API Spec 16A第四版防噴器性能要求探討

侯國(guó)慶 王軍

摘 要：美國(guó)石油學(xué)會(huì)2017年發(fā)布了第四版API Spec 16A《鉆通設(shè)備規(guī)范》，較第三版做了很大改動(dòng)，特別是在防噴器剪切試驗(yàn)、密封性能等方面，增加了很多試驗(yàn)項(xiàng)目和要求。本文主要針對(duì)第四版中防噴器性能試驗(yàn)及要求進(jìn)行探討，以起到拋磚引玉的效果。本文基于了有關(guān)防噴器性能試驗(yàn)項(xiàng)目和要求，總結(jié)了防噴器性能要求和試驗(yàn)項(xiàng)目的主要升級(jí)內(nèi)容，探討了增加管柱規(guī)格進(jìn)行試驗(yàn)等防噴器性能試驗(yàn)的可行性和嚴(yán)謹(jǐn)性，指出了防噴器側(cè)向力剪切試驗(yàn)等性能實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需進(jìn)一步完善和優(yōu)化；結(jié)合鉆井作業(yè)工況越來越惡劣，建議增加氣密封等性能試驗(yàn)項(xiàng)目。

關(guān)鍵詞：API Spec 16A，防噴器，剪切，高溫，氣密封，密封性能

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.01.030

Discussion on Blowout Preventer Performance Requirements in the Fourth Edition of API Spec 16A

HOU Guo-qing WANG Jun

（Shanxi Engineering Vocational College）

Abstract： In 2017， the American Petroleum Institute released the fourth edition of API Spec 16A， Drill-through Equipment Specifi cation， which has signifi cant changes compared with the third edition， including additional test items and requirements for BOP shear testing and seal performance requirements. This paper mainly discusses the performance test and requirements of the blowout preventer in fourth edition. The authors study the BOP performance test items and requirements， summarize the major upgraded content of BOP performance requirements and testing project， and discuss the feasibility and preciseness of the blowout preventer performance test， such as adding pipe size specifi cation in the test. It points out that the performance test items such as sideload shear test of BOP need to be further improved， and it suggests adding performance test items such as gas seal， considering the more and more severe drilling conditions.

Keywords： API Spec 16A， BOP， shear， high temperature， gas seal， sealing property

1 引 言

API Spec 16A[1]主要對(duì)鉆井作業(yè)中所用的閘板防噴器、環(huán)形防噴器、液壓連接器、四通、升高短節(jié)、轉(zhuǎn)換法蘭及閘板和閘板膠芯、環(huán)形膠芯等整機(jī)和部件性能、設(shè)計(jì)、材料、試驗(yàn)和檢驗(yàn)、焊接、標(biāo)記、搬運(yùn)、貯存與運(yùn)輸?shù)囊筮M(jìn)行了規(guī)范。在2010年墨西哥灣深水地平線井噴事故后，結(jié)合事故中對(duì)防噴器剪切及關(guān)閉等現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中遇到的實(shí)際問題，美國(guó)石油學(xué)會(huì)對(duì)API Spec 16A第四版進(jìn)行了很大的改進(jìn)，對(duì)防噴器性能提出了更高的要求。第四版增加的部分性能試驗(yàn)內(nèi)容對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用具有很大的指導(dǎo)意義，滿足鉆井作業(yè)越來越惡劣的高溫、高壓等工況要求，但還有部分性能指標(biāo)有待商榷，有些性能指標(biāo)還有待完善。第四版升級(jí)內(nèi)容較多，本文主要就第四版中防噴器性能試驗(yàn)及要求方面的內(nèi)容進(jìn)行探討，以起到拋磚引玉的效果。

2 第四版防噴器性能主要變化內(nèi)容

2.1 增加了產(chǎn)品性能等級(jí)PR1和PR2

第四版將鉆通設(shè)備分為PR1和PR2兩種產(chǎn)品性能（performance requirement）等級(jí)，產(chǎn)品性能等級(jí)僅在防噴器、液壓連接器產(chǎn)品和閘板膠芯、環(huán)形膠芯等部件的相關(guān)試驗(yàn)中進(jìn)行了分類，但四通、轉(zhuǎn)換法蘭、升高短節(jié)以及閘板體等無需進(jìn)行性能等級(jí)驗(yàn)證的產(chǎn)品和部件未區(qū)分產(chǎn)品性能等級(jí)。建議從零部件毛坯狀態(tài)來進(jìn)行區(qū)分，如生產(chǎn)的零件是按照API Spec 20B[2]要求鍛出的毛坯標(biāo)識(shí)為PR2，生產(chǎn)的零件是按照API Spec 20A[3]要求鑄造出的毛坯標(biāo)識(shí)為PR1。從零部件的標(biāo)識(shí)中就可以區(qū)分出零部件為何種毛坯制造，這種標(biāo)識(shí)方法還可以在其他承壓和控壓部件的標(biāo)識(shí)中推廣。

