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(1.成都歐迅科技股份有限公司， 四川 成都 610041； 2.寶雞石油機械有限公司， 陜西 寶雞 721000)

0 引 言

最近幾年，世界各國對海洋油氣的勘探和開發(fā)工作高度重視，其中，應用于海洋油氣開發(fā)的鉆井隔水管設備作為海洋油氣勘探裝備的重要單元，其技術(shù)一直被少數(shù)國外公司壟斷[1]。我國海洋面積遼闊，海洋油氣資源豐富[2]，對海洋石油勘探的力度也在逐步加大，但是海洋石油勘探裝備落后，海洋鉆井裝備主要依賴進口。為維護我國海洋資源權(quán)益，保障國家能源安全，需進行海洋鉆井裝備的自主研發(fā)[3]。

圖1 隔水管系統(tǒng)配置

圖2 Cameron公司設計的灌注閥

海洋石油隔水管系統(tǒng)由井口安裝架、萬向節(jié)、隔水管、灌注閥、底閥等部件組成[4]，如圖1所示。作為隔水管系統(tǒng)的重要組成部件，灌注閥可以有效維護海洋隔水管系統(tǒng)的安全運行，從而使得海洋隔水管系統(tǒng)的可靠性得到提升。

目前，隔水管灌注閥產(chǎn)品技術(shù)被Cameron，GE-Vetco Gray，Hydrill等國外少數(shù)幾個公司壟斷[5]。圖2是Cameron公司生產(chǎn)的隔水管灌注閥。壓差傳感器檢測隔水管內(nèi)外壓差，海水壓力高于管內(nèi)壓力1.55 MPa時，主控液控閥換向，滑移裝置上移使通口打開，當海水流入管內(nèi)平衡壓力。該灌裝閥采用中間法蘭式結(jié)構(gòu)，中間位置布置有壓差平衡裝置、蓄能器、控制閥，以此提升系統(tǒng)響應速度。該灌裝閥具備自動打開和遠程控制功能，當自動打開功能失效時，啟動水上遠程控制系統(tǒng)打開灌裝閥，提升隔水管系統(tǒng)的可靠性[6]。Cameron公司生產(chǎn)的隔水管灌注閥應用廣泛，市場占有率高。GE-Vetco Gray公司開發(fā)的一種灌注閥能夠在大載荷環(huán)境下工作，滿足深海區(qū)域的作業(yè)要求，其結(jié)構(gòu)緊湊、接頭外部法蘭采用圓弧過度，具有良好的密封性能。Hydrill公司生產(chǎn)的外置式灌注閥兼?zhèn)渥詣雍褪謩娱_啟功能，當對其進行自動打開操作時，利用外置差分式液壓平衡結(jié)構(gòu)來完成。為提升系統(tǒng)可靠性，采用4個獨立的外置滑閥，即使一個滑閥失效，灌注閥仍可完成規(guī)定動作?；y外置減小了灌注閥軸向尺寸，改善了因軸向尺寸過大而導致的密封性問題。Hydrill公司生產(chǎn)的彈性元件式灌注閥利用彈性材料的壓力敏感性檢測壓差，控制灌注閥動作。彈性材料質(zhì)量輕，當壓差大于臨界壓差時，如果設計的灌注閥未按照要求打開，那么此彈性元件先被損壞，灌注閥腔體的壓力由流進的海水平衡，從而防止隔水管被擠毀。利用彈性元件設計的灌注閥還未用于實際應用，但為灌注閥的設計提供了一種新的方向。

目前，國內(nèi)還未開展海洋鉆井隔水管配套裝備領(lǐng)域方面的研究工作，僅是針對隔水管灌注閥進行了一些前期調(diào)研。作為海洋鉆井隔水管系統(tǒng)的主要部件，隔水管灌注閥的研究工作十分重要。

1 隔水管灌注閥對隔水管的保護作用

在海洋石油隔水管系統(tǒng)中，深水區(qū)域的隔水管受到多種力的作用，見表1。當其受到的內(nèi)外壓力差值超過臨界擠毀壓力時，隔水管破裂，系統(tǒng)無法工作。隔水管擠毀壓力公式[7]為

(1)

式(1)中：pc為隔水管最小擠毀應力；cm為材料不確定系數(shù)；cg為集合缺陷系數(shù)；E為彈性模量；v為材料泊松比；t為隔水管壁厚；D為隔水管外徑。

表1 海洋鉆井隔水管受力

為了防止隔水管被擠毀，需要平衡隔水管內(nèi)外壓力。隔水管灌注閥與單根隔水管結(jié)合：當隔水管內(nèi)外壓力差達到隔水管的臨界擠毀壓力時，灌注閥閥門自動打開1個外部套筒，海水進入隔水管，保持內(nèi)外壓力平衡，從而保護隔水管。一般按照式(1)設計灌注閥閥門開啟的臨界壓力。

2 隔水管灌注閥功能要求

2.1 隔水管灌注閥設計原則

圖3 灌注閥控制原理圖

海洋鉆井隔水管工作環(huán)境復雜多變，實際工作中受到海浪、洋流、平臺移動、海水壓力等載荷作用[8]。因此，在設計灌注閥時，其可靠性應放在第一位[9]，并在具備高可靠性基礎上，兼?zhèn)渥詣雍腿斯ご蜷_的功能，能實現(xiàn)遠程控制，操作簡單。通過對隔水管灌注閥操作條件和應用環(huán)境的分析與研究，總結(jié)國外主要產(chǎn)品的功能特征，得到灌注閥設計指標有：可靠性高、密封性能良好、 響應速度快、結(jié)構(gòu)布置緊湊、承載能力強。灌注閥開啟壓差為

Δp=p管外-p管內(nèi)

(2)

隔水管的極限承載力為

(3)

