防噴器遠(yuǎn)程控制臺(tái)三位四通換向閥手柄位置問題再探討

張桂林

(中石化勝利石油工程技術(shù)有限公司，山東東營(yíng) 257001)

井控設(shè)備是保證井控安全的必備設(shè)備，對(duì)其有效保護(hù)和正確控制是確保井控安全的關(guān)鍵。作為發(fā)生井噴時(shí)關(guān)井、壓井的專用設(shè)備，井控設(shè)備在正常鉆井情況下處于待命狀態(tài)，但在發(fā)生井噴時(shí)應(yīng)能夠快速可靠關(guān)井，這就要求對(duì)井控設(shè)備進(jìn)行有效保護(hù)和正確控制：1) 正常鉆井中，防噴器活塞腔不承受高壓，以保護(hù)活塞密封件；2) 保證關(guān)井一側(cè)的油路系統(tǒng)完好可靠；3) 確保液壓油液量充足、壓力足夠。在保證井控設(shè)備完好的前提下，最核心的問題是始終保持足夠的控制壓力和油量。三位四通換向閥是液壓油路中常用的控制元件，也是石油井控設(shè)備遠(yuǎn)程控制臺(tái)上油路中的核心元件[1-7]，其操作手柄的位置對(duì)于保護(hù)井控設(shè)備、保存油量與保持壓力起關(guān)鍵作用?！妒豌@探技術(shù)》2014年第3期發(fā)表了《井控設(shè)備遠(yuǎn)程控制臺(tái)三位四通換向閥手柄位置探討》一文(以下記為文獻(xiàn)[1])，筆者認(rèn)為該文的觀點(diǎn)值得商榷。為此，筆者對(duì)文獻(xiàn)[1]進(jìn)行了詳細(xì)分析，也對(duì)當(dāng)前的一些不同觀點(diǎn)進(jìn)行了分析、探討，并提出了建議。

1 文獻(xiàn)[1]存在的問題分析

文獻(xiàn)[1]對(duì)防噴器控制裝置及三位四通換向閥的工作原理介紹得比較清楚，但其對(duì)轉(zhuǎn)閥位置的分析及其文章結(jié)論需要進(jìn)一步討論和商榷，特別是其結(jié)束語部分所陳述的“手柄置于工作位優(yōu)于中位、置于中位時(shí)增加了井控隱患”的觀點(diǎn)，筆者難以茍同，現(xiàn)詳細(xì)分析如下。

1.1 三位四通換向閥基本原理

防噴器的控制原理，在井控著作、教材里面介紹頗多且已十分清楚[2-7]，無需過多敘述。實(shí)際上，控制系統(tǒng)最核心的元件是三位四通換向閥。該閥是一種設(shè)計(jì)科學(xué)的控制裝置，在液壓控制機(jī)械中廣泛使用。如在大型吊車等液壓起重機(jī)械中，三位四通換向閥采用O形機(jī)能，通過控制操作桿的前、中、后等不同位置，實(shí)現(xiàn)重物的起升(或起重臂的伸出)、下放(或起重臂的回縮)和懸停(鎖定狀態(tài))，待命位置為中位。我國地面防噴器控制裝置中，三位四通換向閥也采用O形機(jī)能，手柄的3個(gè)位置控制4個(gè)油口的連通與截止，實(shí)現(xiàn)防噴器的開關(guān)和鎖定。這種換向閥的手柄在中位時(shí)，截?cái)嗔松嫌螇毫τ涂?，蓄能器處于壓力保持狀態(tài)，同時(shí)將被控制對(duì)象的進(jìn)油口和回油口關(guān)閉，使被控制對(duì)象處于液壓鎖定狀態(tài)。這樣既保持了蓄能器中的壓力、防止了油量消耗，又鎖定了防噴器、液動(dòng)閥等被控制對(duì)象(防止其活動(dòng))，因此合理的待命位置應(yīng)為中位。這與其他液壓機(jī)械的控制原理完全相同，應(yīng)該得到認(rèn)可。

1.2 手柄位置對(duì)液壓元件可靠性和壽命的影響

文獻(xiàn)[1]對(duì)手柄在不同位置時(shí)對(duì)系統(tǒng)壓力的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析，分析很正確也很到位，由此得出的手柄位于中位時(shí)理論上應(yīng)該存在4個(gè)壓力的說法也不錯(cuò)。但是，進(jìn)而得出的“手柄扳回中位后封閉了打開側(cè)和關(guān)閉側(cè)的油路，在全天溫差大時(shí)將造成被封閉油路中密封件損壞”的結(jié)論，不符合實(shí)際情況。