2.2 增加了剪切閘板的測(cè)試要求

PR2性能等級(jí)的剪切閘板主要性能要求包括三次剪切試驗(yàn)、剪切范圍試驗(yàn)、偏心剪切、側(cè)向力剪切四種試驗(yàn)內(nèi)容。三次剪切試驗(yàn)中最后一次剪切試驗(yàn)要求鉆桿下部固定，符合現(xiàn)場(chǎng)鉆桿已被下部管柱閘板關(guān)閉的實(shí)際情況，此項(xiàng)試驗(yàn)內(nèi)容的增加實(shí)屬必要。

剪切范圍試驗(yàn)明確了所試驗(yàn)剪切閘板最大和最小可剪切的鉆桿或線纜的直徑，偏心剪切驗(yàn)證了剪切過程中剪切閘板對(duì)自由狀態(tài)的鉆桿導(dǎo)中并成功進(jìn)行剪切的性能，都對(duì)現(xiàn)場(chǎng)有很大的指導(dǎo)意義。增加的剪切范圍試驗(yàn)可以明確現(xiàn)場(chǎng)情況下多大尺寸的鉆桿可以成功剪切；增加的偏心剪切試驗(yàn)可以證明對(duì)下部未被卡阻的鉆桿可以成功導(dǎo)中剪切。

側(cè)向力剪切試驗(yàn)規(guī)范中未明確施加側(cè)向力的位置，也未明確給出施加位置和不同位置施加側(cè)向力后的換算公式，該項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目符合現(xiàn)場(chǎng)鉆桿卡阻的實(shí)際需要，試驗(yàn)內(nèi)容還有待完善。

2.3 大規(guī)格通徑防噴器PR2性能等級(jí)增加了管柱試驗(yàn)規(guī)格

第四版中通徑476mm及以上規(guī)格閘板防噴器PR2性能等級(jí)試驗(yàn)中除原有的127mm管柱外，又增加了大于等于273mm的一種管柱進(jìn)行試驗(yàn)，環(huán)形防噴器膠芯通徑279mm及以上規(guī)格PR2性能等級(jí)增加為兩種規(guī)格，按膠芯額定密封范圍最大和最小進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。閘板防噴器不同管柱試驗(yàn)具有類比性，實(shí)際上再增加一類管柱進(jìn)行試驗(yàn)有無必要有待商榷。環(huán)形防噴器按額定密封范圍的最大最小試驗(yàn)是兩種極端情況下的試驗(yàn)，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況有些脫節(jié)?，F(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)過程中常用鉆桿尺寸為5in或51/2 in，基本上為上述兩種鉆桿帶動(dòng)不同直徑的鉆頭進(jìn)行作業(yè)，只有在下小于5in的生產(chǎn)套管或大于5in技術(shù)套管或表層套管時(shí)才可能需要密封最大最小范圍的規(guī)格，因此相關(guān)的密封性能實(shí)驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)還是應(yīng)建立在PR1性能等級(jí)上5in鉆桿試驗(yàn)基礎(chǔ)上。而且在生產(chǎn)工藝和配方技術(shù)日益提高的今天，閘板防噴器膠芯疲勞試驗(yàn)由第三版的78個(gè)壓力循環(huán)降為PR2性能等的52個(gè)壓力循環(huán)，環(huán)形防噴器膠芯疲勞試驗(yàn)由第三版的78個(gè)壓力循環(huán)降為PR2性能等級(jí)的26個(gè)壓力循環(huán)，PR1性能等級(jí)的疲勞試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)僅為可報(bào)告，有報(bào)告即可，作為膠芯疲勞試驗(yàn)的重要指標(biāo)，不升反降，疲勞試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)有待商榷。

2.4 閘板防噴器膠芯PR2密封性能實(shí)驗(yàn)增加零井壓下和升高井壓下低壓密封所需最小操作壓力試驗(yàn)及井壓助封實(shí)驗(yàn)

