防噴器控制裝置用蓄能器的液量計(jì)算的優(yōu)化

(北京石油機(jī)械有限公司，北京 102206)

引言

防噴器控制裝置是控制防噴器的關(guān)鍵設(shè)備[1]，主要作用是儲(chǔ)備高壓液壓油并在緊急情況下關(guān)閉防噴器。防噴器控制裝置由蓄能器組、動(dòng)力泵組、油箱、底座、調(diào)壓閥管路、環(huán)形轉(zhuǎn)閥管路、閘板轉(zhuǎn)閥管路等組成。緊急情況下關(guān)閉防噴器的動(dòng)力源主要來(lái)自蓄能器內(nèi)存儲(chǔ)的動(dòng)力液，蓄能器的液量容積直接決定是否能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)關(guān)閉防噴器，同時(shí)也是防噴器控制裝置的油箱、動(dòng)力泵組設(shè)計(jì)的重要因素，因此蓄能器的液量容積的計(jì)算十分重要。

防噴器控制裝置在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)蓄能器內(nèi)存儲(chǔ)的高壓液壓油實(shí)際排放量與理論計(jì)算值相差較大，不利于實(shí)際操作控制防噴器，針對(duì)此弊端，對(duì)蓄能器的液量采用優(yōu)化計(jì)算，解決此問(wèn)題。

1 蓄能器工作原理

防噴器控制裝置的蓄能器一般采用皮囊式蓄能器，預(yù)充惰性氣體，利用壓縮氣體來(lái)存儲(chǔ)高壓液壓油。蓄能器有以下4種狀態(tài)[2]：

(1) 預(yù)充壓狀態(tài)p0，蓄能器在初始?jí)毫铜h(huán)境溫度下預(yù)充一定壓力的惰性氣體，此時(shí)蓄能器尚未充入液壓油；

(2) 已充壓狀態(tài)p1，蓄能器內(nèi)充入額定工作壓力的液壓油；

(3) 最小操作壓力狀態(tài)p2，蓄能器排放部分液壓油關(guān)閉防噴器并保持密封狀態(tài)下的壓力；

(4) 全部排放狀態(tài)p3，蓄能器排放所有液壓油。

以地面防噴器控制裝置為例，額定工作壓力一般為21 MPa，防噴器控制裝置在正常工作狀態(tài)時(shí)，蓄能器處于已充壓狀態(tài)p1，當(dāng)防噴器控制裝置關(guān)閉防噴器組之后蓄能器處于最小操作壓力狀態(tài)p2。蓄能器從已充壓狀態(tài)p1到最小操作壓力狀態(tài)p2排出的動(dòng)力液為蓄能器的可用液量。

2 蓄能器液量容積計(jì)算要求

防噴器控制裝置的功能為提供足夠的可用液量來(lái)打開或關(guān)閉防噴器組及其他設(shè)備，并保持密封狀態(tài)。示例如下：

防噴器組配備為1個(gè)環(huán)形防噴器、1個(gè)單閘板防噴器、1個(gè)雙閘板防噴器和1個(gè)鉆井四通，蓄能器的可用液量要求能滿足關(guān)閉1個(gè)環(huán)形和所有閘板并打開一側(cè)的放噴閥，即蓄能器在已充壓狀態(tài)p1到最小操作壓力狀態(tài)p2過(guò)程中排放出的所有液量滿足操作上述防噴器組的所需全部液量，且排放后的壓力p2不小于上述環(huán)形、閘板、雙閘板防噴器保持關(guān)閉的所需壓力[3]。

對(duì)蓄能器容積的兩個(gè)要求：一是可用容積大于防噴器組所需的總?cè)莘e；二是在滿足容積要求的前提下，關(guān)閉防噴器之后剩余壓力應(yīng)不小于防噴器組的最小操作壓力。

3 國(guó)外計(jì)算方式

從現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際井控操作來(lái)看，根據(jù)理想氣體計(jì)算出來(lái)的蓄能器可用液量與實(shí)際所需液量差異較大，國(guó)外多家公司根據(jù)自己的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。具體的計(jì)算優(yōu)化方式主要是兩種。

1) 增大蓄能器的容積

如：鉆井和修井井控手冊(cè)[4]，將計(jì)算出的蓄能器的容積乘系數(shù)1.5；部分沙特地區(qū)要求蓄能器的容積滿足關(guān)閉并打開所有防噴器組，然后再關(guān)閉環(huán)形防噴器，兩者均是增大蓄能器可用液量以消除計(jì)算方法的誤差。

