應急井控控制裝置氮氣備用系統設計分析

巴魯軍，王曉穎，陳 超，方志猛，郭 晨，何偉紅

應急井控控制裝置氮氣備用系統設計分析

巴魯軍1，王曉穎2，陳 超2，方志猛2，郭 晨2，何偉紅2

（1.勝利石油管局 渤海鉆井管具公司，山東 東營257200；2.北京石油機械廠，北京100083）

氮氣備用系統是井控控制裝置的重要組成部分。當井噴失火、管線破裂等原因造成防噴器控制裝置儲存的高壓液壓油耗盡，主動力和輔助動力泵組都失去動力時，氮氣備用系統能提供應急關井的動力，為防止井噴失控起到至關重要的作用。依據API 16D對氮氣備用系統的概述，分析了氮氣備用系統的原理及其輔助功能，對氮氣瓶的理論可用氣量進行了計算，為氮氣備用系統在鉆井現場應急操作中的合理應用提供依據。

氮氣備用系統；應急關井；防噴器控制裝置

氮氣備用系統是應急井控防噴器組應急操作的重要組成部分［1］，當防噴器控制裝置的蓄能器組存儲的高壓液壓油耗盡，主動力和輔助動力泵組都失去動力的時候，氮氣備用系統將是最后的應急關井動力（即，當防噴器控制裝置沒有可用液量時，高壓氮氣被直接接入到液壓管線，利用高壓氮氣來關閉防噴器）。

1 氮氣備用系統概述

在API SPEC 16D 2nd Edition、SY／T5053.2—2007的5.8.5條款中，對氮氣備用系統作了如下描述：

1） 氮氣備用系統由多個高壓氮氣瓶組成，這些氮氣瓶通過管匯連接在一起，可向控制管匯提供應急的動力。氮氣備用系統通過1個隔離閥和單向閥連接到控制管匯上。如果蓄能器或泵組不能為控制管匯提供動力液，可以用氮氣備用系統為管匯供應高壓氣體以便關閉防噴器。

2） 氮氣備用系統應以上述方式連接到控制管匯中，既要防止氮氣進入到蓄能器管線中又要防止液壓油進入到氮氣備用系統的管線中。氮氣備用系統的管線或控制管匯應帶有允許控制高壓氮氣流量的卸荷閥，以防止高壓氮氣無控制地進入液箱［2-3］。

2 氮氣備用系統工作原理

根據API 16D對氮氣備用系統的定義，設計的氮氣備用系統要滿足API 16D的要求，同時還包括一些輔助功能，其液壓原理如圖1。

圖1 氮氣備用系統液壓原理

其工作原理為：

動力源高壓氮氣瓶中存儲足量的高壓氮氣，當需要應急動力操作氮氣備用系統的時候，關閉防噴器控制裝置上的蓄能器組隔離閥，以防止氮氣進入蓄能器。將旁通閥打開，以防止高壓氮氣經過減壓閥減壓。將所有轉閥置于中位，打開高壓球閥，打開氮氣備用系統上的隔離閥，高壓氮氣通過高壓管線進入到防噴器控制裝置中的控制管匯，可以操作三位四通轉閥，進而推動防噴器動作。

氮氣備用系統中的單向閥用以防止防噴器控制裝置中的液壓油進入到氮氣備用系統的管線中，壓力表顯示高壓氮氣瓶中的氣體壓力。

當操作結束后，關閉隔離閥，緩慢打開備用氮氣源排氣管匯上的氣體排放閥，將控制管匯中的帶壓氣體釋放到大氣中，同時將殘余油液回收到收液桶中。

在操作前，還要打開防噴器控制裝置油箱左右兩側上方的絲堵，增大排氣通道，防止換向操作防噴器時，有高壓氮氣快速回油箱造成油箱箱體破裂。

3 氮氣瓶有效排氣量計算

目前，常規氮氣瓶的公稱工作壓力為15 MPa，試驗壓力為22.5 MPa。而市場銷售的氮氣瓶實際充裝的鋼瓶內壓力在室溫下多為13.5～14.0 MPa左右。

氮氣瓶的容積有10、15、20、40 L等多種規格。氮氣備用系統選用40 L的鋼瓶。

氮氣備用系統的控制對象為防噴器，API RP53中規定：“防噴器的最小操作壓力為在正常工作條件下，由制造廠商規定的能有效關閉／密封閘板或環形防噴器的最小操作壓力。”目前，國內的閘板防噴器的最小操作壓力為8.4 MPa，環形防噴器的最小操作壓力小于閘板防噴器的最小操作壓力。

根據理想氣體恒溫排放公式［4］，有

式中：p1為氮氣瓶中的預充壓力，取13.5 MPa；V1為單個氮氣瓶的容積，取40 L；p2為防噴器的最小操作壓力，取8.4 MPa；V2為最小操作壓力下的氣體體積。

則V2＝13.5×40／8.4＝64.3 L

△V＝V2－V1＝64.3－40＝24.3 L

即1個40 L的氮氣瓶理論上可提供的氮氣操作容量為24.3 L。

在現場使用中，系統長期處于備用狀態，氮氣會有緩慢泄露。根據上述計算公式計算不同壓力下1個40 L的氮氣瓶在理論上可提供的氮氣操作容量（如表1），以便于現場對氮氣瓶的壓力降低能有提防意識。

