胡豐金

（中國石油長城鉆探工程有限公司，北京100101）

在井控設(shè)備的遠程控制臺上裝有數(shù)個三位四通換向閥，控制著井口防噴設(shè)備（包括閘板防噴器、環(huán)形防噴器和液動閘門）的工作狀態(tài)。三位四通換向閥，也稱三位四通轉(zhuǎn)閥，是液壓油路中常用的液壓油流向控制元件，也是石油井控設(shè)備遠程控制臺上油路中的核心元件。關(guān)于遠程控制臺待命時三位四通換向閥手柄位置放在工作位（2個極限位置）還是中位（2個極限位置的中間）的問題，國內(nèi)外石油工程專家的意見并不統(tǒng)一，且相關(guān)行業(yè)（企業(yè)）標(biāo)準(zhǔn)和實施細則的要求也不一致［1－11］。近幾年，筆者在井控檢查過程中，發(fā)現(xiàn)不同鉆井隊對三位四通換向閥手柄位置的放置并不相同，對手柄位置處于工作位還是中位的原理并不清楚。國內(nèi)專家對該問題進行了探討，并提出手柄位置放在中位的建議，但并沒有對其原理進行分析［1］。為此，筆者研究了不同手柄位置對液壓元件可靠性和壽命的影響，并結(jié)合現(xiàn)場目視化管理、操作程序以及漏油等方面的要求進行了分析探討，提出了手柄位置應(yīng)放在工作位的建議。

1 手柄位置對液壓元件可靠性和壽命的影響

三位四通換向閥手柄的位置不同，油路內(nèi)的壓力不同，對液壓元件的可靠性和壽命的影響也不同。因此，可以從液壓元件在油路內(nèi)所承受壓力的大小來判斷手柄位置的合理性。

1.1 遠程控制臺控制油路基本構(gòu)成

圖1所示為遠程控制臺控制油路，其中的液壓元件主要有減壓溢流閥、三位四通換向閥、液壓油缸和高壓管線。為了方便敘述，圖1中減壓溢流閥以前的系統(tǒng)壓力端稱為上游，其壓力是儲能器中液壓油壓力，即常說的系統(tǒng)壓力；工作壓力端稱為下游，它的壓力是調(diào)定壓力（通常是10.5MPa）。圖1中所有回流油端口都直接與油箱相通，它的壓力是大氣壓力。

圖1 井控設(shè)備遠程控制臺控制油路示意Fig.1 Schematic of control oil circuit of remote control console for well control equipment

1.1.1 減壓溢流閥

減壓溢流閥是一個減壓溢流元件，它的作用是把高壓降為工作需要的低壓，當(dāng)?shù)蛪憾藟毫σ馔馍邥r，溢流泄壓。它在遠程控制臺油路中的作用是：1）把上游的系統(tǒng)壓力（即儲能器壓力）減壓為調(diào)定壓力（現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)通常是10.5MPa）向下游輸出，通過換向閥和高壓管線輸送至工作油缸；2）當(dāng)下游高壓管線的壓力超過調(diào)定壓力時溢流泄壓，把多余的油回流到油箱；3）有特殊需要時，調(diào)節(jié)下游工作壓力。

減壓溢流閥的工作原理是：當(dāng)減壓溢流閥下游工作壓力低于調(diào)定壓力時，上、下游兩口進行連通，儲能器中的油通過換向閥、液壓管線流向工作油缸；在工作油路中達到調(diào)定壓力后，上、下游通道自動關(guān)閉；當(dāng)下游為調(diào)定壓力時，上、下游通道是一直關(guān)閉的；當(dāng)下游壓力升高并超過減壓溢流閥的溢流壓力后，下游和溢流口導(dǎo)通泄壓，把多余的油回流到油箱。由此可知，減壓溢流閥正常時能夠?qū)崿F(xiàn)下游壓力的基本穩(wěn)定，從而保證工作油缸的壓力基本穩(wěn)定。下游壓力是上下波動的，對于井控遠程控制臺中的減壓溢流閥來講，下游壓力通常為10.5MPa左右，具體數(shù)值受閥的精度影響很大。

1.1.2 三位四通換向閥

三位四通換向閥的閥芯可以在3個位置上，即圖1中的半封、全封和平板閥3個油路所示的位置。閥體上有4個通道分別是：進油通道、回油通道及連接工作油缸的2個通道。三位四通換向閥的作用是：通過變換手柄位置改變閥芯位置，實現(xiàn)連接工作油缸的2個通道中的液壓油流動換向和封閉，使其控制的環(huán)形、全封、半封和閥門等防噴設(shè)備實現(xiàn)預(yù)定的功能。

由圖1可知，三位四通換向閥控制的4條通道有2種情況：1）手柄位于中位（圖1中全封和環(huán)形油路）時，它所控制的4條通道彼此孤立，4條通道中可以有4個壓力，任一條通道內(nèi)的壓力變化與其他3條通道無關(guān)；2）手柄位于工作位（圖1中半封和平板閥油路）時，它所控制的4條通道兩兩相通，4條通道中只有2個壓力，任一條通道內(nèi)的壓力變化只影響與其連通的另一條通道，與另外2條通道無關(guān)。