1.2.1 手柄在中位時(shí)液缸中的壓力問題

2013年7月8日，筆者在勝利油田黃河鉆井管具公司培訓(xùn)基地用FKQ3204G遠(yuǎn)控臺(tái)、 2FZ28-35 防噴器進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)防噴器試驗(yàn)。儲(chǔ)能器壓力20.0 MPa，管匯壓力10.5 MPa，環(huán)境溫度35 ℃，2只量程為16 MPa的壓力表分別用三通連接于防噴器的開啟管線和關(guān)閉管線，以不同速度將手柄從開位、關(guān)位扳至中位并記錄剩余壓力，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 管線壓力測(cè)試數(shù)據(jù)

試驗(yàn)表明,將手柄從開位以極快速度扳回中位時(shí)，管線內(nèi)仍有部分剩余壓力，但操作時(shí)間長(zhǎng)于1 s后，管線內(nèi)的顯示壓力基本降為0。一般來說，鉆井現(xiàn)場(chǎng)人員扳動(dòng)手柄的時(shí)間都長(zhǎng)于1 s，開啟、關(guān)閉管線中的壓力應(yīng)該很低。因此，按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作時(shí)間考慮，管線中已經(jīng)基本不存在壓力了。

這只是一個(gè)驗(yàn)證試驗(yàn)，目的是給出一個(gè)明確結(jié)果。實(shí)際上，管線中不帶壓的道理十分簡(jiǎn)單。液體是基本不可壓縮的，微小的體積改變即可使壓力產(chǎn)生很大變化。在三位四通換向閥的手柄由關(guān)位或開位扳向中位過程中，閥盤孔口相對(duì)閥座孔口發(fā)生位移，當(dāng)閥盤孔口一部分已移離閥座孔口，而另一部分卻仍與閥座孔口相通時(shí)，與閥座油口相連管路里的油就繞經(jīng)閥盤孔口溢流回油箱，導(dǎo)致管路里的油壓迅速降低。這就是閘板防噴器在關(guān)井、手動(dòng)鎖緊后，只需將三位四通換向閥手柄扳至中位，就可使液控管路壓力油泄壓的緣故[2-4]。同理，將手柄從開位扳至中位過程中，開啟腔內(nèi)的壓力也已經(jīng)釋放。三位四通換向閥的工作原理如圖1所示(圖1中，A,B為接入油缸的通油口；P，O分別為進(jìn)油口和回油口)。如果文獻(xiàn)[1]作者不認(rèn)可這個(gè)結(jié)果，可以拆解三位四通換向閥進(jìn)行分析，并做一次試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2.2 溫差對(duì)管線與設(shè)備壽命的影響問題

理論和試驗(yàn)證明了手柄在中位時(shí)管線中基本不存在壓力，也就不存在文獻(xiàn)[1]所說的溫差影響問題。三位四通換向閥性能可靠、經(jīng)久耐用、很少出現(xiàn)故障。使用中如果出現(xiàn)問題，現(xiàn)場(chǎng)拆裝檢修也很方便[4]。因閥心密封面是金屬磨光面，閥座口是硬質(zhì)合金磨光面，二者密封十分可靠。不論手柄在中位還是在開位，對(duì)其性能和壽命基本沒有影響，不存在膨脹損壞問題?，F(xiàn)在使用的液控管線是三層鋼纏高壓橡膠軟管，彈性較大，可靠性很高，微小的膨脹對(duì)管線沒有任何影響，也不存在所謂的膨脹損壞問題。防噴器液缸活塞兩端基本不存在壓力和壓差，對(duì)密封圈保護(hù)最為有利。并且現(xiàn)在使用的液壓油屬專用液壓油(一般為32號(hào)低凝抗磨液壓油)，熱膨脹系數(shù)很低，在液控管線系統(tǒng)中的膨脹量很小。因此，在管線中已經(jīng)不存在高壓的情況下，液壓油微小的體積膨脹或收縮對(duì)設(shè)備的影響是可以忽略不計(jì)的。

圖1 三位四通換向閥工作原理Fig.1 Principle of the three-position four-way directional control valve

相反，如果按文獻(xiàn)[1]將手柄置于工作位，防噴器開啟側(cè)與關(guān)閉側(cè)將長(zhǎng)期存在8.5～10.5 MPa的壓差，這就將發(fā)生井噴時(shí)才用的專用關(guān)井設(shè)備——防噴器變成了長(zhǎng)期帶壓設(shè)備，勢(shì)必導(dǎo)致活塞密封圈損傷、管線本體與密封件損傷以及液壓油漏失等問題，且這些都是人為因素造成的。

