API Spec 16A第四版防喷器性能要求探讨

侯国庆 王军

摘 要：美国石油学会2017年发布了第四版API Spec 16A《钻通设备规范》，较第三版做了很大改动，特别是在防喷器剪切试验、密封性能等方面，增加了很多试验项目和要求。本文主要针对第四版中防喷器性能试验及要求进行探讨，以起到抛砖引玉的效果。本文基于了有关防喷器性能试验项目和要求，总结了防喷器性能要求和试验项目的主要升级内容，探讨了增加管柱规格进行试验等防喷器性能试验的可行性和严谨性，指出了防喷器侧向力剪切试验等性能实验项目需进一步完善和优化；结合钻井作业工况越来越恶劣，建议增加气密封等性能试验项目。

关键词：API Spec 16A，防喷器，剪切，高温，气密封，密封性能

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.01.030

Discussion on Blowout Preventer Performance Requirements in the Fourth Edition of API Spec 16A

HOU Guo-qing WANG Jun

（Shanxi Engineering Vocational College）

Abstract： In 2017， the American Petroleum Institute released the fourth edition of API Spec 16A， Drill-through Equipment Specifi cation， which has signifi cant changes compared with the third edition， including additional test items and requirements for BOP shear testing and seal performance requirements. This paper mainly discusses the performance test and requirements of the blowout preventer in fourth edition. The authors study the BOP performance test items and requirements， summarize the major upgraded content of BOP performance requirements and testing project， and discuss the feasibility and preciseness of the blowout preventer performance test， such as adding pipe size specifi cation in the test. It points out that the performance test items such as sideload shear test of BOP need to be further improved， and it suggests adding performance test items such as gas seal， considering the more and more severe drilling conditions.

Keywords： API Spec 16A， BOP， shear， high temperature， gas seal， sealing property

1 引 言

API Spec 16A[1]主要对钻井作业中所用的闸板防喷器、环形防喷器、液压连接器、四通、升高短节、转换法兰及闸板和闸板胶芯、环形胶芯等整机和部件性能、设计、材料、試验和检验、焊接、标记、搬运、贮存与运输的要求进行了规范。在2010年墨西哥湾深水地平线井喷事故后，结合事故中对防喷器剪切及关闭等现场应用中遇到的实际问题，美国石油学会对API Spec 16A第四版进行了很大的改进，对防喷器性能提出了更高的要求。第四版增加的部分性能试验内容对现场使用具有很大的指导意义，满足钻井作业越来越恶劣的高温、高压等工况要求，但还有部分性能指标有待商榷，有些性能指标还有待完善。第四版升级内容较多，本文主要就第四版中防喷器性能试验及要求方面的内容进行探讨，以起到抛砖引玉的效果。

2 第四版防喷器性能主要变化内容

2.1 增加了产品性能等级PR1和PR2

第四版将钻通设备分为PR1和PR2两种产品性能（performance requirement）等级，产品性能等级仅在防喷器、液压连接器产品和闸板胶芯、环形胶芯等部件的相关试验中进行了分类，但四通、转换法兰、升高短节以及闸板体等无需进行性能等级验证的产品和部件未区分产品性能等级。建议从零部件毛坯状态来进行区分，如生产的零件是按照API Spec 20B[2]要求锻出的毛坯标识为PR2，生产的零件是按照API Spec 20A[3]要求铸造出的毛坯标识为PR1。从零部件的标识中就可以区分出零部件为何种毛坯制造，这种标识方法还可以在其他承压和控压部件的标识中推广。

2.2 增加了剪切闸板的测试要求

PR2性能等级的剪切闸板主要性能要求包括三次剪切试验、剪切范围试验、偏心剪切、侧向力剪切四种试验内容。三次剪切试验中最后一次剪切试验要求钻杆下部固定，符合现场钻杆已被下部管柱闸板关闭的实际情况，此项试验内容的增加实属必要。

剪切范围试验明确了所试验剪切闸板最大和最小可剪切的钻杆或线缆的直径，偏心剪切验证了剪切过程中剪切闸板对自由状态的钻杆导中并成功进行剪切的性能，都对现场有很大的指导意义。增加的剪切范围试验可以明确现场情况下多大尺寸的钻杆可以成功剪切；增加的偏心剪切试验可以证明对下部未被卡阻的钻杆可以成功导中剪切。

