陆地钻井防喷器液控系统选用设计方法探讨

张哲

摘 要：开发陆地石油钻井需要调节防喷器液控系统，减少井喷、井涌事故造成的影响，提高操作安全性，增加企业的经济效益。文章简述了防喷器液控系统的结构设计与工作原理，研究陆地钻井防喷器液控系统的特点与选用原则，确定液控系统的选用设计基本方法，为钻井防喷器液控系统的使用、发展提供理论基础。

关键词：陆地钻井;防喷器;液态控制系统;被控制对象

中图分类号：TE9文献标识码：A文章编号：1674-1064（2021）04-105-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.04.052

石油是社会发展的重要能源，为了满足国内对石油能源的需求，企业需要提高石油的开采量，增加石油钻井开采过程的安全控制，平衡钻井井口压力，稳定提高钻井工作质量，积极应对石油井喷、井涌等危险情况，采取防喷器灵敏的液控系统关闭井口，保障设备与人员安全。为此，企业需要明确防喷器液控系统的结构设计与工作原理，确定科学合理的选用设计方法，优化防喷器控制压力的作用，提高防喷器液控系统的操作准确度，降低投资、维护成本，增加企业经济效益。

1 防喷器液控系统的基本概述

1.1 防喷器液压控制系统结构设计

防喷器是企业进行陆地石油钻井的关键设备，可以调控陆地石油井口的压力，平衡陆地井口的各方面压力，稳定钻井内外环境，有效控制井涌、井喷等石油事故，保证人员安全，提高石油钻井的工作效率。防喷器液压控制系统可以制备、储存与控制液态压力油，一般由遥控设备、蓄能器装置、辅助控制台、液控管汇组成，工作人员通过液压控制系统可以实现防喷器开关动作的指挥，满足仪器远距离操作、快速可靠运行、准确指挥的要求。目前，防喷器控制系统分为液压控制方式、气液控制方式、电液控制方式，液压控制系统工作准确可靠，制作技术成熟，使用成本低，防爆性能较好，可用于近距离与浅水陆地钻井方向。

1.2 防喷器液压控制系统工作原理

防喷器液压控制系统是大型石油钻采装备，需要明确液控系统的工作原理，如图1所示。在制备液压能源时，要对油箱内的液压油进行升压储存，一般液压油通过过滤器流入电机或气泵后，进行升压处理并输入储能器。其中，储能器储存空间丰富，由若干个事先预充7 MPa氮气的钢瓶组成，一旦储能器的油压升高到21 MPa，就可以启动压力控制器进行压力控制，停止电机或气泵的运转工作，方便液压油的升压储存。反之，储存器钢瓶的油压过低，液压控制系统将启动压力控制器调节电机或气泵的工作运转，从而保持储能器压力油的压力，储备足量的液控系统压力油[1]。

防喷器的控制管汇可以控制压力油的调整与流向，降低压力油的输出压力，实现防喷器的开关动作，在实际工作中，液控系统中的压力油经过控制管汇的降压阀调压到10.5 MPa，输入三位四通换向阀的控制管汇中，调整适当的压力油。在操作过程中，如果需要大于10.5 MPa的压力油，实现防喷器的推动作业，可以通过旁通阀直接输入储能器内的21 MPa压力油，并且操纵控制管汇推动闸板工作，实现防喷器液控系统的正常运行。为了满足钻井遥控作业，还可以使用气动遥控系统来遥控防喷器的开关，减少因阀门触碰、误操作引发的安全事故，提高陆地石油钻井的工作质量。

2 陆地钻井防喷器液控系统的选用标准

2.1 防喷器液控系统的特点

防喷器工作压力一般通过高压系统控制推动防喷器的工作，满足石油生产需要，因此，钻井防喷器的液控系统需要具备反应快速、连接方式简单可靠、操作灵敏、仪器精密、组合性能强等特点。如快速反應特点，防喷器高压油的工作压力通常需要达到210kg/m2，以保证在井喷、井涌等情况下，通过防喷器快速实施作业，在19s内关闭万能防喷器，在6s内关闭闸板和防喷阀;防喷器的连接方式简单可靠，可以有效降低操作混乱，减少液压控制系统的误操作，确保操作简单可靠，缩短液控系统安装时间，节省物流运输空间，降低系统装卸工作量。

液控系统管路简单、操作灵敏，避免设计不合理造成的管路问题，减少管路弯头、堵塞等问题，提高管路稳定性，提高液控系统应对井喷、井涌的能力。液控仪器精密，可以有效预防火灾、腐蚀等外界情况，通过精密的仪器设备可以严格控制仪器的工作阀，准确判断压力指数，降低操作控制过程中的误动作。同时，精密高效的仪器，适应气候能力强，使用寿命长，可以降低仪器成本。液控系统的组合性能强，方便选择系统设备，通常液控系统由遥控设备、蓄能器装置、辅助控制台、液控管汇、管排架、电缆等组成，独立的设备元件可以根据施工要求进行组合安装，方便企业采购安排，根据石油开采地的环境特点及存储量，选用合适的装备进行组装。

