防噴器地下試壓系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)研究

楊利強

（1．長江大學石油工程學院，湖北 荊州 434023；2．勝利石油管理局渤海鉆井總公司，山東 東營 257200）

防噴器地下試壓系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)研究

楊利強1，2

（1．長江大學石油工程學院，湖北 荊州 434023；2．勝利石油管理局渤海鉆井總公司，山東 東營 257200）

國內(nèi)在井控裝備生產(chǎn)車間對防噴器的試壓檢測仍然采用地面試壓方式，安全風險大，檢測效率低，不符合井控安全和HSE管理的要求。為進一步保證設(shè)備和人員的安全，設(shè)計了防噴器地下試壓系統(tǒng)，并對地下試壓相關(guān)應(yīng)用技術(shù)和工具進行了研究。設(shè)計的防噴器地下試壓系統(tǒng)大幅提高了防噴器試壓檢測的安全性和檢測效率，改善了車間環(huán)境。與地面試壓檢測相比，防噴器地下試壓系統(tǒng)安全、高效、便捷、環(huán)保，必然會成為以后井控設(shè)備試壓檢測技術(shù)發(fā)展的方向。

防噴器；地下試壓；檢測；液控系統(tǒng)；設(shè)計；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試驗。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。隨著防噴器壓力級別的提高，現(xiàn)有的地面試壓檢測方式已經(jīng)越來越不符合安全和環(huán)保方面的要求，存在很大的安全風險。如何提高防噴器在井控車間試壓檢測的安全系數(shù)，不僅對試壓設(shè)備提出了更高要求，也對試壓環(huán)境的安全系數(shù)提出了更高要求。

據(jù)了解，國外著名的井控設(shè)備制造和供應(yīng)商（例如CAMERON、HYDRIL、SHAFER等公司）對防噴器的試壓檢測多采用地下試壓方式，檢測手段齊全，已經(jīng)形成一套完整的防噴器地下試壓檢測和配套技術(shù)。除能實現(xiàn)防噴器各種性能檢測外，還可以檢測氣密封等性能，滿足氣井、超高壓、高含硫等特殊工藝井開發(fā)時對防噴器的技術(shù)需求。該系統(tǒng)在滿足防噴器試壓檢測安全要求的同時，能限制噪聲擴散并保護環(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性。

我國在防噴器地下試壓技術(shù)方面還處于研究和探索階段，國內(nèi)大多數(shù)井控設(shè)備制造企業(yè)和維修單位對防噴器的試壓檢測仍然采用地面試壓，不僅噪聲大，工作環(huán)境差，最重要的是地面防護設(shè)施強度與防噴器的試驗檢測壓力不能匹配。在防噴器地面試壓檢測過程中，人和試壓設(shè)備均處于不安全狀態(tài)，安全風險巨大。因此，采用地下試壓方式，設(shè)計防噴器地下試壓系統(tǒng)，研究解決地下試壓相關(guān)技術(shù)，進一步解決防噴器試壓安全問題，提高試壓檢測效率，是井控設(shè)備試壓檢測技術(shù)發(fā)展的方向。

1 地下試壓系統(tǒng)設(shè)計

1．1 地下試壓區(qū)

1．1．1 結(jié)構(gòu)與布局

從防噴器檢測、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，仔細研究在生產(chǎn)和檢測過程中各種設(shè)備的功能，避免弧線干擾和造成過多空間浪費，方便施工。設(shè)計的地下試壓區(qū)平面圖如圖1所示。

圖1 地下試壓區(qū)布局

設(shè)計的地下試壓區(qū)長13 m，寬7 m，深5 m，分為2個區(qū)，可承受重力500 k N，可滿足2臺防噴器同時試壓要求，也滿足防噴器聯(lián)體試壓和氣密封試壓檢測等要求。試壓區(qū)設(shè)計有長7 m、寬2．5 m、厚4 cm的防護鋼板，可以沿試壓區(qū)頂部墻面左右移動，防止試壓檢測時試壓管柱飛出造成傷害，保護試壓區(qū)頂部安全。

1．1．2 安全性校核

按最高壓力140 MPa設(shè)計，當防噴器發(fā)生泄漏后，可簡化為單噴嘴射流模型。假設(shè)泄漏處為1個噴嘴，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（防噴器殼體與防護墻的最小距離）L＝1．5 m。

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

圖2 射流軸線速度分布

1．2 試壓控制與檢測系統(tǒng)

為了實現(xiàn)整個防噴器試壓檢測過程安全、智能、高效的目標，設(shè)計了試壓控制與檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由液控系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與自動控制系統(tǒng)、監(jiān)測系統(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） 試壓控制與檢測系統(tǒng) 主要實現(xiàn)試驗壓力的自動采集、監(jiān)測結(jié)果輸入和過程控制，實現(xiàn)試驗檢測過程的自動化。

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) 由液動泵或氣動泵組成，實現(xiàn)防噴器試壓壓力的提供和補償。

4） 監(jiān)測系統(tǒng) 主要實現(xiàn)對試壓區(qū)和試壓過程的監(jiān)控。

5） 輔助系統(tǒng) 主要實現(xiàn)試壓區(qū)頂部護板的移動、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)都是在廠房內(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)研究計算采用逐層下降的方法，邊下挖、邊下沉、邊澆注，這樣既保護了老廠房地基，防止地層坍塌造成危險，又保證了地下試壓區(qū)的施工質(zhì)量。

