刍议防喷器控制装置产品行业标准的修订

陈慧慧，张宏英，王兴燕，陈星，吴楠，郑翔

北京石油机械有限公司 （北京 102206）

0 引言

防喷器控制装置是控制防喷器的关键设备，其主要功能是储备高压液压油并在紧急情况下关闭防喷器。防喷器控制装置由蓄能器组、两种泵组（通常是电驱泵和气驱泵）、调压阀及其管路、底座、油箱、转阀控制管路、遥控台等组成。泵组提供高压液压油存储在蓄能器中，通过调压阀将压力调节到关闭防喷器所需要的压力，最后通过转阀管路控制防喷器组打开或者关闭。遥控台最主要的功能是控制转阀的动作，进而控制防喷器组打开或者关闭。

我国防喷器控制装置的行业标准从1984年首次发布，直至最新版SY/T 5053.2—2007《钻井井口控制设备及分流设备控制系统规范》[1]，作为防喷器控制装置的产品设计制造标准，经历了数十年的发展和改进，指导了我国防喷器控制装置的发展。随着石油装备技术的快速发展，根据国内外油田长期使用过程中的反馈，防喷器控制装置行业标准尚存在不合理和不足的地方，亟待修订完善。

1 国内外相关标准制修订回顾

从20世纪50年代世界上第一台防喷器控制装置“Koomey Unit”研制成功开始，防喷器控制装置作为钻井作业安全保障的关键设备，就一直发挥着重要作用。20世纪70年代我国石油工业蓬勃发展，但是装备落后。在这种形势下，原石油工业部北京石油机械厂于1979年开始研制FKQ系列地面防喷器控制装置，1981年北京石油机械厂研制出国内首台防喷器控制装置，成果荣获石油工业部科技进步一等奖。

1984年地面防喷器控制装置行业标准首次发布，结束了防喷器控制装置无标准可依的历史，并于1991年7月第一次修订。1993年API Spec16D《Specifi⁃cation for Control Systems for Drilling Well Control Equipment》[2]第 1版发布，2001年 9月行业标准SY/T 5053.2—2001《地面防喷器及控制装置 控制装置》根据API Spec 16D第1版的内容进行第二次修订，增加了环境适应性等有关内容和材料。

2004年API Spec 16D《Specification for Control Systems for Drilling Well Control Equipment and Con⁃trol Systems for Diverter Equipment》[3]第 2版发布，我国行业标准等同采用API Spec 16D第2版并于2007年发布，即SY/T 5053.2—2007《钻井井口控制设备及分流设备控制系统规范》，此次改版是该标准发展史上的一次重大改进。由于防喷器控制装置经历了重大发展，此项标准的内容也发生了重大变化：从单纯的地面防喷器控制装置，范围扩大到囊括水上防喷器控制装置、分流器控制装置、水下防喷器控制装置及辅助设备等；在原有的FK（手动型）和FKQ（气控型）两种控制方式基础上，增加了FK⁃DQ（电控气型）、FKDY（电控液型）和先导式3种控制方式；对于水上防喷器控制装置和水下防喷器控制装置的蓄能器容积，按照类别进行不同且详尽的计算。

在行业标准SY/T 5053.2—2007《钻井井口控制装备及分流器控制系统规范》的指导下，经过10多年的发展，分流器控制装置、水上防喷器控制装置和水下防喷器控制装置都相继研制成功，除了水下防喷器控制装置外其余均批量投放市场，进入油气钻井领域，并相继出口到40多个国家和地区，产品技术达到国际先进水平，为国内外的石油天然气勘探开发做出了重大贡献。

2 我国行业标准的发展现状

SY/T 5053.2—2007《钻井井口控制装备及分流器控制系统规范》从2008年3月实施以来，地面防喷器控制装置经历了诸多改进，功能得到完善，技术、工艺均发生变革。其中新技术、新工艺、新功能部分内容详见表1。

SY/T 5053.2—2007的行业标准对提高我国防喷器控制装置的技术水平和国际市场竞争力起到了重要的支持作用。但是随着钻井工艺和技术的发展，防喷器控制装置在经历了10多年的发展之后已产生了重大变化。例如：防喷器控制装置的蓄能器容积的计算方法已经更新；防喷器控制装置的新技术、新工艺、新功能已经得到蓬勃发展，目前的行业标准已经不能很好地满足国内外市场的需求。

