深水水下防噴器控制系統蓄能器能力分析＊

盛磊祥許亮斌蔣世全劉正禮

(1.中海油研究總院; 2.中海石油(中國)有限公司深圳分公司)

深水水下防噴器控制系統蓄能器能力分析＊

盛磊祥1許亮斌1蔣世全1劉正禮2

(1.中海油研究總院; 2.中海石油(中國)有限公司深圳分公司)

根據蓄能器系統的工作環境和工作狀態,將水下防噴器控制系統蓄能器分為地面蓄能器、水下蓄能器和應急蓄能器等3類,分析了水深對不同蓄能器系統主要參數的影響。提高蓄能器的承壓能力,可以減小控制系統的預壓力,從而減少地面蓄能器的個數,節省平臺空間。不同蓄能器系統主要技術參數隨水深的變化趨勢差異較大,在蓄能器系統控制能力設計與校核時須特別注意。

防噴器 蓄能器系統 控制能力 深水

防噴器是海上鉆完井作業的關鍵裝備[1],1)海洋鉆井手冊編審組.海洋鉆井手冊.1996.,其開關動作由控制系統實現,蓄能器和動力泵是控制系統的驅動動力源,也是控制系統的關鍵設備[2-3]。為了滿足深水油氣田開發的需要,越來越多的鉆井服務商著手升級改造現有的鉆井平臺(船),蓄能器作為防噴器的開關動力源,升級過程中其控制能力的校核和設計的準確性至關重要。與淺水條件下的水下防噴器相比,深水防噴器的蓄能器系統更容易受到海水靜壓力、海底低溫的影響。根據蓄能器系統的工作環境和工作狀態,筆者將防噴器控制系統蓄能器分為地面蓄能器、水下蓄能器和應急蓄能器3類,并依據API16D規范[4]分析了水深對蓄能器系統主要技術參數的影響,研究結果對蓄能器系統控制能力的設計和校核具有參考意義。

1 蓄能器系統控制能力分析方法

蓄能器系統的主要技術參數包括預壓力 p0、蓄能器個數和單個蓄能器有效流體體積,這些參數表征了蓄能器系統的控制能力。

1.1 預壓力p0的計算方法

有效體積比反映的是蓄能器儲備的流體體積與蓄能器容積之比,其大小主要取決于系統各工況條件下對蓄能器壓力的要求,計算公式[4]為

式(1)、(2)中:V E2、V E3分別為蓄能器在控制狀態和全部卸載狀態時的有效體積比;F2、F3為蓄能器在控制狀態、全部卸載狀態時的安全系數;ρ0、ρ1、ρ2為蓄能器在預壓狀態、充壓狀態和控制狀態時的氣體密度。

參照API16D,當V E2=V E3時,對應預壓力p0狀態下的氣體密度為

根據蓄能器系統的工作環境及工作狀態,將防噴器控制系統蓄能器主要分為地面蓄能器、水下蓄能器和應急蓄能器3類。地面蓄能器和水下蓄能器也稱主蓄能器,用于正常作業條件下(如試壓、地漏試驗等)防噴器系統的開關作業,其排液過程可視為氣體等溫膨脹過程;應急蓄能器用于海上緊急情況下的關井或剪切套管作業,并要求快速實現,因此應急蓄能器的排液過程應該視為氣體絕熱膨脹過程。

(1)地面蓄能器 p0的計算方法

根據API16D規范,當控制系統最大承壓能力p1小于34.577MPa時,地面蓄能器氣體狀態的轉換過程可視為理想氣體等溫變化過程,此時氣體的壓力和密度成正比,因此式(1)～(3)可以轉化為與壓力相關的計算式,若 F2和 F3按API16D推薦的安全系數取值,即 F2和 F3分別取1.0和1.5,則式(1)～(3)可變為式(4),由式(4)可求得預壓力 p0。

根據API16D規范推薦,如果求得的p0小于對應水深的海水靜壓力,那么公式(4)中的 V E3= (p0/p3-p0/p1)/1.5,其中 p3為卸載壓力,此時取為海水靜壓力,然后根據V E2=V E3求得 p0。如果最小操作壓力 p2小于海水靜壓力,則 p2取為海水靜壓力。

