防噴器控制系統(tǒng)的蓄能器容積計算

吳國輝，許宏奇，張 寧，耿艷東，王衛(wèi)華

（河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘062552）

防噴器控制系統(tǒng)的蓄能器容積計算

吳國輝，許宏奇，張 寧，耿艷東，王衛(wèi)華

（河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘062552）

比較不同方法計算的蓄能器容積和水深對蓄能器容積的影響。使用SY／T 5053.2—2007《鉆井井口控制設(shè)備及分流設(shè)備控制系統(tǒng)規(guī)范》中關(guān)于蓄能器系統(tǒng)的計算方法，結(jié)果表明：蓄能器容積率和已充壓力（密度）與最小操作壓力（密度）的比值正相關(guān)；方法A與方法B計算的容積率與初始條件有關(guān)；隨著水深增加，蓄能器容積率變小；功能液量一定時，蓄能器容積需變大。

防噴器；蓄能器；容積率

防噴器是用于鉆井、試油、修井、完井等作業(yè)過程中關(guān)閉井口，防止井噴事故發(fā)生的安全密封井口裝置。防噴器的開關(guān)動作是由控制系統(tǒng)實現(xiàn)，蓄能器和動力泵是控制系統(tǒng)的驅(qū)動動力源［1-2］。控制系統(tǒng)必須滿足遠(yuǎn)距離、快速、準(zhǔn)確、可靠等要求。根據(jù)《鉆井井口控制設(shè)備及分流設(shè)備控制系統(tǒng)規(guī)范》計算的蓄能器容積是防噴器控制系統(tǒng)的重要參數(shù)。與水上的蓄能器相比，水下蓄能器更容易受到海水靜壓力、海底低溫等因素影響［3］。

1 蓄能器計算方法

對蓄能器的功能要求是能提供足夠的可用液量和壓力來操作井控設(shè)備，并能提供足夠的剩余壓力來保持密封性能。尺寸計算方法只是一個保守的計算準(zhǔn)則，不應(yīng)作為現(xiàn)場使用性能的依據(jù)。蓄能器要求的最小容積設(shè)計系數(shù)，在采用不同的計算方法時其值是不同的。控制系統(tǒng)閥件內(nèi)泄露也作為容積設(shè)計系數(shù)的一部分考慮，不需要單獨考慮［4-5］。

防噴器控制系統(tǒng)的功能液量（FVR）要求等于水上和水下蓄能器組的蓄能器容積（BV）與容積率（VE）的乘積。

只有水上或水下蓄能器的系統(tǒng)中：

同時具有水上（surf）和水下（s m）蓄能器的系統(tǒng)中：

式中：VE為容積率，可用流體體積與蓄能器容積的比值，可根據(jù)設(shè)計條件和計算方法A、B或C得出；VEp是在壓力極限情況下的VE；VEV是在容積極限情況下的VE。

式中：ρ0為預(yù)充壓時氣體密度；ρ1為已充壓的氣體密度；ρ2為最小操作壓力的氣體密度；Fp為壓力極限時容積設(shè)計系數(shù)；FV為容積極限時容積設(shè)計系數(shù)。當(dāng)ρ1和ρ2確定后，VEp是關(guān)于ρ0的增函數(shù)，VEV是關(guān)于ρ0的減函數(shù)，容積率VE的最大值如圖1所示，所以最佳預(yù)充密度：

圖1 壓力極限容積率和容積極限容積率曲線

1.1 理想氣體恒溫排放模型的計算方法A

方法A對于水上防噴器組和水下防噴器組的絕大多數(shù)水上蓄能器組的尺寸確定，該方法計算簡單，且能提供滿意的現(xiàn)場計算結(jié)果。使用適當(dāng)?shù)娜莘e設(shè)計系數(shù)，壓力極限排放時采用容積設(shè)計系數(shù)Fp為1.0，容積極限排放時采用容積設(shè)計系數(shù)FV為1.5，同時也要根據(jù)壓力情況來修正，公認(rèn)的理想絕熱氣體的密度與壓力成正比：

式中：k是常數(shù)；pi是氣體密度為ρi時的氣體壓力；p1為蓄能器已充壓力即系統(tǒng)壓力；p2為最小操作壓力；p0為最佳預(yù)充壓力，p0＝1.0／（1.5／p2－0.5／p1），將p0帶入式（7）或（8）中得到VE＝［1－1／（1.5p1／p2－0.5］／1.5，所以容積率和已充壓力與最小操作壓力的比值正相關(guān)。

1.2 真實氣體恒溫排放模型的計算方法B

方法B的壓力極限排放時采用容積設(shè)計系數(shù)為1.0，容積極限排放時采用容積設(shè)計系數(shù)為1.4。

式中：最佳預(yù)充密度ρ0＝1.0／（1.4／ρ2－0.4／ρ1），將ρ0帶入式（9）或（10）中得到VE＝［1－1／（1.4ρ1／ρ2－0.4）］／1.4，所以容積率和已充壓密度與最小操作壓力密度的比值正相關(guān)。