表1 防喷器控制装置的新发展

3 国际标准和国外先进标准的发展

3.1 对蓄能器容积的具体要求

1）壳牌公司钻井、完井和修井操作压力控制手册[4]针对防喷器控制装置蓄能器最小操作压力的定义为：闸板防喷器的额定压力除以关闭比得到的数值再加上闸板防喷器的最小密封压力。若防喷器组配备剪切闸板时，需要用剪切闸板的最小操作压力来核算管子闸板的最小操作压力，根据计算得出的蓄能器容积是否同样满足剪切闸板的需求。

2）沙特阿美井控手册[5]对蓄能器容积要求为：根据API Spec 16D—2004的计算方法得出的蓄能器容积的1.5倍。

3）中东（沙特等）地区对蓄能器容积的要求为关闭并打开环形防喷器和所有闸板防喷器，再关闭环形防喷器和一个闸板防喷器所需的液量。

API Spec 16D—2004只要求关闭环形防喷器和所有闸板防喷器，并打开一侧的放喷管线，且最小操作压力为闸板额定压力除以关闭比。而国外钻井过程中执行的钻井井控手册均对蓄能器容积计算重新做出了定义，其标准均高于API Spec 16D—2004对地面防喷器控制装置的蓄能器容积要求。

3.2 国际标准的发展动向

API Spec 16D—2018《Control Systems for Drill⁃ing Well Control Equipment and Control Systems for Diverter Equipment》[6]于 2018 年发布并于 2019 年 5月正式实施，该标准做出了以下几点重大变更。

1）气控型防喷器控制装置的遥控台应显示防喷器控制装置本体转阀的实时位置。

2）从3个方面提高设备安全系数。①机械部分：管路采用并联双过滤，泵出油口采用隔离阀和卸荷阀增强其在线维护的操作性；增加FMEA（失效模式与影响分析）和确认试验；所有高压元件应有两倍额定压力试验；遥控台应增加防护门以防止误操作等，增强了防喷器控制装置的可靠性，消除了潜在的安全隐患。②电器部分：增加了FMEA（失效模式与影响分析）和确认试验、白盒测试和黑盒测试，以保证意外情况下不会造成防喷器控制装置的自动误操作。③备用动力源：所有设备配备UPS或气罐，保证动力源失效后的遥控操作在2 h内不失效或者遥控台遥控所有控制转阀动作两次。

3）更新计算方式，提高蓄能器容积计算的准确性。更新后的API Spec 16D—2018的计算方式变化最大。首先取消了原有的方法A，并且将原来用于水下防喷器控制装置的方法B和方法C应用到水上防喷器控制装置（取消了原地面防喷器控制装置的术语）。方法B采用等温过程计算，方法C采用绝热过程计算，而且两种计算方法中按照容积限制和压力限制两种方法取最优值，考虑温度变化带来的影响，采取氮气在不同压力不同温度下的实际密度以减少计算误差。

容积限制和压力限制考虑的是温度和压力等因素的变化对容积造成的影响。压力限制是压力降低到最小操作压力之后，剩余液量不可使用；容积限制是容积排放过程中温度的变化对容积的影响，高于局部环境温度的是可用控制液量。

温度对容积限制和压力限制的影响在API Spec 16D—2018版中也得到论证，其结果是压力限制的容积率随着温度降低而降低，容积限制的容积率随着温度上升而降低。为了保证计算结果的准确性，在计算时引入了温度的影响，容积限制计算时取低温，压力限制计算时取高温。

方法B采用的是等温过程计算，是蓄能器从预充压力升压至额定压力的过程，采用API Std 53—2018[7]的压降过程来计算蓄能器容积，模拟的是蓄能器关闭环形防喷器和所有闸板防喷器并打开一侧管线的过程，保证蓄能器在充压过程中充入足够可用液量（即从最小操作压力到额定压力21 MPa），同时满足容积限制和压力限制的需求。

方法C采用的是绝热过程计算，模拟的是实际关井过程中的操作，即关闭环形防喷器和管子闸板防喷器，打开一侧的管线，若是有剪切闸板防喷器，关闭操作为关闭环形防喷器，然后关闭剪切闸板防喷器，最后关闭管子闸板防喷器，打开一侧的管线。与方法B不同，由于防喷器控制装置蓄能器压力低于19 MPa，泵组才会给蓄能器补压。因此压力变化为19 MPa到最小操作压力下的过程中排放的液量，此过程同样需要满足容积限制和压力限制的需求。