1.3 其他方面存在的問題

1.3.1 目視化管理問題

目視化管理是近年來現(xiàn)場(chǎng)管理中的一種新提法，目的是通過各種標(biāo)示對(duì)人們進(jìn)行提醒，以提高管理與操作的可靠性。但目視化只具有提示、提醒功能，并沒有實(shí)質(zhì)性、本質(zhì)性內(nèi)涵，其應(yīng)用也是有一定范圍的。在井控操作方面，主要是要靠落實(shí)崗位及其職責(zé)、宣貫標(biāo)準(zhǔn)、落實(shí)制度、加強(qiáng)管理等一系列做法，確保井控安全。遠(yuǎn)程控制臺(tái)的操作崗位一般是副司鉆，其他人員不得操作，這是崗位人員的職責(zé)，不需要靠目視化提醒就能可靠地操作。而且，在正常鉆井中防噴器一定是打開狀態(tài)，不可能在關(guān)閉狀態(tài)下進(jìn)行鉆進(jìn)，不需要目視化、也不需要掛牌就知道一定是打開的。如果靠目視化來提示開關(guān)狀態(tài)問題，那就太教條了。

1.3.2 操作程序問題

對(duì)防噴器與液動(dòng)閥的開關(guān)操作，既可以從遠(yuǎn)程控制臺(tái)扳動(dòng)三位四通換向閥手柄進(jìn)行操作，也可以從司鉆控制臺(tái)通過遙控方式對(duì)遠(yuǎn)程控制臺(tái)三位四通換向閥二位氣缸進(jìn)行操作。司鉆控制臺(tái)上的三位四通氣轉(zhuǎn)閥為Y形機(jī)能，操作后自動(dòng)回中位。遠(yuǎn)程控制臺(tái)三位四通換向閥手柄則有開位、中位和關(guān)位3個(gè)位置，要使其處于中位需手動(dòng)操作。

若直接在遠(yuǎn)程臺(tái)操作，不存在文獻(xiàn)[1]所說的程序復(fù)雜的問題；若通過司鉆臺(tái)遙控操作，就要在其后再手動(dòng)將手柄扳至中位。實(shí)際上這種操作是非常習(xí)慣、非常自然的，這種操作也是為了保護(hù)設(shè)備、保存油量、保持壓力而必須進(jìn)行的，是安全技術(shù)需要，不是增加所謂“程序”的事情。

因此，以上操作既沒有所說的程序繁瑣問題，也沒有“減少了一道操作程序，具有明顯的優(yōu)勢(shì)”和“又需要增加手動(dòng)操作，明顯增加了現(xiàn)場(chǎng)工作量”的問題。而在三位四通換向閥上掛牌標(biāo)示開關(guān)狀態(tài)，才會(huì)增加麻煩、不利于操作、影響設(shè)備整潔。

1.3.3 漏油問題

文獻(xiàn)[1]關(guān)于手柄置于中位有利于保護(hù)油量的觀點(diǎn)是正確的、明確的，但“在現(xiàn)行技術(shù)和設(shè)備條件下，油量監(jiān)測(cè)報(bào)警是很容易實(shí)現(xiàn)的，只要在井控設(shè)備上加裝油量監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置，漏油問題就會(huì)迎刃而解”的說法有問題。這是因?yàn)椋瑢⑹直Ｄ晏幱陂_位，造成了漏油機(jī)會(huì)；然后再加裝監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)漏油造成消耗后再去將手柄扳至中位控制漏油，實(shí)在沒有必要。只要手柄在中位，就不會(huì)發(fā)生這種問題，難道不是從根本上解決問題的最好辦法嗎？

1.3.4 閘板移位問題

三位四通換向閥的手柄位于工作位時(shí)，防噴器閘板不存在反向移位的問題，但在中位時(shí)就有移位問題嗎？可以肯定地說，手柄在中位時(shí)閘板也不存在反向移位問題，因?yàn)橐后w基本不可壓縮，液缸兩端又不存在高壓差，也就沒有大量滲漏，因此不存在液缸移位問題。退一步說，若有壓差又發(fā)生滲漏，由于進(jìn)回油口全部關(guān)閉，這時(shí)壓差將會(huì)迅速減小，移位是微量的，形不成所謂的隱患。

1.3.5 出錯(cuò)概率問題

三位四通換向閥手柄在開位或關(guān)位時(shí)，能保證防噴器、液動(dòng)閥處于相應(yīng)的位置，但帶來了井控的隱患[5-7]。手柄在中位時(shí)也能保證防噴器、液動(dòng)閥處于相應(yīng)的位置，卻消除了上述隱患。文獻(xiàn)[1]所提的出錯(cuò)概率是個(gè)想象中的問題，要是從根本上“采取兩害相權(quán)取其輕的做法”，這個(gè)出錯(cuò)概率的問題也就不是問題了。

