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(1.成都欧迅科技股份有限公司， 四川 成都 610041； 2.宝鸡石油机械有限公司， 陕西 宝鸡 721000)

0 引 言

最近几年，世界各国对海洋油气的勘探和开发工作高度重视，其中，应用于海洋油气开发的钻井隔水管设备作为海洋油气勘探装备的重要单元，其技术一直被少数国外公司垄断[1]。我国海洋面积辽阔，海洋油气资源丰富[2]，对海洋石油勘探的力度也在逐步加大，但是海洋石油勘探装备落后，海洋钻井装备主要依赖进口。为维护我国海洋资源权益，保障国家能源安全，需进行海洋钻井装备的自主研发[3]。

图1 隔水管系统配置

图2 Cameron公司设计的灌注阀

海洋石油隔水管系统由井口安装架、万向节、隔水管、灌注阀、底阀等部件组成[4]，如图1所示。作为隔水管系统的重要组成部件，灌注阀可以有效维护海洋隔水管系统的安全运行，从而使得海洋隔水管系统的可靠性得到提升。

目前，隔水管灌注阀产品技术被Cameron，GE-Vetco Gray，Hydrill等国外少数几个公司垄断[5]。图2是Cameron公司生产的隔水管灌注阀。压差传感器检测隔水管内外压差，海水压力高于管内压力1.55 MPa时，主控液控阀换向，滑移装置上移使通口打开，当海水流入管内平衡压力。该灌装阀采用中间法兰式结构，中间位置布置有压差平衡装置、蓄能器、控制阀，以此提升系统响应速度。该灌装阀具备自动打开和远程控制功能，当自动打开功能失效时，启动水上远程控制系统打开灌装阀，提升隔水管系统的可靠性[6]。Cameron公司生产的隔水管灌注阀应用广泛，市场占有率高。GE-Vetco Gray公司开发的一种灌注阀能够在大载荷环境下工作，满足深海区域的作业要求，其结构紧凑、接头外部法兰采用圆弧过度，具有良好的密封性能。Hydrill公司生产的外置式灌注阀兼备自动和手动开启功能，当对其进行自动打开操作时，利用外置差分式液压平衡结构来完成。为提升系统可靠性，采用4个独立的外置滑阀，即使一个滑阀失效，灌注阀仍可完成规定动作。滑阀外置减小了灌注阀轴向尺寸，改善了因轴向尺寸过大而导致的密封性问题。Hydrill公司生产的弹性元件式灌注阀利用弹性材料的压力敏感性检测压差，控制灌注阀动作。弹性材料质量轻，当压差大于临界压差时，如果设计的灌注阀未按照要求打开，那么此弹性元件先被损坏，灌注阀腔体的压力由流进的海水平衡，从而防止隔水管被挤毁。利用弹性元件设计的灌注阀还未用于实际应用，但为灌注阀的设计提供了一种新的方向。

目前，国内还未开展海洋钻井隔水管配套装备领域方面的研究工作，仅是针对隔水管灌注阀进行了一些前期调研。作为海洋钻井隔水管系统的主要部件，隔水管灌注阀的研究工作十分重要。

1 隔水管灌注阀对隔水管的保护作用

在海洋石油隔水管系统中，深水区域的隔水管受到多种力的作用，见表1。当其受到的内外压力差值超过临界挤毁压力时，隔水管破裂，系统无法工作。隔水管挤毁压力公式[7]为

(1)

式(1)中：pc为隔水管最小挤毁应力；cm为材料不确定系数；cg为集合缺陷系数；E为弹性模量；v为材料泊松比；t为隔水管壁厚；D为隔水管外径。

表1 海洋钻井隔水管受力

为了防止隔水管被挤毁，需要平衡隔水管内外压力。隔水管灌注阀与单根隔水管结合：当隔水管内外压力差达到隔水管的临界挤毁压力时，灌注阀阀门自动打开1个外部套筒，海水进入隔水管，保持内外压力平衡，从而保护隔水管。一般按照式(1)设计灌注阀阀门开启的临界压力。