當 p1>34.577MPa時,API16D推薦安全系數 F2和 F3分別取1.0和1.4,則式(3)變為式(5);該條件下氣體狀態與理想氣體狀態差別較大,可根據蓄能器工作時的環境溫度和壓力參數查NIST[5](美國國家標準技術研究所)標準數據表得到密度ρ1、ρ2,再由式(5)計算得到預壓力狀態下的氣體密度,然后再查NIST表確定預壓力 p0。

(2)水下蓄能器 p0計算方法

水下蓄能器的預壓力計算與地面蓄能器類似,只是計算時需要考慮海水靜壓力的影響,即將所有關于壓力的值都轉化為絕對壓力,其它參數的計算與地面蓄能器相同。

(3)應急蓄能器 p0計算方法

絕熱過程氣體狀態方程[6]為

假設完成應急動作前后蓄能器內氣體狀態參數分別為 p1、p2和 T1、T2,則由式(6)可得

式(6)、(7)中:p、V、T分別表示氣體壓力、體積和溫度;T1為海底泥線附近溫度;T2為完成應急動作后氣體溫度;γ為氮氣的定壓熱容與定體熱容之比,氮氣的定壓熱容 Cp取1.038、定體熱容 CV取0.741,得到γ為1.4。p1和 p2為工況壓力(考慮了靜水壓力 p),由絕熱過程狀態方程可計算得到絕熱膨脹過程的溫度 T2,然后查NIST表[6]分別確定氣體在充壓狀態和控制狀態下的密度ρ1和ρ2,并由式(3)計算預壓力狀態對應的氣體密度ρ0(由于API16D推薦的安全系數 F2、F3均取為1.1,故此時ρ0在數值上等于ρ2),再查NIST表可得到預壓力 p0。

1.2 蓄能器有效流體體積及個數計算方法

出于保守考慮,單個蓄能器有效流體體積可由式(8)計算

式(8)中:FV R表示單個蓄能器有效流體體積;BV表示單個蓄能器的容積。

蓄能器的個數可由式(9)求得

式(9)中:n為蓄能器的個數;V為控制機構所需的有效流量。

2 蓄能器系統控制能力分析

以某深水鉆井船配備的防噴器組為控制對象進行蓄能器系統控制能力分析。節流壓井、液壓控制管匯最大承壓力為68.948MPa,蓄能器承壓力為20.684MPa,井控動力泵額定壓力為20.684MPa;井口最大壓力為 68.948MPa;防噴器關閉比為6.7;節流閥與壓井閥的工作壓力均為10.342MPa,其它參數見表1。

表1 防噴器系統基本參數

2.1 系統最大承壓力 p1和最小操作壓力p2的求取

系統最大承壓力 p1應取節流壓井和液壓控制管匯最大承壓力、蓄能器承壓力、井控動力泵額定壓力的最小值。根據本例已知條件,p1為 20.684 MPa。

系統最小操作壓力 p2應取根據統計防噴器關閉比計算的控制井口的最小工作壓力、分流器閥門工作壓力及其它井控液壓閥工作壓力的最大值。

由井口最大壓力為68.948MPa及防噴器關閉比為 6.7,可得到控制井口的最小工作壓力為10.291MPa,而本例中節流閥和壓井閥的操作壓力均為10.342MPa,故最小操作壓力 p2為 10.342 MPa。

2.2 蓄能器系統主要技術參數計算與分析

2.2.1 地面蓄能器系統

針對防噴器系統控制要求(表1),根據公式(4)、(5)、(8)、(9)計算出了系統承壓能力范圍不同水深所需地面蓄能器系統主要技術參數,并分析了這些參數與 p、p0、p2之間的關系(表2)。

表2 地面蓄能器系統主要技術參數計算結果及其與 p、p0、p2的關系(單個蓄能器容積302.833L)

由表2可以看出,隨著水深的變化,地面蓄能器系統主要技術參數的變化可分為3個階段:水深較小,p(海水靜壓力)p2時,蓄能器個數和預壓力隨著水深的增加而增加,特別是蓄能器個數在1 900m和2 000m大幅增加,而單個蓄能器有效流體體積隨之減小。根據壓力和水深的關系,得到此算例3個階段的臨界水深分別是828m和1 034m。