1.2 手柄不同位置時的壓力分析

1.2.1 手柄位于中位時

圖2所示為三位四通換向閥手柄位于中位時的油路。從圖2可以看出，三位四通換向閥手柄在中位時，A、B、C、D等4條油路彼此獨立。理論上應(yīng)該是4個壓力：D口與油箱連通，通路中為大氣壓力；A口與減壓溢流閥的下游相通，通路中為減壓溢流閥的下游壓力；B口和C口為手柄扳回中位前的壓力，B口是大氣壓力（扳回中位前與油箱相通），C口是接近減壓溢流閥下游的工作壓力（其壓力值與三位四通換向閥結(jié)構(gòu)和扳回中位的操作有關(guān)），剛扳回中位時，通常是小于但接近減壓溢流閥下游的工作壓力。

圖2 三位四通換向閥手柄位于中位時的油路Fig.2 Oil circuit when the handle is in neutral position

A、B和D這3個通道中的壓力，對液壓元件的可靠性和壽命的影響不大，但是手柄扳回中位前帶壓通路C中的壓力，即從三位四通換向閥出口經(jīng)液壓管線到液缸中的液壓油的壓力，剛扳回中位時接近工作壓力（10.5MPa）。當(dāng)手柄扳回中位后，這個壓力就被封閉了，并隨氣溫（油溫）的變化而變化。假設(shè)由于氣溫的變化給油路帶來的壓力變化是Δp，那么全天油路壓力的變化范圍是10.5MPa±Δp。當(dāng)在全天油溫最高時扳回中位，被封閉油路中密封件每天所承受的壓力低于扳回中位時的下游壓力，通常是10.5MPa－Δp（這壓力值有時會很?。?；當(dāng)在全天油溫最低時扳回中位，被封閉油路中密封件每天所承受的壓力高于扳回中位時的下游壓力，通常是10.5MPa＋Δp（這壓力值有時會很大）。最大壓力值和最小壓力值與設(shè)備所在地每天的溫差有關(guān)。

根據(jù)液壓油不可壓縮和受熱膨脹的性質(zhì)綜合推斷，Δp受油溫的影響變化是明顯的，在溫差大的地區(qū)，油缸內(nèi)的壓力（10.5MPa±Δp）會明顯大于減壓溢流閥下游壓力的波動范圍，有可能高出或低出很多，從而會影響密封元件的可靠性和壽命。

1.2.2 手柄位于工作位時

圖3所示為三位四通換向閥手柄位于工作位時的油路。從圖3可以看出，三位四通換向閥手柄在工作位時，B口、D口與油箱相通，通路中為大氣壓力；A口、C口與減壓溢流閥的下游相通，理論上通路中為減壓溢流閥的下游壓力（通常是10.5MPa）。油缸內(nèi)液壓油與C口相通至減壓溢流閥下游，油缸內(nèi)液壓油的壓力也應(yīng)該是減壓溢流閥的下游壓力。

圖3 三位四通換向閥手柄位于工作位時的油路Fig.3 Oil circuit when the handle is in working position

由此可知，遠程控制臺上三位四通換向閥手柄在工作位時，油路中密封件每天所承受的壓力大小與設(shè)備所在地的氣溫變化關(guān)系不大，而與減壓溢流閥的溢流控制精度密切相關(guān)。正常情況下，油路中密封件所承受的壓力在調(diào)定壓力值附近上下波動（10.5MPa左右），可以說壓力是基本穩(wěn)定的。

通過手柄位置在中位和工作位時的壓力分析可知，三位四通換向閥手柄位于工作位時的液壓元件其可靠性和壽命是優(yōu)于中位的。理由是：1）工作位時液壓元件承受的壓力變化小，且是設(shè)備本身可控的；2）當(dāng)前井控設(shè)備中油缸和液壓管線的額定工作壓力要求都是35.0MPa，長期承受10.5MPa的工作壓力，不足額定壓力的1／3，不會導(dǎo)致密封件的可靠性和壽命有明顯變化；3）中位時液壓元件會承受不可控的壓力波動，會對密封件的可靠性產(chǎn)生較明顯的影響，甚至導(dǎo)致其壽命縮短。

2 其他方面的優(yōu)缺點分析

2.1 目視化管理

井控裝置是特殊設(shè)備，每個閥件處于什么狀態(tài)，緊急情況下操作正確與否，事關(guān)井控成敗。一旦發(fā)生操作失誤將會帶來嚴重后果。因此，井控裝置的目視化管理非常重要，作用十分明顯。

遠程控制臺三位四通換向閥在中位時只有通過掛牌才能看出它所控制設(shè)備的狀態(tài)。因為，當(dāng)走近遠程控制臺時，手柄已在中位的情況下，不看掛牌是不能直接斷定手柄是從關(guān)位還是開位把手柄扳回中位的。