表1 不同壓力下40 L氮氣瓶理論操作容量

需要注意的是：氮氣備用系統使用的壓力表為1.5級，25 MPa，則壓力表的讀數誤差為25×0.015＝0.375 MPa，在需要補充氮氣時，要將此考慮到。

溫度對于氮氣瓶內的最高充裝壓力是有影響的，GB14194—2005《永久氣體氣瓶充裝規定》中對溫度和15 MPa氮氣瓶的最高充裝壓力規定［5］如表2。

表2 不同溫度下氮氣瓶最高充裝壓力

在有充氮小車或制氮機的維修服務站，補充氮氣時要根據現場的溫度合理充裝氮氣。

4 可用氮氣瓶數量

對于不同的防噴器組及不同用戶的需求，氮氣備用系統要配備不同數量的氮氣瓶，一般為4～8個。

當使用氮氣備用系統時，僅作為一種應急操作，是在防噴器控制裝置的蓄能器組存儲的高壓液壓油耗盡，主動力和輔助動力泵組都失去動力時，氮氣備用系統將是最后的應急關井動力，故不應以防噴器控制裝置中對于蓄能器的容量來要求。

設計時取氮氣瓶的數量為5，則理論可提供的應急動力容量為24.3×5＝121.5 L。

在緊急操作時，應關閉閘板操作，以保證氮氣備用系統的有效動力容量。

需要說明的是：氮氣備用系統中氮氣瓶的預充壓力為13.5 MPa，而對于高壓剪切閘板的最小工作壓力一般為21 MPa，氮氣瓶的壓力不夠，所以氮氣備用系統不能用于剪切閘板。

5 輔助功能

氮氣備用系統還具有為司鉆控制臺提供備用氣源的功能。通過氮氣減壓閥將高壓氮氣轉變為較低壓力，經氣源管線與司鉆控制臺的進氣口連接。當鉆機的空氣壓縮機組失效時，可為司鉆控制臺提供遠程操作所需的氣源壓力，進而實現在司鉆臺遙控關閉防噴器組。

當從司鉆臺操作時，1次操作所引起的司鉆臺氣缸、遠程臺上氣缸、管線的耗氣量大約為0.26 L。則根據恒溫下的理想氣體狀態方程［4］，有

式中：p1為氮氣瓶中的預充壓力，取13.5 MPa；V1為單個氮氣瓶的容積，取40 L；p′2為氣缸的最小操作壓力，取0.65 MPa；V′2為最小操作壓力下的氣體體積。

則：V′2＝13.5×40／0.65＝830.7 L

則1個40 L的氮氣瓶理論可提供為遙控氣缸的氮氣操作容量為790.7 L。790.7／0.26＝3 041，即，可以用此氮氣瓶提供司鉆臺上約3 041次的操作。

氮氣備用系統也可以為蓄能器充氣。用蓄能器充氣管和充氣工具將氣體瓶閥與蓄能器的充氣閥連接起來，可對蓄能器補充氣體。在為蓄能器充氣后，要對氮氣備用系統及時充氣，以保證應急關井操作的壓力。

6 結語

氮氣備用系統作為應急關井設備在鉆井機和修井機上得到了普遍地應用，對于該設備的性能及實際操作防噴器時所能提供的關閉氣體的氣量，還需要通過現場應用來驗證。

［1］ 石油天然氣鉆井井控編寫組.石油天然氣鉆井井控（中國石油員工培訓系列教材）［M］.北京：石油工業出版社，2008.

［2］ API SPEC 16D 2nd Edition，Specification for control systems for drilling well control equipment and control systems for diverter equipment［S］.

［3］ SY／T5053.2—2007，鉆井井口控制設備及分流設備控制系統規范［S］.

［4］ 成大先.機械設計手冊：第四卷［K］.4版.北京：化學工業出版社，2002.

［5］ GB14194—2005，永久氣體氣瓶充裝規定［S］.

Emergency Control Equipment for Well Control-Nitrogen Backup Systems Design and Analysis

BA Lu-jun1，WANG Xiao-ying2，CHEN Chao2，FANG Zhi-meng2，GUO Chen2，HE Wei-hong2
（1.Bohai Drilling Tubular and Tools Company，Shengli Petroleum Administration Bureau，Dongying 257200，China；2.Beijing Petroleum Machinery Co.，Beijing 100083，China）

The nitrogen backup system is a very important part of emergency operation to control wellhead blowout preventer（BOP）group.When the high-pressure hydraulic oil stored in accumulators of BOP control system depleted，and the active force and the auxiliary power pump group lost power，the nitrogen backup system becomes the final emergency shut-in power.According to the overview of API 16D on nitrogen backup system，the principle of nitrogen backup system was analyzed，and the nitrogen available volumes was calculated theoretically，and the auxiliary function of nitrogen standby system was described.In conclusion，this paper provided the basis on reasonable application of nitrogen backup system for emergency operation at drilling site.

nitrogen backup system；emergency shut-in；BOP control system

TE931.1

A

1001-3482（2014）03-0081-03

2013-09-11

巴魯軍（1964-），男，山東東營人，高級工程師，主要從事井控裝置維修技術管理工作，E-mail：gjblj188＠sohu.com。