另有，在現(xiàn)行國內(nèi)外有效標(biāo)準(zhǔn)中沒有“工作位”的提法，只有“開位、關(guān)位”(國外)、“換向閥轉(zhuǎn)動(dòng)方向與防噴器開關(guān)狀況應(yīng)一致”(SY/T 5964—2006)的提法。“工作位”具體指哪個(gè)位置，應(yīng)該明確指出。還有，“防噴器”不能稱為“封井器”，在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與教材中都稱為防噴器，就是說，井口裝置是用來防噴與壓井的，不是用于封井的。

2 對(duì)其他問題的分析

2.1 國外標(biāo)準(zhǔn)中的問題

在API RP 53—1997和殼牌公司鉆井規(guī)范[8-9]中，都提到鉆井作業(yè)期間防噴器的控制閥應(yīng)處于開位，節(jié)流管線的控制閥應(yīng)處于關(guān)位，并說明這樣做的理由是：1) 可將防噴器液缸鎖定在相應(yīng)位置；2) 可以清晰地顯示防噴器或閥的工作狀態(tài)；3) 能夠監(jiān)測(cè)閥、管線或防噴器的漏失情況。對(duì)于這幾方面的理由，下面依次進(jìn)行分析。

關(guān)于防噴器的鎖定問題前面已經(jīng)講了，手柄在中位能夠?qū)⒎绹娖麈i定在應(yīng)有的狀態(tài)，不再贅述。關(guān)于顯示開關(guān)狀態(tài)問題，也相當(dāng)于目視化問題，前面也已經(jīng)講了。重點(diǎn)是第3個(gè)問題，在開位或關(guān)位時(shí)能夠監(jiān)測(cè)閥、管線或防噴器的漏失：井控工作的前提是保持液控壓力和油量，要緊的是保證關(guān)閉防噴器和打開放噴閥這兩條管線的完好，對(duì)防噴器打開管線、放噴閥關(guān)閉管線長(zhǎng)期監(jiān)控沒有意義。因此，3方面的理由不應(yīng)成為置于開位、關(guān)位的依據(jù)，不必盲從。

正常鉆井作業(yè)時(shí)控制防噴器的手柄置于開位、放噴閥的手柄置于關(guān)位，長(zhǎng)年累月在該狀態(tài)下工作，一旦發(fā)生管線損壞將造成液壓油快速漏失、壓力迅速卸掉，導(dǎo)致無法關(guān)井的嚴(yán)重后果，這一點(diǎn)對(duì)海上鉆井尤為重要。如2010年4月20日墨西哥灣BP公司鉆井平臺(tái)發(fā)生井噴爆炸后，啟用水下機(jī)器人關(guān)井不成功，5套105 MPa閘板防噴器(其中2套為剪切閘板防噴器)和2套70 MPa環(huán)形防噴器共7套防噴器都不能關(guān)閉，5套控制裝置(包括ROV關(guān)井、Deadman功能)失去作用，應(yīng)該是液壓油漏失、蓄能器失去壓力造成的。必須對(duì)這一點(diǎn)有清醒而充分的認(rèn)識(shí)，這也是真正的井控安全隱患所在。

還要清楚，國外標(biāo)準(zhǔn)之所以這樣要求[10]，是因?yàn)閲馊凰耐〒Q向閥一般為Y形機(jī)能，手柄處于中位時(shí)被控制對(duì)象將處于自由活動(dòng)的狀態(tài)。這種機(jī)能手柄在中位時(shí)，打開側(cè)油口與關(guān)閉側(cè)油口均處于放空狀態(tài)，防噴器閘板處于浮動(dòng)狀態(tài)(見圖2)。而國內(nèi)為O形機(jī)能[2-7]，手柄處于中位時(shí)防噴器閘板已經(jīng)處于鎖定狀態(tài)，解決了在中位時(shí)閘板浮動(dòng)的問題(見圖1)。國內(nèi)的做法本來是一種進(jìn)步，但非要追求與國外相同的手柄位置，則是對(duì)其原理研究不夠，或者沒有研究過的表現(xiàn)。

應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，經(jīng)過幾十年的鉆井實(shí)踐，已經(jīng)積累了成功的經(jīng)驗(yàn)，形成了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和科學(xué)合理的做法。對(duì)國外標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該先進(jìn)行分析研究，不能盲從和照搬。

圖2 國外三位四通換向閥原理Fig.2 Principle of the three-position four-way directional control valve used abroad

