀察到防噴器試壓的每個(gè)部位，所有監(jiān)控信號(hào)全部集中傳輸?shù)奖O(jiān)控室，試壓操作員可通過試壓控制與檢測(cè)系統(tǒng)調(diào)節(jié)攝像頭位置，方便其了解整個(gè)試壓過程，保證試壓過程安全［7］。

3 相關(guān)應(yīng)用和配套技術(shù)

3．1 新型防噴器試壓盲板

常言道：“樹老根先竭，人老腿先衰?！遍L(zhǎng)壽老人幾乎個(gè)個(gè)都步履穩(wěn)健、行走如風(fēng)。除了上面的太極步，生活中也可以做做“養(yǎng)腿保健操”：背部靠墻站立，腳慢慢往前走，然后再退回；雙膝并攏，屈膝微微下蹲，雙手置于膝蓋上，先順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)30次左右，再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30次；慢跑、快走、游泳等有氧運(yùn)動(dòng)也是不錯(cuò)的鍛煉方法。

防噴器試壓時(shí)，需要液壓卡箍推動(dòng)試壓盲板將防噴器底部法蘭部位密封起來（如圖8所示）。由于不同規(guī)格防噴器使用的密封墊環(huán)型號(hào)不同，在試壓檢測(cè)不同規(guī)格防噴器時(shí)，就必須頻繁地更換試壓盲板，大幅降低了試壓效率。且采用地下試壓后，吊車操作人員離吊裝防噴器的視線距離增加，使將防噴器吊裝到試壓卡箍盲板上的這一過程也變得比較困難。為此，設(shè)計(jì)了新型防噴器試壓盲板（結(jié)構(gòu)如圖9所示），主要有以下特點(diǎn)［8-9］。

圖8 防噴器試壓卡箍和試壓盲板安裝結(jié)構(gòu)

圖9 新型防噴器試壓盲板結(jié)構(gòu)

1） 設(shè)計(jì)增加了自動(dòng)對(duì)中引導(dǎo)斜面，斜面內(nèi)加工母扣螺紋，可與環(huán)形防噴器試壓管柱連接，在方便吊裝操作同時(shí)，可大幅提高環(huán)形防噴器試壓檢測(cè)的安全性。

2） 高壓進(jìn)水口與泄壓口分開，同時(shí)將泄壓口提高到導(dǎo)向斜面上，具有防堵沉沙作用，可有效防止防噴器內(nèi)腔泥沙堵塞管線。

3） 設(shè)計(jì)了一種新型墊環(huán)密封形式，結(jié)構(gòu)如圖10所示。使1種規(guī)格盲板可試驗(yàn)2種不同級(jí)別的防噴器，避免了盲板頻繁更換，提高了效率；同時(shí)在密封墊環(huán)底部增加了1道O形密封，在大幅提高密封性能的同時(shí)，減少了對(duì)盲板的磨損，可延長(zhǎng)盲板的使用壽命［10］。

圖10 新型密封墊環(huán)的密封原理

3．2 試壓專用平板閥的研制

國(guó)內(nèi)防噴器試壓系統(tǒng)中的壓力控制管匯組一般都采用通徑52 mm液動(dòng)平板閥。該平板閥液控腔體大，反應(yīng)速度慢，開關(guān)過程對(duì)壓力值的影響很大，很難控制在需要的壓力范圍；其次是通徑大，密封壓力級(jí)別不高，在頻繁的開關(guān)過程中容易磨損造成壓力泄露；該平板閥體積過大，維修、更換困難，用于防噴器的地下試壓，更加不適合。為此，設(shè)計(jì)制造了一種防噴器試壓專用YPF20-140型平板閥，公稱通徑20 mm，額定工作壓力140 MPa，結(jié)構(gòu)如圖11所示。主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

1） 密封性能更好，壓力級(jí)別高。

2） 質(zhì)量?jī)H65 kg，方便安裝維修。

3） 能夠有效地節(jié)省空間，適合地下試壓使用。

此外，為了使整個(gè)防噴器地下試壓系統(tǒng)的檢測(cè)效率更高，安全、方便，還設(shè)計(jì)了氣動(dòng)試壓裝置——QSY160SP型雙聯(lián)試壓泵系統(tǒng)，最大工作壓力160 MPa，具有起壓速度快、運(yùn)行平穩(wěn)、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)制作了防噴器試壓防飛管柱，給地下試壓區(qū)頂部護(hù)板加裝了自動(dòng)平移機(jī)構(gòu)，這些配套設(shè)施的使用，進(jìn)一步提高了整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和運(yùn)行效率，確保了試壓過程安全。