遠程控制臺三位四通換向閥手柄在工作位時是不需要掛牌的，通過手柄位置標(biāo)示一眼就能看出它所控制設(shè)備的狀態(tài)?？梢哉f，遠程控制臺待命狀態(tài)時的三位四通換向閥手柄位于工作位對目視化管理非常有利，不僅減少了一道掛牌的程序，而且可以一眼看出該三位四通換向閥所控制設(shè)備的狀態(tài)，對緊急情況下的操作十分有利。

2.2 操作程序

目前現(xiàn)場用的井控裝置，多采用氣控液控制系統(tǒng)，就是司鉆通過操作司鉆控制臺（或監(jiān)督操作輔助控制臺）上的三位四通換向氣閥改變氣的流向使遠程控制臺上的三位四通換向閥改變工作狀態(tài)。對于封井器，手柄從開位（或中位）到關(guān)位實現(xiàn)關(guān)井；手柄從關(guān)位（或中位）到開位實現(xiàn)開井。

在司鉆控制臺和輔助控制臺上是不能實現(xiàn)遠程控制臺上的三位四通換向閥手柄位于中位的，必須有人到遠程控制臺把三位四通換向閥手柄從工作位扳到中位。如果規(guī)定遠程控制臺待命時三位四通換向閥手柄在工作位，在司鉆控制臺（或輔助控制臺）完成開關(guān)井工作以后，就不需要再到遠程控制臺扳換向閥手柄了。因此，三位四通換向閥手柄位于工作位時比位于中位時減少了一道操作程序，具有明顯的優(yōu)勢。

另外，每進行一次井控演習(xí)，當(dāng)手柄位于中位時，從目視化角度都需要增加摘換牌工作，從操作角度又需要增加手動操作，明顯增加了現(xiàn)場工作量。

2.3 漏油問題

液壓油是井控設(shè)備的血液，沒有液壓油時，液壓設(shè)備將處于癱瘓狀態(tài)，因而井控設(shè)備液壓油泄露是一個非常嚴重的問題。從圖2可以看出，當(dāng)三位四通換向閥手柄位于中位時，其4條油路彼此獨立，可能發(fā)生液壓油泄露的液壓管線和液缸密封件與儲能器是不通的，因此儲能器的液壓油不可能泄露；反之，當(dāng)手柄位于工作位時油路為2條通路（見圖3），液壓管線和液缸密封件與儲能器保持相通，這就有可能發(fā)生液壓油泄露。因此，在預(yù)防液壓管線和密封件故障導(dǎo)致的漏油問題方面，手柄位于中位具有明顯的優(yōu)勢。

目前，井隊多采取交接班檢查和記錄油箱內(nèi)的油量等措施，但不能從根本上杜絕漏油的問題。在現(xiàn)行技術(shù)和設(shè)備條件下，油量監(jiān)測報警是很容易實現(xiàn)的，只要在井控設(shè)備上加裝油量監(jiān)測報警裝置，漏油問題就會迎刃而解。

2.4 閘板移位

從圖3可以看出，三位四通換向閥手柄位于工作位時，C口一直是連通工作壓力端的，B口是通油箱的。在這種情況下，即使活塞密封存在問題，活塞也不可能發(fā)生移位，也就不存在閘板自動向井口移位的問題。

而從圖2可以看出，三位四通換向閥手柄位于中位時，B口和C口都是封閉的，且兩端的壓力是不等的，這2個壓力作用于活塞的2個端面，當(dāng)活塞密封有問題（竄油）時，液缸開啟腔內(nèi)的高壓油逐漸向壓力低的關(guān)閉腔內(nèi)運移，造成活塞向井口中心方向移動，就會發(fā)生活塞移位。雖然活塞移位是有限的，但可能造成設(shè)備失效又沒有及時發(fā)現(xiàn)的后果。筆者認為這是一個致命的隱患。

2.5 出錯概率

三位四通換向閥手柄的工作位是2個極限位置，在司鉆控制臺（或輔助控制臺）就能完成操作，出錯概率??；手柄位于中位的要求不僅增加了到遠程控制臺的手工操作，而且位置要求嚴格，加上掛牌的要求，出錯概率也就必然增大。在歷年的井控檢查中均有發(fā)現(xiàn)掛牌與設(shè)備實際情況不符的情況。

3 結(jié)束語

綜合考慮，在現(xiàn)行條件下，遠程控制臺待命期間，三位四通換向閥的手柄位置放在工作位是優(yōu)于中位的。如果強行規(guī)定把手柄放在中位，客觀上則是人為地給現(xiàn)場工人增加了工作量，更重要的是增加了出錯的概率，而且它可能對液壓元件的可靠性及壽命產(chǎn)生影響，增加了井控隱患。關(guān)于漏油問題，除加強現(xiàn)場檢查外，可以在井控設(shè)備上安裝遠程控制臺油量監(jiān)測報警裝置，以便及時發(fā)現(xiàn)液壓油泄露。在現(xiàn)行條件下，現(xiàn)場應(yīng)該采取兩害相權(quán)取其輕的做法。當(dāng)然，這僅是筆者的一家之言，難免有所偏頗，也殷切希望國內(nèi)外同行和專家批評指正，通過討論爭鳴，提高認識，達到減少井控安全隱患的目的。

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