1.3 真實氣體絕熱排放模型的計算方法C

方法C用于快速卸荷系統(tǒng)蓄能器。快速卸荷蓄能器是指蓄能器在3 min內(nèi)能夠滿足系統(tǒng)功能液量的要求。壓力極限排放時采用容積設(shè)計系數(shù)為1.1，容積極限排放時采用容積設(shè)計系數(shù)為1.1。

式中：最佳預(yù)充密度ρ0＝ρ2，將帶入式（11）或（12）中得到VE＝（1－ρ2／ρ1）／1.1，所以容積率和已充壓密度與最小操作壓力密度的比值正相關(guān)。

恒溫、絕熱環(huán)境下，各壓力的氣體密度數(shù)據(jù)來源于美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）［6］，按表1查詢氮氣（Nitrogen）的等溫特性、等壓特性和等容特性數(shù)據(jù)。

表1 溫度、壓力、密度和熵查詢

2 不同方法計算蓄能器的容積及水深的影響

2.1 方法A與方法B計算蓄能器容積

防噴器控制系統(tǒng)首選壓力為20.7、34.5、51.7和69 MPa［7］。選擇系統(tǒng)壓力為34.5 MPa（5 000 psi），絕對壓力為34.6 MPa（1 015 psi）。對于不同最小操作壓力情況，用方法A和方法B進行水上蓄能器計算，如表2和圖2所示。可見方法A與方法B計算容積率的大小關(guān)系與初始條件有關(guān)。

表2 不同計算方法的蓄能器容積率

圖2 方法A和方法B計算結(jié)果對比

假設(shè)系統(tǒng)壓力為34.5 MPa（5 000 psi），最小操作 壓 力 為10.35 MPa（1 500 psi），海 水 密 度 為1024.8 kg／m3，控制液密度為999.6 kg／m3，氣隙為10 m，用方法B對不同水深的水下蓄能器進行計算，如表3。可見隨著水深增加，容積率變小，功能液量一定時，蓄能器容積需變大。

表3 不同水深蓄能器容積率

續(xù)表3

2.2 方法C計算水下快速卸荷系統(tǒng)蓄能器容積

假設(shè)系統(tǒng)壓力為34.5 MPa（5 000 psi），最小操作壓 力 為20.7 MPa（3 000 psi），海 水 密 度 為102 4.8 kg／m3，控制液密度為999.6 kg／m3，氣隙為10 m，用方法C對不同水深的快速卸荷蓄能器進行計算，如表4。可見隨著水深增加，容積率變小，功能液量一定時，蓄能器容積須變大。

表4 不同水深的快速卸荷蓄能器容積率

3 結(jié)論

1） 蓄能器容積率和已充壓力（密度）與最小操作壓力（密度）的比值正相關(guān)。

2） 方法A與方法B計算容積率的數(shù)值與初始條件有關(guān)。

3） 隨著水深增加，容積率變小，功能液量一定時，蓄能器容積需變大。

4） 以后可以進一步研究環(huán)境溫度、預(yù)充介質(zhì)對于蓄能器最佳預(yù)充壓和容積率的影響；蓄能器排放液壓液的動態(tài)過程；真實氣體壓力、體積（密度）和溫度的關(guān)系等。

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

［2］ 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.

［3］ 盛磊祥，許亮斌，蔣世全，等.深水水下防噴器控制系統(tǒng)蓄能 器 能 力 分 析 ［J］.中 國 海 上 油 氣，2010（5）：326-329.

［4］ SY／T 5053.2—2007，鉆井井口控制設(shè)備及分流設(shè)備控制系統(tǒng)規(guī)范［S］.

［5］ API16D，Specification f or control systems for drilling well control equip ment and control systems f or diverter equip ment［S］.2004.

［6］ Ther mophysical Properties of fluid Systems［EB／OL］.（2011-08-31）［2013-12-10］.http／／webbook.nist.gov.

［7］ U-CR-005，Norsok standard common requirements.Subsea production control systems［S］.1995.

Capacity Calculation on Accumulator of BOP Control System

WU Guo-hui，XU Hong-qi，ZHANG Ning，GENG Yan-dong，WANG Wei-hua
（Rongsheng Machiner y Manuf acture Lt d.of Huabei Oil f iel d，Renqiu 062552，China）

Co mparison is made f or diff erent met hods of calculating t he size of t he accu mulator volu me and effects on water depth on the accu mulator volu me.API.16D Specif ication f or Control Systems f or Drilling Well Control Equip ment and Control Systems f or Driver Equip ment about accu mulator system calculation method is used.The calculation results show that accu mulator vol u metric capacity and t he ratio of char ged pressure（density）and mini mu m operating pressure（density）are positively correlated，and method Aand method Bto calculate volumetric capacity are associated with initial conditions.As the water depth increases，the volumetric capacity becomes smaller.When the functional volume requirements are constant，the accumulator volume becomes larger.

BOP；accu mulator；vol u metric capacit y

TE921.502

A

2013-12-16

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）“深水防噴器組及控制系統(tǒng)工程化研制”（2013 AA09 A220）

吳國輝（1982-），男，回族，河北廊坊人，工程師，碩士，2009年畢業(yè)于燕山大學(xué)，現(xiàn)從事石油機械控制系統(tǒng)方面的研究工作，E-mail：mnbxhui＠163.com。