式(3)中：Q0為隔水管極限承載力；Dc為隔水管外徑；dc為隔水管內(nèi)徑；qs為管側(cè)阻力；qp為管端阻力；Li為隔水管深度。

圖4 平衡閥結(jié)構(gòu)

圖5 初始狀態(tài)控制原理

2.2 灌注閥控制系統(tǒng)設計

隔水管灌注閥有4種工作狀態(tài)：初始狀態(tài)、自動打開狀態(tài)、遠程打開狀態(tài)以及遠程關(guān)閉狀態(tài)，其控制系統(tǒng)如圖3所示。

平衡閥又叫壓差反應器，通過平衡閥兩端海水和泥漿的壓差控制灌注閥的狀態(tài)，是灌注閥的核心部件。研究設計的平衡閥結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由力平衡可得

F2=|F1-F3|

(4)

式(4)中：F1為海水作用在活塞上的力；F2為控制口壓力作用在活塞上的力；F3為泥漿作用在活塞上的力。

控制系統(tǒng)根據(jù)活塞受到的力F2的大小實現(xiàn)對灌注閥狀態(tài)的控制。

(1) 初始狀態(tài)：海水壓力(管外壓力)和泥漿壓力(管內(nèi)壓力)相等時，平衡閥處于初始位置?？刂圃砣鐖D5所示：P1、P2、K1口壓力相等；主閥閥芯在彈簧作用下，閥芯處于左邊的位置，此時，A與T口處于接通狀態(tài)。彈簧力對轉(zhuǎn)換閥的作用使得P和B口接通，B和T口隔開；此時，轉(zhuǎn)換閥內(nèi)的油液流通狀態(tài)是：P-B-液壓油缸-A-T。

(2) 自動打開狀態(tài)：當海水壓力與泥漿壓力的差值低于設置的壓差時，柱塞式壓差閥動作，從而使主控閥實現(xiàn)換向，并且蓄能器的壓力推動液缸，然后再向下推動滑套，灌注閥筒處于全部打開的狀態(tài)。此時，K1口壓力增加，油液進入K2口，K2口的壓力超過主閥彈簧打開需要的值，主閥彈簧被推動，從而帶動閥芯向右運動，P口和A口處于接通狀態(tài)，A口和T口則截止，B口和T口也接通，而B口和P口則截止。此時，轉(zhuǎn)換閥內(nèi)部的油液流通狀態(tài)是：P-A-液壓油缸-B-T?？刂圃砣鐖D6所示。

(3) 遠程打開狀態(tài)：用地面的控制裝置發(fā)出信號，實現(xiàn)主控閥的換向，蓄能器的壓力推動液缸，然后再推動滑套向下運動，此時灌注閥處于開啟狀態(tài)。當平衡閥兩邊的受力處于平衡狀態(tài)時，K2口油液壓力小于開啟主閥閥芯所需的力，從而使閥芯位于初始位置，K3接通遠程液壓油才能使主閥開啟，以實現(xiàn)閥芯的右移；當K3口接通遠程液壓油時,P與A口和T與B口均處于接通狀態(tài)。此時，油液流通方向為：P-A-液壓油缸-B-T。控制原理如圖7所示。

圖6 自動打開狀態(tài)原理圖

圖7 遠程打開狀態(tài)原理圖

圖8 遠程關(guān)閉狀態(tài)原理圖

圖9 高壓艙海洋環(huán)境模擬測試現(xiàn)場布局

圖10 高壓艙艙內(nèi)實時監(jiān)測

表2 不同壓差下灌注閥動作 MPa

4 結(jié) 論

針對海洋石油勘探裝備國產(chǎn)化進行研究，分析國外主要海洋隔水管灌注閥性能特點，歸納得出灌注閥設計的基本指標。根據(jù)隔水管灌注閥功能要求和海洋工作環(huán)境，以基本指標為準則設計灌注閥功能和控制系統(tǒng)。在高壓艙內(nèi)模擬海洋環(huán)境，控制隔水管內(nèi)外壓差，并對其進行開閉性能測試。測試結(jié)果良好，滿足深海作業(yè)要求，檢驗了設計灌注閥的性能，可為海洋石油勘探的研究提供參考。

[1] 周俊昌. 海洋深水鉆井隔水管系統(tǒng)分析[D]. 西南石油學院, 2001.

[2] 李保振, 張健, 李相方, 等. 中國海上油田注氣開發(fā)潛力分析[J]. 天然氣與石油, 2016(01): 58-62, 11.

[3] 管申, 譚強, 黃熠, 等. 海上復雜壓力體系油田鉆井安全密度窗口研究[J]. 天然氣與石油, 2015(05): 52-55, 10.

[4] 杜利楠. 我國海洋工程裝備制造業(yè)的發(fā)展?jié)摿ρ芯縖D].大連: 大連海事大學, 2012.

[5] 暢元江, 陳國明, 鞠少棟. 國外深水鉆井隔水管系統(tǒng)產(chǎn)品技術(shù)現(xiàn)狀與進展[J]. 石油機械, 2008(09): 205-209.

[6] 李愛利, 肖銳, 王定亞, 等. 海洋隔水管灌注閥技術(shù)分析研究[J]. 石油機械, 2014(11): 109-114.

[7] ERB P R, MA T C, STOCKINGER M P. Riser Collapse a Unique Problem in Deep-Water Drilling [R]. 1983.

[8] 彭朋, 陳國明. 海洋鉆井隔水管適用性評價技術(shù)研究[J]. 石油機械, 2008(05): 11-14, 82.

[9] 蘇金洋, 曾國政, 張書廣, 等. 套管靜水壓機灌注閥結(jié)構(gòu)技術(shù)改進[J]. 設備管理與維修, 2015(04): 47-48.