2.2 有關(guān)防噴器使用手冊(cè)中的問題

北京石油機(jī)械廠的《FKDQ系列地面防噴器控制裝置使用手冊(cè)》介紹了控制裝置的原理，提出了安裝與使用要求。在該手冊(cè)的“使用須知”中提出：在正常鉆進(jìn)情況下，遠(yuǎn)程控制臺(tái)各轉(zhuǎn)閥的手柄位置是，各防噴器處于開位，放噴閥處于關(guān)位，旁通閥處于關(guān)位。該手冊(cè)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)是《鉆井井口控制設(shè)備及分流設(shè)備控制系統(tǒng)規(guī)范》(SY/T 5053.2—2007)，該標(biāo)準(zhǔn)等同采用API Spec 16D(2nd Edition)。但查閱SY/T 5053.2—2007和API Spec 16D(2nd Edition)，均沒有關(guān)于手柄位置的規(guī)定。

對(duì)于控制系統(tǒng)來說，只有將手柄置于中位，才能保護(hù)油量不消耗，保持壓力不降低，關(guān)鍵時(shí)候能關(guān)井。反之，若手柄置于開位，液壓油泄漏、壓力降低后泵啟動(dòng)打壓補(bǔ)充，更加速了油量的消耗，甚至使油箱內(nèi)油量全部耗光，這是井控安全絕對(duì)不允許的。

2.3 閘板防噴器擠扁鉆桿的問題

文獻(xiàn)[11]介紹了某個(gè)鉆井現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生全封閘板將鉆桿擠壓變形的問題，經(jīng)分析得出了“全封閘板防噴器的油缸密封損壞導(dǎo)致”的結(jié)論。這是一個(gè)莫名其妙的問題，乍一看似乎是可能的、甚至是不用懷疑的，但經(jīng)過簡(jiǎn)單分析就知道這是不可能發(fā)生的事情：試想，全封閘板將鉆桿擠壓變形需要多大的力？這個(gè)力一定要由關(guān)閉腔中的液壓力提供，這個(gè)液壓力一定要三位四通換向閥的P口與A口連通提供壓力油才能產(chǎn)生(見圖1)。與此同時(shí)，開啟腔內(nèi)一定是低壓，并且B口與O口一定要連通，液壓油回油箱。只有轉(zhuǎn)閥在關(guān)位時(shí)，才能有這樣的情形。因此，這樣的結(jié)論是不正確的。由此可以說，手柄在中位時(shí)既不存在液缸活塞移動(dòng)的事情，也不會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉擠扁鉆桿的問題。

再分析液動(dòng)閥的手柄位置問題。井控管匯中，有手動(dòng)和液動(dòng)2種平板閥，閥心為平板型，需要浮動(dòng)密封。這種閥開、關(guān)到底后，應(yīng)回轉(zhuǎn)1/4～1/2圈。其開、關(guān)應(yīng)一次性完成，不允許半開半閉[12]。手動(dòng)控制尚且要求進(jìn)行回轉(zhuǎn)操作，液動(dòng)閥因結(jié)構(gòu)原因無法實(shí)現(xiàn)也是沒有辦法。但在這種情況下，關(guān)閉到位后完全可以使手柄回到中位，長(zhǎng)期處于關(guān)位保持液壓連通狀態(tài)則沒有必要。

3 認(rèn)識(shí)與建議

1) 井控設(shè)備是二級(jí)井控的手段和保障，要確保二級(jí)井控安全，就要一切以發(fā)生溢流后及時(shí)關(guān)井、確保井口不失控為前提，就要認(rèn)識(shí)到方法科學(xué)、原理清楚的重要性，做到在現(xiàn)有條件下最大限度地提高設(shè)備性能、延長(zhǎng)設(shè)備壽命、提高井控可靠性。

2) 正常鉆井中，在確保防噴器打開到位、液動(dòng)閥關(guān)閉到位的情況下，遠(yuǎn)程控制臺(tái)各防噴器、液動(dòng)閥的操作手柄應(yīng)置于中位，以利于保護(hù)液壓油量、保持液控壓力、保護(hù)井控管線與防噴器設(shè)備，確保發(fā)現(xiàn)溢流后及時(shí)可靠關(guān)井。

3) 需認(rèn)真研究液壓控制原理與三位四通換向閥工作原理，認(rèn)識(shí)O形機(jī)能與Y形機(jī)能的特點(diǎn)和異同點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)對(duì)國外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究和分析，不能盲目照搬。對(duì)于國內(nèi)具有顯著優(yōu)勢(shì)的做法，不應(yīng)因與國外的不同而改變，這一點(diǎn)十分重要。

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