2．2 試壓控制與檢測系統(tǒng)的開發(fā)

在試壓控制與檢測系統(tǒng)設(shè)計要求的基礎(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。控制系統(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［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，操作簡單。

2） 實現(xiàn)了整個試壓過程的全自動操作，自動化程度高。

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

4） 精度高，檢測靈敏度0．01 MPa，滿足防噴器低壓試壓檢測要求。

5） 檢測壓力高，可以滿足140 MPa及以下防噴器的壓力檢測要求。

6） 可輸入功能強大，穩(wěn)壓時間、預(yù)置壓力、報警壓力等參數(shù)都可以修改，可以滿足各種工況的防噴器壓力檢測要求。

7） 可按時間及編號自動保存試壓結(jié)果和曲線，具備完整的檢測結(jié)果打印功能，查詢和可追溯功能強大。

8） 具有較強的抗工業(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，國內(nèi)還沒有專門用于維修試壓檢測的防噴器控制裝置，只能用鉆井現(xiàn)場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內(nèi)，對周圍施工人員構(gòu)成安全威脅。

2） 控制裝置電機啟動工作時噪聲巨大，嚴重破壞車間環(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需要不同等級壓力源的要求。

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

6） 無備用電機和柱塞泵，部件損壞容易影響整個試壓檢測工作。

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、油箱、蓄能器等高壓力油制備、儲存部分轉(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險，也消除了控制裝置電機啟動產(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套獨立的減壓輸出系統(tǒng)，不但可以輸出不同壓力級別的高壓源，而且互不影響，大幅提高了工作效率；同時增加蓄能器數(shù)量，每個蓄能器下部安裝高壓球閥和泄壓閥，增強儲壓量的同時方便維修。

3） 把原來的單電機、油泵改為雙電機、雙油泵，在提高效率的同時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檢測工作。

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

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)控采用移動式全方位視頻監(jiān)控系統(tǒng)。鏡頭能夠10倍光學變焦，能夠局部放大影像，在保證對防噴器和地下試壓區(qū)監(jiān)控的同時，也實現(xiàn)了對試壓泵、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部位，所有監(jiān)控信號全部集中傳輸?shù)奖O(jiān)控室，試壓操作員可通過試壓控制與檢測系統(tǒng)調(diào)節(jié)攝像頭位置，方便其了解整個試壓過程，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壽老人幾乎個個都步履穩(wěn)健、行走如風。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，先順時針方向旋轉(zhuǎn)30次左右，再逆時針旋轉(zhuǎn)30次；慢跑、快走、游泳等有氧運動也是不錯的鍛煉方法。

防噴器試壓時，需要液壓卡箍推動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)型號不同，在試壓檢測不同規(guī)格防噴器時，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［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)計增加了自動對中引導斜面，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，可大幅提高環(huán)形防噴器試壓檢測的安全性。

2） 高壓進水口與泄壓口分開，同時將泄壓口提高到導向斜面上，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2種不同級別的防噴器，避免了盲板頻繁更換，提高了效率；同時在密封墊環(huán)底部增加了1道O形密封，在大幅提高密封性能的同時，減少了對盲板的磨損，可延長盲板的使用壽命［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液動平板閥。該平板閥液控腔體大，反應(yīng)速度慢，開關(guān)過程對壓力值的影響很大，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：

1） 密封性能更好，壓力級別高。

2） 質(zhì)量僅65 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，為了使整個防噴器地下試壓系統(tǒng)的檢測效率更高，安全、方便，還設(shè)計了氣動試壓裝置——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、運行平穩(wěn)、自動化程度高等優(yōu)點。設(shè)計制作了防噴器試壓防飛管柱，給地下試壓區(qū)頂部護板加裝了自動平移機構(gòu)，這些配套設(shè)施的使用，進一步提高了整個系統(tǒng)的自動化程度和運行效率，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，試壓檢測數(shù)量由原來每天2～3臺提高到現(xiàn)在的每天6～8臺。運行1 a來，已經(jīng)檢測防噴器970臺，全年多檢測防噴器近400臺，創(chuàng)造經(jīng)濟效益近千萬元。在取得良好經(jīng)濟效益的同時，也有效緩解了防噴器試壓檢測的緊張局面，大幅提高了試壓檢測的安全水平。現(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，必然會成為今后井控設(shè)備試壓檢測技術(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工作的安全系數(shù)，改善了井控車間環(huán)境，達到了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)進一步開展防噴器氣密封檢測技術(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壓裂液缸強度及壽命預(yù)測分析［J］．石油礦場機械，2011，40（4）：26-28．

［2］沈伯卿，賈建貞，楊文冉，等．防噴器自動試壓系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用［J］．石油礦場機械，2003，32（6）：62-63．

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

［4］任建，王剛，周強．井控裝置測控系統(tǒng)改進方法研究［J］．石油礦場機械，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)計與改進［J］．液壓與氣動，2006（3）：41-42．

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

［7］戴永壽，雷國江，鄭金吾．液壓防噴器安全試壓裝置監(jiān)控系統(tǒng)［J］．微計算機信息，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．防噴器液壓試壓臺的設(shè)計與計算［J］．石油機械，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］．石油礦場機械，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（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。