(北京石油機械有限公司，北京 102206)

引言

防噴器控制裝置是控制防噴器的關(guān)鍵設(shè)備[1]，主要作用是儲備高壓液壓油并在緊急情況下關(guān)閉防噴器。防噴器控制裝置由蓄能器組、動力泵組、油箱、底座、調(diào)壓閥管路、環(huán)形轉(zhuǎn)閥管路、閘板轉(zhuǎn)閥管路等組成。緊急情況下關(guān)閉防噴器的動力源主要來自蓄能器內(nèi)存儲的動力液，蓄能器的液量容積直接決定是否能在規(guī)定時間內(nèi)關(guān)閉防噴器，同時也是防噴器控制裝置的油箱、動力泵組設(shè)計的重要因素，因此蓄能器的液量容積的計算十分重要。

防噴器控制裝置在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)蓄能器內(nèi)存儲的高壓液壓油實際排放量與理論計算值相差較大，不利于實際操作控制防噴器，針對此弊端，對蓄能器的液量采用優(yōu)化計算，解決此問題。

1 蓄能器工作原理

防噴器控制裝置的蓄能器一般采用皮囊式蓄能器，預(yù)充惰性氣體，利用壓縮氣體來存儲高壓液壓油。蓄能器有以下4種狀態(tài)[2]：

(1) 預(yù)充壓狀態(tài)p0，蓄能器在初始壓力和環(huán)境溫度下預(yù)充一定壓力的惰性氣體，此時蓄能器尚未充入液壓油；

(2) 已充壓狀態(tài)p1，蓄能器內(nèi)充入額定工作壓力的液壓油；

(3) 最小操作壓力狀態(tài)p2，蓄能器排放部分液壓油關(guān)閉防噴器并保持密封狀態(tài)下的壓力；

(4) 全部排放狀態(tài)p3，蓄能器排放所有液壓油。

以地面防噴器控制裝置為例，額定工作壓力一般為21 MPa，防噴器控制裝置在正常工作狀態(tài)時，蓄能器處于已充壓狀態(tài)p1，當(dāng)防噴器控制裝置關(guān)閉防噴器組之后蓄能器處于最小操作壓力狀態(tài)p2。蓄能器從已充壓狀態(tài)p1到最小操作壓力狀態(tài)p2排出的動力液為蓄能器的可用液量。

2 蓄能器液量容積計算要求

防噴器控制裝置的功能為提供足夠的可用液量來打開或關(guān)閉防噴器組及其他設(shè)備，并保持密封狀態(tài)。示例如下：

防噴器組配備為1個環(huán)形防噴器、1個單閘板防噴器、1個雙閘板防噴器和1個鉆井四通，蓄能器的可用液量要求能滿足關(guān)閉1個環(huán)形和所有閘板并打開一側(cè)的放噴閥，即蓄能器在已充壓狀態(tài)p1到最小操作壓力狀態(tài)p2過程中排放出的所有液量滿足操作上述防噴器組的所需全部液量，且排放后的壓力p2不小于上述環(huán)形、閘板、雙閘板防噴器保持關(guān)閉的所需壓力[3]。

對蓄能器容積的兩個要求：一是可用容積大于防噴器組所需的總?cè)莘e；二是在滿足容積要求的前提下，關(guān)閉防噴器之后剩余壓力應(yīng)不小于防噴器組的最小操作壓力。

3 國外計算方式

從現(xiàn)場的實際井控操作來看，根據(jù)理想氣體計算出來的蓄能器可用液量與實際所需液量差異較大，國外多家公司根據(jù)自己的現(xiàn)場經(jīng)驗進行優(yōu)化計算。具體的計算優(yōu)化方式主要是兩種。

1) 增大蓄能器的容積

如：鉆井和修井井控手冊[4]，將計算出的蓄能器的容積乘系數(shù)1.5；部分沙特地區(qū)要求蓄能器的容積滿足關(guān)閉并打開所有防噴器組，然后再關(guān)閉環(huán)形防噴器，兩者均是增大蓄能器可用液量以消除計算方法的誤差。

2) 提高蓄能器的最小操作壓力

蓄能器的最小操作壓力p2應(yīng)不小于防噴器的最小操作壓力，國外公司根據(jù)實際井控經(jīng)驗對蓄能器的最小操作壓力提出新的要求。如井控手冊[5]，對蓄能器的最小操作壓力要求為閘板最小操作壓力加最小密封壓力。

鉆井，完井和修井操作的壓力控制手冊[6]對蓄能器的容積計算不僅僅嚴(yán)格要求蓄能器最小操作壓力為最小操作壓力加最小密封壓力，同時要求對此最小操作壓力使用剪切壓力進行核算，兩者取最大值。

這兩種方法是通過提高蓄能器的最小操作壓力來減少計算方法的誤差，以滿足實際操作需求。

提高蓄能器的最小操作壓力的計算方式最為復(fù)雜和嚴(yán)謹(jǐn)，不僅考慮閘板的最小操作壓力須加上最小密封壓力，并且要求核算此最小操作壓力是否滿足剪切閘板的最小操作壓力。根據(jù)井控操作要求：

使用剪切閘板防噴器時，先關(guān)閉剪切閘板防噴器上的環(huán)形防噴器，然后打開放噴管線閘閥泄壓，打開剪切閘板防噴器上面和下面的半封閘板防噴器，打開防噴器遠程控制臺儲能器旁通閥，關(guān)閉剪切閘板防噴器，直到剪斷井內(nèi)鉆具/油管，關(guān)閉全封閘板防噴器，控制井口[7]。