圖11 試壓專用平板閥

4 應(yīng)用效果

防噴器地下試壓系統(tǒng)建成投入使用以來，試壓檢測(cè)數(shù)量由原來每天2～3臺(tái)提高到現(xiàn)在的每天6～8臺(tái)。運(yùn)行1 a來，已經(jīng)檢測(cè)防噴器970臺(tái)，全年多檢測(cè)防噴器近400臺(tái)，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益近千萬元。在取得良好經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也有效緩解了防噴器試壓檢測(cè)的緊張局面，大幅提高了試壓檢測(cè)的安全水平?，F(xiàn)在防噴器地下試壓系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)已經(jīng)在勝利油田的南北疆井控車間進(jìn)行了推廣，也取得了較好的效果。

5 結(jié)論

1） 與地面試壓檢測(cè)相比，防噴器地下試壓系統(tǒng)更加安全、高效、便捷、環(huán)保，必然會(huì)成為今后井控設(shè)備試壓檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的方向。

2） 防噴器地下試壓消除了地面試壓的安全隱患，大幅提高了防噴器試壓檢測(cè)工作的安全系數(shù)，改善了井控車間環(huán)境，達(dá)到了HSE管理要求，提升了企業(yè)形象。

3） 在今后防噴器地下試壓技術(shù)的研究中，應(yīng)進(jìn)一步開展防噴器氣密封檢測(cè)技術(shù)研究和聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用，提高防噴器地下試壓技術(shù)水平。

［1］張磊，梁政，姜華．140 MPa壓裂液缸強(qiáng)度及壽命預(yù)測(cè)分析［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（4）：26-28．

［2］沈伯卿，賈建貞，楊文冉，等．防噴器自動(dòng)試壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2003，32（6）：62-63．

［3］顏廷杰，袁強(qiáng)．防噴器試壓裝置的自動(dòng)化改造［J］．中國(guó)設(shè)備工程，2001（8）：14-15．

［4］任建，王剛，周強(qiáng)．井控裝置測(cè)控系統(tǒng)改進(jìn)方法研究［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（11）：63-65．

［5］王富濤，鄧鵬．液壓防噴器試壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)［J］．液壓與氣動(dòng)，2006（3）：41-42．

［6］孟少輝，李英，張立剛，等．防噴器控制系統(tǒng)液壓油強(qiáng)制過濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（4）：50-53．

［7］戴永壽，雷國(guó)江，鄭金吾．液壓防噴器安全試壓裝置監(jiān)控系統(tǒng)［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2003，19（1）：34-36．

［8］孫振純，王守謙．井控設(shè)備［M］．北京：石油工業(yè)出版社，1997．

［9］張鵬，林軍．防噴器液壓試壓臺(tái)的設(shè)計(jì)與計(jì)算［J］．石油機(jī)械，1992（7）：1-7．

［10］王百戰(zhàn)，白文雄，樊勇，等．便攜式井口防噴器試壓裝置研制與應(yīng)用［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（12）：83-85．

Study of BOP Underground Pressure Testing System and Application Technology

YANG Li-qiang1，2
（1．School of Petroleum Engineering，Yangtze University，Jingzhou 434023，China；2．Bohai Drilling Company，Shengli Petroleum Administration，Dongying 257200，China）

Domestic well control workshop to bop of pressure testing still use the ground test mode，not only a lot of safety risk exists，and detection efficiency is very low，do not conform to the well control safety and HSE management requirements．To further ensure the safety of the equipment and personnel，the bop underground pressure test system，and the underground pressure testing related application technology and tools for a research project were designed．Design of the bop underground pressure test system can solve the ground pressure detection in security hidden danger，greatly improve the blowout preventer test detection of security and detection efficiency，improve the workshop environment．Compared with the ground pressure testing，BOP underground pressure test system safer，efficient and convenient，environmental protection，will be laterwell control equipment test detection technology and its development direction．

BOP；underground pressure test；detection；hydraulic control system；design；monitoring

TE931．1

A

1001-3482（2014）01-0074-06

2013-07-01

楊利強(qiáng)（1978-），男，陜西眉縣人，工程師，碩士研究生，主要從事井控和鉆井工具研究，E-mail：liven＠163．com。