海上平臺空間資源有限,必須保證空間的利用率。增加蓄能器的容積,僅僅可以減少蓄能器的數量,但是并不能改變系統總體積要求。提高蓄能器的承壓能力可以降低預壓力 p0,水深相同的條件下,預壓力減小,可以減小蓄能器的數量。以2 000m水深為例,如果將壓力 p1(通過提高蓄能器瓶和泵的承壓能力實現)由20.684MPa提高至34.474 MPa,計算發現預壓力 p0可由19.655MPa減小至16.517MPa,蓄能器個數可由232減少至22。這樣就可以大大節省平臺空間。

2.2.2 水下蓄能器系統

與地面蓄能器系統相比,水下蓄能器需要考慮海水的靜壓力。由前所論,當控制系統最大壓力大于34.577MPa,即水深超過1 390m時,水下蓄能器系統主要技術參數根據公式(5)、(9)、(10)計算;當控制系統最大承壓力小于34.577MPa,即水深不超過1 390m時,水下蓄能器參數根據公式(4)、(8)、(9)計算,計算結果見表3。由表3可以看出,隨著水深的增加,水下蓄能器的預壓力增加,單個蓄能器的有效流體體積減小,蓄能器個數增加。

表3 水下蓄能器系統主要技術參數計算結果(單個蓄能器容積151.416L)

對比表2、表3可以看出,水下蓄能器系統蓄能器個數對水深的敏感性遠低于地面蓄能器系統。以水深由1 100m增至2 000m為例,地面蓄能器系統蓄能器個數由21個增加至232個,而水下蓄能器系統僅由10個增加至17個。因此,隨著水深的增加,地面蓄能器系統對平臺空間的需求更明顯。

2.2.3 應急蓄能器系統

由公式(6)～(9),參照NIST氣體狀態參數表,應急蓄能器參數計算結果見表4。

由表4可以看出,隨著水深的增加,蓄能器預壓力增加,蓄能器的有效流體體積和個數呈不明顯的遞減或遞增關系。

表4 應急蓄能器系統主要技術參數計算結果(單個蓄能器容積151.416L)

3 結論

根據蓄能器系統的工作環境和工作狀態,可將水下防噴器控制系統蓄能器分為地面蓄能器、水下蓄能器和應急蓄能器3類,不同蓄能器系統主要技術參數隨水深的變化趨勢差異較大,在蓄能器系統控制能力設計與校核時須特別注意。

提高蓄能器的承壓能力可以減小控制系統的預壓力,從而減少系統地面蓄能器的個數,節省平臺空間。

[1] 王存新,李嗣貴,王增國.深水鉆井水下防噴器組配置選型研究[J].石油礦場機械,2009,38(2):72-75.

[2] 李博,張作龍.深水防噴器組控制系統的發展[J].流體傳動與控制,2008(4):39-41.

[3] 全國石油鉆采設備和工具標準化技術委員會.SY/T5053.2-2001地面防噴器及控制裝置控制裝置[S].北京:石油工業出版社.

[4] API.Specification for control systems for drilling well control equipment and control systems for diverter equipment[S].API 16D,2004.

[5] http:webbook.nist.gov(美國國家標準技術研究院).

[6] 廉樂明.工程熱力學[M].北京:中國建筑工業出版社,2007.

(編輯:孫豐成)

Abstract:According to the working environment and operating status,accumulators are classified in three categories:surface accumulator,subsea accumulator and emergency accumulator.This paper analyzes the influence of water depth on main parameters of the three kinds of accumulators respectively.It is concluded that,to a certain BOP,increasing the pressure rating of accumulator can decrease the pre-pressure of control system so that to reduce the number of surface accumulators and save platform space significantly.The parameters of different accumulators vary evidently with water depth,which must be noted during the design and evaluation of accumulator control capacity.

Key words:BOP;accumulator system;control capacity;deepwater

Capacity analysis on accumulator of deepw ater subsea BOP control system

Sheng Leixiang1Xu Liangbin1Jiang Shiquan1Liu Zhengli2
(1.CNOOC Research Institute,Beijing,100027;
2.Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.Co.,Guangdong,518000)

2009-12-20 改回日期:2010-05-18

＊國家科技重大專項“深水油氣田開發鉆完井工程配套技術”(編號:2008ZX05026-01)部分研究成果。

盛磊祥,男,2008年畢業于中國石油大學(華東)機械設計及理論專業,獲碩士學位,現主要從事深水鉆完井方面的研究工作。地址:北京市東城區東直門外小街6號海油大廈(郵編:100027)。