方法B和方法C的计算公式都采用氮气在不同压力、不同温度下的实际密度计算，这样大大减小了计算误差。图1描述了两种计算方法的过程，利用方法B的压力限制和容积限制两种方法得到一个最优预充压力值；同时利用方法C的压力限制和容积限制两种方法得到一个最优预充压力值；然后对比方法B和方法C取最优预充压力值。这样保证了蓄能器容积满足充压和关井两个过程的需求，且兼顾温度、压力的影响，将其影响值降到最低。

需要指明的是，利用方法B和方法C计算得到的蓄能器预充压力均比方法A计算得出的值高，且温度、最小操作压力等变化均会影响预充压力数值的变化。

图1 方法B和方法C的计算方法曲线

1)增加高压剪切功能。增加高压剪切功能是此次API Spec 16D—2018改版做出的另外一项重大变动。由于计算方法的变更，带剪切闸板的防喷器组匹配的防喷器控制装置蓄能器容积变大，这是因为剪切闸板所需最小操作压力值较高引起的。若是蓄能器计算容积过大，可以采用专用高压剪切管路（额定压力35 MPa）配备专用高压蓄能器（额定压力35 MPa）来解决此项问题，同时取消原有的利用气泵打高压关闭剪切闸板防喷器的方法，保证了防喷器控制系统除了高压剪切管路之外其余部分的压力不会超过额定压力（21 MPa）。这样既满足高压需求，又消除了高压对防喷器控制装置带来的安全隐患。

2)其他重要变动。取消了原有的ASME B 31.1—2016[8]《动力管道》标准，更改为ASME B 31.3—2016[[9]《工艺管道》标准。由于ASME B 31.1—2016相比ASME B 31.3—2016，对管道材料的许用应力要求更高，动力管道通常流通高温高压介质，工艺管道通常流通一般介质，因此动力管道对腐蚀余量要求更高。防喷器控制装置的管道介质为常温的液压油（21 MPa），此次变动符合防喷器控制装置的实际使用情况。

取消了“在不使用蓄能器组且一套泵系统或一套动力系统不工作时，余下的泵系统应能在2min内在空井时关闭一个环形防喷器（不包括分流器），打开液动节流阀并保证提供的压力至少等于最小操作压力”的条款等。

4 标准修订的迫切性

我国行业标准SY/T 5053.2—2007和API Spec 16D—2018的部分内容比较分析详见表2。

目前我国行业标准在近期的发展过程中已经滞后于防喷器控制装置的发展，而且防喷器控制装置在国内外油田的长期使用过程以及参与国外项目的技术交流中，也反映出一些问题，迫切需要修订解决。

表2 SY/T 5053.2—2007与API Spec 16D—2018的部分内容对比

4.1 防喷器控制装置遥控台的即时位置显示

防喷器控制装置的常规布局是：控制装置本体置于距井口25 m左右的区域，控制装置的主遥控台放置在司钻台，辅助遥控台放置在队长室，通过遥控台可控制本体的开关动作进而控制防喷器的开关。井场常用的控制方式为气控型或电控型。①气控型防喷器控制装置成本较低且维护简单，是防喷器控制装置最常用的控制方式，在油田现场大量使用。但是在长期使用过程中气控型防喷器控制装置显现出一个弊端，即遥控台不能即时显示本体转阀的实际位置（只能使用气缸显示上次在遥控台操作时的位置），因此相关操作人员在遥控台不知道控制装置本体的转阀实际位置，不利于实际操作。②电控型防喷器控制装置不存在上述问题，但由于电控型防喷器控制装置的成本高、维护难和对操作人员的要求高等因素，油田现场无法全部使用电控型防喷器控制装置，因此气控型防喷器控制装置的即时位置显示成为迫切需要解决的一个问题。

近年来，在国外防喷器控制装置项目设计过程中，对气控型防喷器控制装置进行了改进，将遥控台改进为带实时位置显示的灯显遥控台，很好地解决了此项问题，经过大量现场验证，其满足现场实际需求。