侧向力剪切试验规范中未明确施加侧向力的位置，也未明确给出施加位置和不同位置施加侧向力后的换算公式，该项试验项目符合现场钻杆卡阻的实际需要，试验内容还有待完善。

2.3 大规格通径防喷器PR2性能等级增加了管柱试验规格

第四版中通径476mm及以上规格闸板防喷器PR2性能等级试验中除原有的127mm管柱外，又增加了大于等于273mm的一种管柱进行试验，环形防喷器胶芯通径279mm及以上规格PR2性能等级增加为两种规格，按胶芯额定密封范围最大和最小进行相关试验。闸板防喷器不同管柱试验具有类比性，实际上再增加一类管柱进行试验有无必要有待商榷。环形防喷器按额定密封范围的最大最小试验是两种极端情况下的试验，与现场实际情况有些脱节。现场钻井作业过程中常用钻杆尺寸为5in或51/2 in，基本上为上述两种钻杆带动不同直径的钻头进行作业，只有在下小于5in的生产套管或大于5in技术套管或表层套管时才可能需要密封最大最小范围的规格，因此相关的密封性能实验、疲劳试验还是应建立在PR1性能等级上5in钻杆试验基础上。而且在生产工艺和配方技术日益提高的今天，闸板防喷器胶芯疲劳试验由第三版的78个压力循环降为PR2性能等的52个压力循环，环形防喷器胶芯疲劳试验由第三版的78个压力循环降为PR2性能等级的26个压力循环，PR1性能等级的疲劳试验技术指标仅为可报告，有报告即可，作为胶芯疲劳试验的重要指标，不升反降，疲劳试验技术指标有待商榷。

2.4 闸板防喷器胶芯PR2密封性能实验增加零井压下和升高井压下低压密封所需最小操作压力试验及井压助封实验

零井压下和升高井压下低压密封所需最小操作压力（Operator Pressure for Low-Pressure Sealing，MOPFLPS）试验数据提供了零井压及至少五个等距点压力值下建立初始密封所需的最小液压控制压力，这个数据对防喷器液压控制系统设计至关重要。防喷器液压控制系统设计时不仅需要考虑零井压下的MOPFLPS，还应该考虑带压关闭时所需的MOPFLPS，否则在实际现场应用时，一旦需要带压关闭闸板，液压控制压力过低，造成井内高压环境下初始密封建立不起来。

闸板防喷器具有井压助封作用，一旦井压达到某一压力值，即使液压控制压力降为零，也能起到密封作用。增加的井压助封试验对现场操作具有很大的指导意义，在井压高于某一压力值后，无须担心液压控制对防喷器密封的影响。

2.5 防喷器PR2性能等级温度验证试验增加了连续温度试验

防喷器PR2胶芯温度验证试验需进行低温试验、连续工作温度试验、高温实验，其中连续温度试验为新版增加试验项目，测试防喷器胶芯在连续工作温度下防喷器开关和密封性能。目前，防喷器钻井越来越深，井液返回井口的温度也越来越高，这项试验的增加有助于提高胶芯在高温工况下的性能；采用具有较高连续工作温度的胶芯，有助于节约现场钻井作业准备工作时间，提高钻井效率。

2.6 增加环形防喷器胶芯额定密封范围试验

按API Spec 16A[4]第三版要求，环形防喷器的密封范围一般标注为从零到防喷器通径，而实际上封零时仅密封一半的额定工作压力，而且当密封到一定尺寸后，胶芯骨架在径向运动过程中已卡住管柱，已无继续移动的空间，大于这个尺寸的管柱在密封时，可能会将管柱卡坏。因此，该试验项目的增加符合现场实际需要，根据给出的额定密封范围，可以判断出大于多大的管柱尺寸时将不能关闭环形防喷器胶芯，以免卡坏管柱。