2 隔水管灌注阀功能要求

2.1 隔水管灌注阀设计原则

图3 灌注阀控制原理图

海洋钻井隔水管工作环境复杂多变，实际工作中受到海浪、洋流、平台移动、海水压力等载荷作用[8]。因此，在设计灌注阀时，其可靠性应放在第一位[9]，并在具备高可靠性基础上，兼备自动和人工打开的功能，能实现远程控制，操作简单。通过对隔水管灌注阀操作条件和应用环境的分析与研究，总结国外主要产品的功能特征，得到灌注阀设计指标有：可靠性高、密封性能良好、 响应速度快、结构布置紧凑、承载能力强。灌注阀开启压差为

Δp=p管外-p管内

(2)

隔水管的极限承载力为

(3)

式(3)中：Q0为隔水管极限承载力；Dc为隔水管外径；dc为隔水管内径；qs为管侧阻力；qp为管端阻力；Li为隔水管深度。

图4 平衡阀结构

图5 初始状态控制原理

2.2 灌注阀控制系统设计

隔水管灌注阀有4种工作状态：初始状态、自动打开状态、远程打开状态以及远程关闭状态，其控制系统如图3所示。

平衡阀又叫压差反应器，通过平衡阀两端海水和泥浆的压差控制灌注阀的状态，是灌注阀的核心部件。研究设计的平衡阀结构如图4所示。

由力平衡可得

F2=|F1-F3|

(4)

式(4)中：F1为海水作用在活塞上的力；F2为控制口压力作用在活塞上的力；F3为泥浆作用在活塞上的力。

控制系统根据活塞受到的力F2的大小实现对灌注阀状态的控制。

(1) 初始状态：海水压力(管外压力)和泥浆压力(管内压力)相等时，平衡阀处于初始位置。控制原理如图5所示：P1、P2、K1口压力相等；主阀阀芯在弹簧作用下，阀芯处于左边的位置，此时，A与T口处于接通状态。弹簧力对转换阀的作用使得P和B口接通，B和T口隔开；此时，转换阀内的油液流通状态是：P-B-液压油缸-A-T。

(2) 自动打开状态：当海水压力与泥浆压力的差值低于设置的压差时，柱塞式压差阀动作，从而使主控阀实现换向，并且蓄能器的压力推动液缸，然后再向下推动滑套，灌注阀筒处于全部打开的状态。此时，K1口压力增加，油液进入K2口，K2口的压力超过主阀弹簧打开需要的值，主阀弹簧被推动，从而带动阀芯向右运动，P口和A口处于接通状态，A口和T口则截止，B口和T口也接通，而B口和P口则截止。此时，转换阀内部的油液流通状态是：P-A-液压油缸-B-T。控制原理如图6所示。

(3) 远程打开状态：用地面的控制装置发出信号，实现主控阀的换向，蓄能器的压力推动液缸，然后再推动滑套向下运动，此时灌注阀处于开启状态。当平衡阀两边的受力处于平衡状态时，K2口油液压力小于开启主阀阀芯所需的力，从而使阀芯位于初始位置，K3接通远程液压油才能使主阀开启，以实现阀芯的右移；当K3口接通远程液压油时,P与A口和T与B口均处于接通状态。此时，油液流通方向为：P-A-液压油缸-B-T。控制原理如图7所示。

图6 自动打开状态原理图

图7 远程打开状态原理图

图8 远程关闭状态原理图

图9 高压舱海洋环境模拟测试现场布局

图10 高压舱舱内实时监测

表2 不同压差下灌注阀动作 MPa

4 结 论

针对海洋石油勘探装备国产化进行研究，分析国外主要海洋隔水管灌注阀性能特点，归纳得出灌注阀设计的基本指标。根据隔水管灌注阀功能要求和海洋工作环境，以基本指标为准则设计灌注阀功能和控制系统。在高压舱内模拟海洋环境，控制隔水管内外压差，并对其进行开闭性能测试。测试结果良好，满足深海作业要求，检验了设计灌注阀的性能，可为海洋石油勘探的研究提供参考。

[1] 周俊昌. 海洋深水钻井隔水管系统分析[D]. 西南石油学院, 2001.

[2] 李保振, 张健, 李相方, 等. 中国海上油田注气开发潜力分析[J]. 天然气与石油, 2016(01): 58-62, 11.

[3] 管申, 谭强, 黄熠, 等. 海上复杂压力体系油田钻井安全密度窗口研究[J]. 天然气与石油, 2015(05): 52-55, 10.

[4] 杜利楠. 我国海洋工程装备制造业的发展潜力研究[D].大连: 大连海事大学, 2012.

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