4.2 高压剪切的安全性

防喷器控制装置作为井控的安全设备，其重要作用就是在关键时刻及时关井，因此防喷器控制装置的安全性关乎井喷时能否正常关井。常规防喷器控制装置的额定压力是21 MPa，关井时通常先关闭环形防喷器、半封/全封闸板防喷器，剪切闸板防喷器在使用过程中作为井喷的最后一道防线，需要足够的压力推动剪切闸板以剪断钻杆。在实际的钻井过程中，因为情况紧急，剪切闸板剪到钻铤等情况也时有发生，此时所需压力远高于21 MPa。现场做法是利用高于21 MPa的压力来关闭剪切闸板控制井口，这样会对防喷器控制装置造成安全隐患，成为井控操作的不可控因素。

4.3 蓄能器计算方法

防喷器控制装置SY/T 5053.2—2007行业标准从2007年等同采用API Spec 16D—2004之后，多年来对地面型防喷器控制装置一直采用基于理想气体的等温排放公式增加系数的方法（简称方法A）来计算。而方法A的计算结果与实际情况有较大的误差。在蓄能器充压的过程中，通常是泵组在15 min内将蓄能器的压力从预充压力升到额定压力（21MPa），此过程时间长，可以考虑为等温过程。但是蓄能器在排放的过程中，要求关闭防喷器最长的时间不超过45 s，因此是一个短时间内排放大量液体的过程，应该按照绝热过程来计算。而绝热过程计算方法算出的蓄能器容积大于方法A计算出的蓄能器容积。经过长期的设计计算、经验交流，以及蓄能器实际排油量试验，对比得出：利用绝热过程计算方法算出的蓄能器容积与现场的实际使用情况更加吻合，因此SY/T 5053.2—2007行业标准中的计算方法A已经不符合现有井场设备的需求。

4.4 气泵问题

防喷器控制装置在长期的使用过程中，气泵的耗气量太大也是现场多次反映的一个问题。行业标准SY/T 5053.2—2007要求防喷器控制装置的泵组（气泵组和电泵组）需要具备两个功能：在不使用蓄能器组且一套泵系统或一套动力系统不工作时，余下的泵系统应能在2 min内在空井时关闭一个环形防喷器（不包括分流器），打开液动节流阀并保证提供的压力至少等于最小操作压力。由于钻井初期会配备大通径的防喷器组，环形防喷器关闭液量很大，这样就会增大电泵组和气泵组的流量需求，进而增加电泵和气泵的数量，需要井场配备相匹配的电源和气源。在油田现场经常发现气泵所需空压机的功率超过井场现有空压机的总功率，这样造成井控安全隐患，需要重新匹配合适的空压机。而现场使用过程中极少情况下会直接使用气泵2 min内关闭环形防喷器，重新配备的大功率空压机就会产生资源浪费，并造成钻井成本增加。

5 修订建议

从国外防喷器控制装置相关先进标准的变化看，我国行业标准中存在的问题在API Spec 16D—2018中均得到改进，因此可以作为我国防喷器控制装置行业标准修订的参考。具体修订建议如下。

1）取消气泵2 min空井关闭一个环形防喷器的功能，与现场使用需求一致，建议行业标准中同样取消该要求。

2）高压剪切功能顺应钻井设备发展的变更，兼具设备安全性和操作实用性，建议行业标准中增加。

3）工艺管道标准使用ASME B 31.3—2016符合防喷器控制装置的实际使用情况，建议行业标准中考虑采用。

4）机械、电气部分的变动增强了防喷器控制装置的可靠性，强制要求备用动力源增加防喷器控制装置的安全系数，建议考虑采用。

5）带实时位置显示的灯显遥控台符合钻井技术发展，解决实际问题，应大力推广。但是需要考虑国内修井机对遥控台的需求度，还需要讨论是否区别对待。

6）蓄能器的计算方法应根据我国的实际情况执行，API Spec 16D—2004的计算方法A不符合实际需求，但是API Spec 16D—2018的计算方法采取方法B和方法C取优，公式中相关指数都是按照最低值计算，这样会使计算结果相比原计算方法变大很多，而且蓄能器的预充压力大幅增高。通过国内现场的实际关井操作反馈和国外油公司井控手册来看，壳牌公司井控手册的计算方法满足现场的使用需求，得到业内专家的认可，该手册在行业内有指导意义，因此API Spec 16D—2018标准的计算方法对于陆地使用防喷器控制装置是否合适，还需要深入讨论以求符合国情。

修订后的行业标准将进一步推动防喷器控制装置的发展，提高其技术水平和在国际上的地位，以期获得更大的经济效益。