2.7 其他有变化和新增的主要性能

第四版防喷器及其胶芯的性能的疲劳性能要求降低，闸板防喷器胶芯的起下钻性能仅要求6.9MPa（1000psi），不再要求进行13.8MPa（2000psi）和20.7MPa（3000psi）起下钻试验，闸板胶芯起下钻长度和环形胶芯过接头数量也降低不少。具体变化和新增内容可与第四版规范核对，不再累述。

3 建议

3.1 PR2产品性能要求涵盖PR1产品性能要求

防噴器产品性能等级分为PR1和PR2两种，试验项目、内容和指标不尽相同。即使是同样的性能实验项目，两种性能试验要求也不一样。PR2的性能实验结果替代不了PR1的试验结果。PR2产品性能要求应高于PR1产品性能要求，因此，建议所有符合PR2产品性能等级的防喷器产品应先进行PR1的试验，符合PR1产品性能要求后，再在PR1的试验基础上增加PR2的试验要求，以弥补PR2试验项目中的缺项。

3.2 提高部分产品性能指标

部分指标在第三版指标的基础上有所下调，如疲劳试验、承压起下钻试验。在产品加工工艺和材料技术日益提高的今天至少应保持指标不变，建议将下调的指标至少恢复到第三版的要求。

3.3 量化部分可报告指标

部分性能试验特别是PR1产品性能实验中的指标为可报告、可量化的不量化，等同于此类试验可有可无，试验结果无关紧要。建议参照第三版对这些可报告的指标进行量化。

3.4 进一步完善部分试验项目标准

侧向力剪切性能试验仅要求剪切闸板总成进行剪切试验，未给出施加侧向力的位置或施加位置的换算方法和公式，建议该试验项目进行进一步研究，通过距剪切闸板总成剪切不同的位置进行剪切试验，总结出适合现场工况条件要求的施加侧向力的位置距离及不同施加位置之间的换算公式，真正地让该试验项目符合井喷失控情况下钻杆卡阻时剪切钻杆的实际工况条件。

3.5 结合现场需求，优化部分试验项目

对闸板防喷器闸板总成增加管柱试验、环形防喷器胶芯最大最小范围等试验项目的可行性再论证，是否有必要。

3.6 结合现场需求，增加气密封试验项目

防喷器在天然气、页岩气开采方面应用越来越广泛，防喷器气密封的要求也越来越高，建议参照GB/T 20174-2019[5]，增加气密封试验项目要求，并在防喷器整机标识的基础上增加标识要求，以区分气密封防喷器和非气密封防喷器。

4 结 语

本文探讨了API Spec 16A第四版防喷器新增的性能要求，分析了部分新增项目的必要性和可行性，总的来说，新版规范在剪切闸板性能试验方面提出了较高要求，温度试验和密封性能实验更贴合现场需求。总结了有待量化和完善的部分性能试验项目，PR1产品性能等级要求有点过低，很多试验项目仅要求可报告，未进行量化，不符合防喷器作为一个预防井喷重大事故发生的一种特殊钻井设备的要求，因此，标准规范应更加严谨，性能实验项目应更加完善，可量化的指标尽可能的量化。随着石油勘探开发作业越来越深，“三高”作业风险越来越高，气密封、剪切铠装电缆、密封高温井口流体等要求也越来越多，因此，规范应紧跟现场钻井作业需求，及时、合理的增加性能实验项目，为安全高效开发石油保驾护航。

参考文献

[1]API Specification 16A 4th.Specification for Drill-through Equipment[S].2017.

[2]API Specification 20B 2nd.Open Die Shaped Forgings for Use in thePetroleum and Natural Gas Industry[S].2020.

[3]API Specification 20A 2nd.Carbon Steel，Alloy Steel，Stainless Steel，and Nickel Base Alloy Castingsfor Use in the Petroleum and Natural Gas Industry[S].2017.

[4]API Specification 16A 3rd.Specification for Drill-through Equipment[S].2004.

[5]石油天然气钻采设备 钻通设备：GB/T 20174-2019[S].

作者简介

侯国庆，硕士研究生，正高级工程师，研究方向为海洋与陆地井控装备研发、数字化设计与制造。

王军，硕士研究生，助教，研究方向为数字化设计与制造、智能轧钢。

（责任编辑：张瑞洋）