剪切閘板因其特殊性和重要性作為最后一道安全屏障需要剪斷井內(nèi)鉆具/油管[8]，需要防噴器控制裝置在操作剪切之后，剩余壓力大于剪切的最小操作壓力方能保證剪斷鉆具/油管，且保證剪切之后能封住剪切閘板，方能手動鎖緊閘板，控制井口。提高蓄能器的最小操作壓力計算要求是更符合現(xiàn)場井控操作實際要求的。

4 優(yōu)化計算

上述的計算方式都是從實際井控需求角度對蓄能器容積做出修正，從而使蓄能器容積更加符合實際需求，但是上述國外的計算方式都是按照等溫過程來計算的，沒有考慮計算方式的差異對蓄能器容積造成的影響。若從防噴器控制裝置的實際使用過程中來分析，蓄能器充壓的過程與排放過程截然不同，應(yīng)該考慮計算方法對不同過程造成的差異。

因此需要從充壓、排放、溫度影響三個方面對蓄能器的液量計算進行優(yōu)化分析。

4.1 充壓過程

防噴器控制裝置的充壓過程是指蓄能器從預(yù)充壓力到額定壓力的過程，防噴器控制裝置的泵組在15 min 內(nèi)將蓄能器從預(yù)充壓力升至額定壓力，蓄能器充壓的過程時間長容積大可以考慮為等溫過程。

4.2 排放過程

防噴器控制裝置的排放過程是指蓄能器從額定壓力到最小操作壓力的過程，而且蓄能器的輸出壓力和排油體積存在一定的關(guān)系[9]，不能簡單按照等溫過程來計算，考慮排放過程是一個短時間內(nèi)(最長1 min)排放大量液壓油的過程，按照絕熱過程來考慮更加適合實際需求。

根據(jù)蓄能器容積計算公式(選自機械設(shè)計手冊)：

(1)

式中,VR為蓄能器總?cè)莘e;V0為蓄能器壓力降低到最小操作壓力時的容積；n為指數(shù)；p0，p1，p2為蓄能器不同狀態(tài)下的壓力。

對于理想氣體，等溫過程，n=1；絕熱過程，n=1.4；即蓄能器充壓過程指數(shù)n=1，蓄能器排放過程中指數(shù)n=1.4。

理想氣體狀態(tài)方程只是在低壓下才能反映實際氣體的性質(zhì)，隨著氣體壓力的增加兩者的偏離越來越大[10]。以40 L蓄能器為例，等溫過程中計算的可用容積為20 L，絕熱過程中計算的可用容積為16.86 L，相差近8%，而防噴器控制裝置使用的蓄能器容量都較大，以800 L為例，差別達60 L，足可以關(guān)閉1個FH35-70型號的閘板防噴器，因此在計算蓄能器容積時應(yīng)該按照排放時的絕熱過程來計算，才能更滿足實際使用要求。

4.3 溫度等其他因素影響

蓄能器內(nèi)的液壓油在排放過程中受到摩擦力、溫度、壓力等影響，排放是一個多變的過程，實際排放量會小于理論計算值。蓄能器排放過程中氣囊內(nèi)的壓縮氮氣絕熱膨脹，實際氮氣的絕熱指數(shù)n(即k=Cp/Cv)與溫度T和壓強p有關(guān)，容積絕熱指數(shù)隨溫度的升高而降低，隨壓力的增加而增加，因此計算時不能簡單的以理想氮氣的絕熱指數(shù)n=1.4來計算，而根據(jù)RKS狀態(tài)方程、范德瓦耳斯方程等計算，或者根據(jù)AMESim仿真計算，都是通過計算方法得到氣體的絕熱指數(shù)，計算方法較為復(fù)雜且仿真計算時條件參數(shù)輸入要求比較嚴(yán)格[11-12]，例如要求輸入蓄能器的排放體積和排放時間，這些數(shù)據(jù)都是需要經(jīng)過計算得出，不適用于防噴器控制裝置的蓄能器容積計算。防噴器組的配備需要根據(jù)鉆井現(xiàn)場的井底壓力等情況進行配備，組合多變，不利于優(yōu)化計算及現(xiàn)場用戶的使用推廣。因此需要用簡便且精確的方法來計算，本研究參考NIST的數(shù)據(jù)進而得到實際絕熱指數(shù)，方便實際計算。從表1的數(shù)據(jù)可以看出蓄能器內(nèi)氮氣的絕熱指數(shù)隨著溫度上升而下降，隨著壓力上升而升高，符合絕熱指數(shù)的特性，由于防噴器控制裝置所處的地理環(huán)境不同，溫度差異較大，且季節(jié)不同帶來的影響較大，因此應(yīng)該以低溫計算且取額定壓力下的指數(shù)計算結(jié)果更為準(zhǔn)確。

表1 NIST氮氣數(shù)據(jù)

4.4 試驗驗證

為驗證此試驗方法是否正確而進行蓄能器實際排油量驗證試驗。試驗內(nèi)容如下：取不同容積的蓄能器，在室溫20 ℃下從額定壓力21 MPa降為最小操作壓力8.4 MPa，得到蓄能器的實際排量。同時根據(jù)表1選取額定壓力下的絕熱指數(shù)n=1.6899，代入式(1)中得到VR=0.3，試驗結(jié)果與計算結(jié)果對比見表2。

優(yōu)化計算值與實際排放值非常接近，因此，選用此計算方式來計算蓄能器在不同溫度下的實際排放值的準(zhǔn)確率較高，更好的滿足實際關(guān)井時關(guān)井容積的需求。

5 結(jié)論

(1) 對蓄能器容積的優(yōu)化計算結(jié)合實際氣體狀態(tài)、溫度和壓力等因素的考慮，計算結(jié)果更接近實際數(shù)值，滿足現(xiàn)場實際使用需求；

表2 實際排量與優(yōu)化計算值

(2) 提供的計算方式可以作為其他工程選型蓄能器容積計算的參考。