2) 提高蓄能器的最小操作壓力

蓄能器的最小操作壓力p2應(yīng)不小于防噴器的最小操作壓力，國(guó)外公司根據(jù)實(shí)際井控經(jīng)驗(yàn)對(duì)蓄能器的最小操作壓力提出新的要求。如井控手冊(cè)[5]，對(duì)蓄能器的最小操作壓力要求為閘板最小操作壓力加最小密封壓力。

鉆井，完井和修井操作的壓力控制手冊(cè)[6]對(duì)蓄能器的容積計(jì)算不僅僅嚴(yán)格要求蓄能器最小操作壓力為最小操作壓力加最小密封壓力，同時(shí)要求對(duì)此最小操作壓力使用剪切壓力進(jìn)行核算，兩者取最大值。

這兩種方法是通過(guò)提高蓄能器的最小操作壓力來(lái)減少計(jì)算方法的誤差，以滿足實(shí)際操作需求。

提高蓄能器的最小操作壓力的計(jì)算方式最為復(fù)雜和嚴(yán)謹(jǐn)，不僅考慮閘板的最小操作壓力須加上最小密封壓力，并且要求核算此最小操作壓力是否滿足剪切閘板的最小操作壓力。根據(jù)井控操作要求：

使用剪切閘板防噴器時(shí)，先關(guān)閉剪切閘板防噴器上的環(huán)形防噴器，然后打開放噴管線閘閥泄壓，打開剪切閘板防噴器上面和下面的半封閘板防噴器，打開防噴器遠(yuǎn)程控制臺(tái)儲(chǔ)能器旁通閥，關(guān)閉剪切閘板防噴器，直到剪斷井內(nèi)鉆具/油管，關(guān)閉全封閘板防噴器，控制井口[7]。

剪切閘板因其特殊性和重要性作為最后一道安全屏障需要剪斷井內(nèi)鉆具/油管[8]，需要防噴器控制裝置在操作剪切之后，剩余壓力大于剪切的最小操作壓力方能保證剪斷鉆具/油管，且保證剪切之后能封住剪切閘板，方能手動(dòng)鎖緊閘板，控制井口。提高蓄能器的最小操作壓力計(jì)算要求是更符合現(xiàn)場(chǎng)井控操作實(shí)際要求的。

4 優(yōu)化計(jì)算

上述的計(jì)算方式都是從實(shí)際井控需求角度對(duì)蓄能器容積做出修正，從而使蓄能器容積更加符合實(shí)際需求，但是上述國(guó)外的計(jì)算方式都是按照等溫過(guò)程來(lái)計(jì)算的，沒(méi)有考慮計(jì)算方式的差異對(duì)蓄能器容積造成的影響。若從防噴器控制裝置的實(shí)際使用過(guò)程中來(lái)分析，蓄能器充壓的過(guò)程與排放過(guò)程截然不同，應(yīng)該考慮計(jì)算方法對(duì)不同過(guò)程造成的差異。

因此需要從充壓、排放、溫度影響三個(gè)方面對(duì)蓄能器的液量計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化分析。

4.1 充壓過(guò)程

防噴器控制裝置的充壓過(guò)程是指蓄能器從預(yù)充壓力到額定壓力的過(guò)程，防噴器控制裝置的泵組在15 min 內(nèi)將蓄能器從預(yù)充壓力升至額定壓力，蓄能器充壓的過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)容積大可以考慮為等溫過(guò)程。

4.2 排放過(guò)程

防噴器控制裝置的排放過(guò)程是指蓄能器從額定壓力到最小操作壓力的過(guò)程，而且蓄能器的輸出壓力和排油體積存在一定的關(guān)系[9]，不能簡(jiǎn)單按照等溫過(guò)程來(lái)計(jì)算，考慮排放過(guò)程是一個(gè)短時(shí)間內(nèi)(最長(zhǎng)1 min)排放大量液壓油的過(guò)程，按照絕熱過(guò)程來(lái)考慮更加適合實(shí)際需求。

根據(jù)蓄能器容積計(jì)算公式(選自機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè))：

(1)

式中,VR為蓄能器總?cè)莘e;V0為蓄能器壓力降低到最小操作壓力時(shí)的容積；n為指數(shù)；p0，p1，p2為蓄能器不同狀態(tài)下的壓力。

對(duì)于理想氣體，等溫過(guò)程，n=1；絕熱過(guò)程，n=1.4；即蓄能器充壓過(guò)程指數(shù)n=1，蓄能器排放過(guò)程中指數(shù)n=1.4。