零井壓下和升高井壓下低壓密封所需最小操作壓力（Operator Pressure for Low-Pressure Sealing，MOPFLPS）試驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了零井壓及至少五個(gè)等距點(diǎn)壓力值下建立初始密封所需的最小液壓控制壓力，這個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)防噴器液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。防噴器液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要考慮零井壓下的MOPFLPS，還應(yīng)該考慮帶壓關(guān)閉時(shí)所需的MOPFLPS，否則在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，一旦需要帶壓關(guān)閉閘板，液壓控制壓力過低，造成井內(nèi)高壓環(huán)境下初始密封建立不起來。

閘板防噴器具有井壓助封作用，一旦井壓達(dá)到某一壓力值，即使液壓控制壓力降為零，也能起到密封作用。增加的井壓助封試驗(yàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作具有很大的指導(dǎo)意義，在井壓高于某一壓力值后，無須擔(dān)心液壓控制對(duì)防噴器密封的影響。

2.5 防噴器PR2性能等級(jí)溫度驗(yàn)證試驗(yàn)增加了連續(xù)溫度試驗(yàn)

防噴器PR2膠芯溫度驗(yàn)證試驗(yàn)需進(jìn)行低溫試驗(yàn)、連續(xù)工作溫度試驗(yàn)、高溫實(shí)驗(yàn)，其中連續(xù)溫度試驗(yàn)為新版增加試驗(yàn)項(xiàng)目，測(cè)試防噴器膠芯在連續(xù)工作溫度下防噴器開關(guān)和密封性能。目前，防噴器鉆井越來越深，井液返回井口的溫度也越來越高，這項(xiàng)試驗(yàn)的增加有助于提高膠芯在高溫工況下的性能；采用具有較高連續(xù)工作溫度的膠芯，有助于節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)準(zhǔn)備工作時(shí)間，提高鉆井效率。

2.6 增加環(huán)形防噴器膠芯額定密封范圍試驗(yàn)

按API Spec 16A[4]第三版要求，環(huán)形防噴器的密封范圍一般標(biāo)注為從零到防噴器通徑，而實(shí)際上封零時(shí)僅密封一半的額定工作壓力，而且當(dāng)密封到一定尺寸后，膠芯骨架在徑向運(yùn)動(dòng)過程中已卡住管柱，已無繼續(xù)移動(dòng)的空間，大于這個(gè)尺寸的管柱在密封時(shí)，可能會(huì)將管柱卡壞。因此，該試驗(yàn)項(xiàng)目的增加符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，根據(jù)給出的額定密封范圍，可以判斷出大于多大的管柱尺寸時(shí)將不能關(guān)閉環(huán)形防噴器膠芯，以免卡壞管柱。

2.7 其他有變化和新增的主要性能

第四版防噴器及其膠芯的性能的疲勞性能要求降低，閘板防噴器膠芯的起下鉆性能僅要求6.9MPa（1000psi），不再要求進(jìn)行13.8MPa（2000psi）和20.7MPa（3000psi）起下鉆試驗(yàn)，閘板膠芯起下鉆長(zhǎng)度和環(huán)形膠芯過接頭數(shù)量也降低不少。具體變化和新增內(nèi)容可與第四版規(guī)范核對(duì)，不再累述。

3 建議

3.1 PR2產(chǎn)品性能要求涵蓋PR1產(chǎn)品性能要求

防噴器產(chǎn)品性能等級(jí)分為PR1和PR2兩種，試驗(yàn)項(xiàng)目、內(nèi)容和指標(biāo)不盡相同。即使是同樣的性能實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，兩種性能試驗(yàn)要求也不一樣。PR2的性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果替代不了PR1的試驗(yàn)結(jié)果。PR2產(chǎn)品性能要求應(yīng)高于PR1產(chǎn)品性能要求，因此，建議所有符合PR2產(chǎn)品性能等級(jí)的防噴器產(chǎn)品應(yīng)先進(jìn)行PR1的試驗(yàn)，符合PR1產(chǎn)品性能要求后，再在PR1的試驗(yàn)基礎(chǔ)上增加PR2的試驗(yàn)要求，以彌補(bǔ)PR2試驗(yàn)項(xiàng)目中的缺項(xiàng)。

3.2 提高部分產(chǎn)品性能指標(biāo)