2.2 陆地钻井防喷器液控系统的选用原则

企业进行防喷器液控系统的设备选用时，需要充分考虑各设备的性能与设计，针对设备选用进行详细的计算，选择安全可靠的设备进行组装使用，提高设备使用的经济效能，根据切实可行的选用原则，制定选用实施方案。为此，企业需要以陆地钻井工艺设计为基础，落实选用要求，明确防喷器的本体型号、工作压力、尺寸，以及防喷阀的性能要求，明确防喷器被控制设备的组装数量，选择合适的组装方式，并结合防喷器被控制设备的液体工作量，确定合适的高压油储能器的容量[2]。

选择容量、流量合适的泵源及辅助泵组，泵源容量需要满足储存器充压的时间要求，流量大小以3min内不用储存器就可以关闭防喷器组为选用标准，辅助泵组的选择需要合适可靠，满足液控系统的可靠性。企业在选用操纵控制板时，需要考虑环境、气候问题，选择符合野外现场标准的管线、气管线，选择牢固的设备防碰设施，保证陆地钻井防喷器液控系统可以快速可靠安装，降低外界环境对设备的影响。

3 陆地钻井防喷器液控系统的选用设计方法

3.1 明确防喷器本体需要的最大液量与组合方式

防喷器组一般包括万能防喷器、单双闸板防喷器、液动防喷阀。选用设计钻井需要的防喷器组，需要明确防喷器组的工作压力、型号与最大液量设计值Q1，结合防喷器组开启实际动作需要的最大液量Q2，确定选用与设计液控系统的基本依据——最大液量Q1Q2。闸板防喷器的最大液量由双闸板运作时所需要的最大液量为计算基础，单闸板的最大液量是双闸板的一半。企业通过试验明确防喷器组各设备的最大液量，并且根据最大液量Q1Q2，确定防喷器液控系统的选用设计标准。

组合合理防喷器组可以有效控制井喷、井涌现象，是液控系统选用设计的基本依据之一，一般采用四种方式组合防喷器：组合一，被控制对象有液动放喷阀、万能防喷器;组合二，被控制对象包括放喷阀、双闸板防喷器;组合三，常用的陆地钻井组合方式，被控制对象包括液动放喷阀、双闸板防喷器、万能防喷器;组合四，被控制对象包括半封或全封双闸板防喷器、两个液动放喷阀、万能防喷器。选用设计液控系统应根据野外作业情况，科学选择防喷器的组合方式，减少防喷器组合浪费[3]。

3.2 确定液控系统与油泵的选择设计方法

液控系统的选用设计要考虑设备控制的安全经济性，增大控制系统的安全系数，选择完善可靠的设备进行科学组装，选用经济安全的液控系统。企业选用油泵需要结合工作环境、气候特点以及动力条件，配备合适的油泵，如双倍的动力油泵、气动泵等。一般情况下，可以选择四种油泵，电动往复泵结构简单，用于野外工作，维修技术简单，使用寿命较长;气动泵压力传动比高，高压气源下使用效果理想，以压缩空气进行单柱塞往复运动;辅助泵由柴油机或天然气发动机带动运行的油泵，技术要求与电动泵、气动泵相似;手动泵是备用泵，一般用于调试或其他特殊情况，提供的液压源流量有限。

3.3 选择合适的控制管汇与操纵控制板

控制管汇由万能防喷器回路、闸板防喷器和放喷阀回路以及旁通回路组成，一般以经济可靠性为前提，通过防喷器组被控制数量来确定控制管汇系统的选用与设计，满足液控系统的压力需求。同时，选择合适的操纵控制板进行远距离操纵，有效控制井喷、井涌现象，如采取简单快速的气动操纵控制板可以安全可靠地控制液控系统，但要准备单独的气体源。采取轻便的电动操作控制板，可以克服气候问题，但要设置防爆措施，设计转换动作复杂。采取可靠性强的液动控制板，要准备液压源。因此，工作人员要根据气候特点、结构复杂程度、防爆设施等情况，选择合适的操纵控制板。

4 结语

防喷器是石油钻井的关键部分，选择与设计合适的防喷器液控系统可以有效优化石油钻井质量，提高工作效率。为此，要根据野外作业的环境情况与液控系统选用的原则特点，选用设计与防喷器相匹配的设备，提高液控设备的安全性、灵活性，简化液控连接系统，优化储存器的工作压力，有效控制储存器排油量，实现远距离控制防喷器液控系统，降低投资、运输成本，增加企业经济效益。

参考文献

[1] 姜毅磊.基于防噴器控制系统发展趋势的探讨[J].石化技术，2018，25（5）：293.

[2] 徐新，路妍.某自升式钻井平台防喷器液压系统设计问题分析[J].机电设备，2017，34（2）：29-31，35.

[3] 蒲志理.陆地钻井防喷器液控系统选用设计方法的探讨[J].石油钻采机械通讯，1980（6）：16-25.