理想氣體狀態(tài)方程只是在低壓下才能反映實(shí)際氣體的性質(zhì)，隨著氣體壓力的增加兩者的偏離越來(lái)越大[10]。以40 L蓄能器為例，等溫過(guò)程中計(jì)算的可用容積為20 L，絕熱過(guò)程中計(jì)算的可用容積為16.86 L，相差近8%，而防噴器控制裝置使用的蓄能器容量都較大，以800 L為例，差別達(dá)60 L，足可以關(guān)閉1個(gè)FH35-70型號(hào)的閘板防噴器，因此在計(jì)算蓄能器容積時(shí)應(yīng)該按照排放時(shí)的絕熱過(guò)程來(lái)計(jì)算，才能更滿足實(shí)際使用要求。

4.3 溫度等其他因素影響

蓄能器內(nèi)的液壓油在排放過(guò)程中受到摩擦力、溫度、壓力等影響，排放是一個(gè)多變的過(guò)程，實(shí)際排放量會(huì)小于理論計(jì)算值。蓄能器排放過(guò)程中氣囊內(nèi)的壓縮氮?dú)饨^熱膨脹，實(shí)際氮?dú)獾慕^熱指數(shù)n(即k=Cp/Cv)與溫度T和壓強(qiáng)p有關(guān)，容積絕熱指數(shù)隨溫度的升高而降低，隨壓力的增加而增加，因此計(jì)算時(shí)不能簡(jiǎn)單的以理想氮?dú)獾慕^熱指數(shù)n=1.4來(lái)計(jì)算，而根據(jù)RKS狀態(tài)方程、范德瓦耳斯方程等計(jì)算，或者根據(jù)AMESim仿真計(jì)算，都是通過(guò)計(jì)算方法得到氣體的絕熱指數(shù)，計(jì)算方法較為復(fù)雜且仿真計(jì)算時(shí)條件參數(shù)輸入要求比較嚴(yán)格[11-12]，例如要求輸入蓄能器的排放體積和排放時(shí)間，這些數(shù)據(jù)都是需要經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，不適用于防噴器控制裝置的蓄能器容積計(jì)算。防噴器組的配備需要根據(jù)鉆井現(xiàn)場(chǎng)的井底壓力等情況進(jìn)行配備，組合多變，不利于優(yōu)化計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)用戶的使用推廣。因此需要用簡(jiǎn)便且精確的方法來(lái)計(jì)算，本研究參考NIST的數(shù)據(jù)進(jìn)而得到實(shí)際絕熱指數(shù)，方便實(shí)際計(jì)算。從表1的數(shù)據(jù)可以看出蓄能器內(nèi)氮?dú)獾慕^熱指數(shù)隨著溫度上升而下降，隨著壓力上升而升高，符合絕熱指數(shù)的特性，由于防噴器控制裝置所處的地理環(huán)境不同，溫度差異較大，且季節(jié)不同帶來(lái)的影響較大，因此應(yīng)該以低溫計(jì)算且取額定壓力下的指數(shù)計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確。

表1 NIST氮?dú)鈹?shù)據(jù)

4.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證此試驗(yàn)方法是否正確而進(jìn)行蓄能器實(shí)際排油量驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容如下：取不同容積的蓄能器，在室溫20 ℃下從額定壓力21 MPa降為最小操作壓力8.4 MPa，得到蓄能器的實(shí)際排量。同時(shí)根據(jù)表1選取額定壓力下的絕熱指數(shù)n=1.6899，代入式(1)中得到VR=0.3，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表2。

優(yōu)化計(jì)算值與實(shí)際排放值非常接近，因此，選用此計(jì)算方式來(lái)計(jì)算蓄能器在不同溫度下的實(shí)際排放值的準(zhǔn)確率較高，更好的滿足實(shí)際關(guān)井時(shí)關(guān)井容積的需求。

5 結(jié)論

(1) 對(duì)蓄能器容積的優(yōu)化計(jì)算結(jié)合實(shí)際氣體狀態(tài)、溫度和壓力等因素的考慮，計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際數(shù)值，滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用需求；

表2 實(shí)際排量與優(yōu)化計(jì)算值

(2) 提供的計(jì)算方式可以作為其他工程選型蓄能器容積計(jì)算的參考。