部分指標(biāo)在第三版指標(biāo)的基礎(chǔ)上有所下調(diào)，如疲勞試驗(yàn)、承壓起下鉆試驗(yàn)。在產(chǎn)品加工工藝和材料技術(shù)日益提高的今天至少應(yīng)保持指標(biāo)不變，建議將下調(diào)的指標(biāo)至少恢復(fù)到第三版的要求。

3.3 量化部分可報(bào)告指標(biāo)

部分性能試驗(yàn)特別是PR1產(chǎn)品性能實(shí)驗(yàn)中的指標(biāo)為可報(bào)告、可量化的不量化，等同于此類試驗(yàn)可有可無，試驗(yàn)結(jié)果無關(guān)緊要。建議參照第三版對(duì)這些可報(bào)告的指標(biāo)進(jìn)行量化。

3.4 進(jìn)一步完善部分試驗(yàn)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)

側(cè)向力剪切性能試驗(yàn)僅要求剪切閘板總成進(jìn)行剪切試驗(yàn)，未給出施加側(cè)向力的位置或施加位置的換算方法和公式，建議該試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行進(jìn)一步研究，通過距剪切閘板總成剪切不同的位置進(jìn)行剪切試驗(yàn)，總結(jié)出適合現(xiàn)場(chǎng)工況條件要求的施加側(cè)向力的位置距離及不同施加位置之間的換算公式，真正地讓該試驗(yàn)項(xiàng)目符合井噴失控情況下鉆桿卡阻時(shí)剪切鉆桿的實(shí)際工況條件。

3.5 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)需求，優(yōu)化部分試驗(yàn)項(xiàng)目

對(duì)閘板防噴器閘板總成增加管柱試驗(yàn)、環(huán)形防噴器膠芯最大最小范圍等試驗(yàn)項(xiàng)目的可行性再論證，是否有必要。

3.6 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)需求，增加氣密封試驗(yàn)項(xiàng)目

防噴器在天然氣、頁巖氣開采方面應(yīng)用越來越廣泛，防噴器氣密封的要求也越來越高，建議參照GB/T 20174-2019[5]，增加氣密封試驗(yàn)項(xiàng)目要求，并在防噴器整機(jī)標(biāo)識(shí)的基礎(chǔ)上增加標(biāo)識(shí)要求，以區(qū)分氣密封防噴器和非氣密封防噴器。

4 結(jié) 語

本文探討了API Spec 16A第四版防噴器新增的性能要求，分析了部分新增項(xiàng)目的必要性和可行性，總的來說，新版規(guī)范在剪切閘板性能試驗(yàn)方面提出了較高要求，溫度試驗(yàn)和密封性能實(shí)驗(yàn)更貼合現(xiàn)場(chǎng)需求。總結(jié)了有待量化和完善的部分性能試驗(yàn)項(xiàng)目，PR1產(chǎn)品性能等級(jí)要求有點(diǎn)過低，很多試驗(yàn)項(xiàng)目?jī)H要求可報(bào)告，未進(jìn)行量化，不符合防噴器作為一個(gè)預(yù)防井噴重大事故發(fā)生的一種特殊鉆井設(shè)備的要求，因此，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范應(yīng)更加嚴(yán)謹(jǐn)，性能實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)更加完善，可量化的指標(biāo)盡可能的量化。隨著石油勘探開發(fā)作業(yè)越來越深，“三高”作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)越來越高，氣密封、剪切鎧裝電纜、密封高溫井口流體等要求也越來越多，因此，規(guī)范應(yīng)緊跟現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)需求，及時(shí)、合理的增加性能實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為安全高效開發(fā)石油保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)

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[2]API Specification 20B 2nd.Open Die Shaped Forgings for Use in thePetroleum and Natural Gas Industry[S].2020.

[3]API Specification 20A 2nd.Carbon Steel，Alloy Steel，Stainless Steel，and Nickel Base Alloy Castingsfor Use in the Petroleum and Natural Gas Industry[S].2017.

[4]API Specification 16A 3rd.Specification for Drill-through Equipment[S].2004.

[5]石油天然氣鉆采設(shè)備 鉆通設(shè)備：GB/T 20174-2019[S].

作者簡(jiǎn)介

侯國(guó)慶，碩士研究生，正高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ笈c陸地井控裝備研發(fā)、數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。

王軍，碩士研究生，助教，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造、智能軋鋼。

（責(zé)任編輯：張瑞洋）