防喷器控制装置用蓄能器的液量计算的优化

2020-04-10

液压与气动 2020年4期

(北京石油机械有限公司，北京 102206)

引言

防喷器控制装置是控制防喷器的关键设备[1]，主要作用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、动力泵组、油箱、底座、调压阀管路、环形转阀管路、闸板转阀管路等组成。紧急情况下关闭防喷器的动力源主要来自蓄能器内存储的动力液，蓄能器的液量容积直接决定是否能在规定时间内关闭防喷器，同时也是防喷器控制装置的油箱、动力泵组设计的重要因素，因此蓄能器的液量容积的计算十分重要。

防喷器控制装置在实际使用过程中发现蓄能器内存储的高压液压油实际排放量与理论计算值相差较大，不利于实际操作控制防喷器，针对此弊端，对蓄能器的液量采用优化计算，解决此问题。

1 蓄能器工作原理

防喷器控制装置的蓄能器一般采用皮囊式蓄能器，预充惰性气体，利用压缩气体来存储高压液压油。蓄能器有以下4种状态[2]：

(1) 预充压状态p0，蓄能器在初始压力和环境温度下预充一定压力的惰性气体，此时蓄能器尚未充入液压油；

(2) 已充压状态p1，蓄能器内充入额定工作压力的液压油；

(3) 最小操作压力状态p2，蓄能器排放部分液压油关闭防喷器并保持密封状态下的压力；

(4) 全部排放状态p3，蓄能器排放所有液压油。

以地面防喷器控制装置为例，额定工作压力一般为21 MPa，防喷器控制装置在正常工作状态时，蓄能器处于已充压状态p1，当防喷器控制装置关闭防喷器组之后蓄能器处于最小操作压力状态p2。蓄能器从已充压状态p1到最小操作压力状态p2排出的动力液为蓄能器的可用液量。

2 蓄能器液量容积计算要求

防喷器控制装置的功能为提供足够的可用液量来打开或关闭防喷器组及其他设备，并保持密封状态。示例如下：

防喷器组配备为1个环形防喷器、1个单闸板防喷器、1个双闸板防喷器和1个钻井四通，蓄能器的可用液量要求能满足关闭1个环形和所有闸板并打开一侧的放喷阀，即蓄能器在已充压状态p1到最小操作压力状态p2过程中排放出的所有液量满足操作上述防喷器组的所需全部液量，且排放后的压力p2不小于上述环形、闸板、双闸板防喷器保持关闭的所需压力[3]。

对蓄能器容积的两个要求：一是可用容积大于防喷器组所需的总容积；二是在满足容积要求的前提下，关闭防喷器之后剩余压力应不小于防喷器组的最小操作压力。

3 国外计算方式

从现场的实际井控操作来看，根据理想气体计算出来的蓄能器可用液量与实际所需液量差异较大，国外多家公司根据自己的现场经验进行优化计算。具体的计算优化方式主要是两种。

1) 增大蓄能器的容积

如：钻井和修井井控手册[4]，将计算出的蓄能器的容积乘系数1.5；部分沙特地区要求蓄能器的容积满足关闭并打开所有防喷器组，然后再关闭环形防喷器，两者均是增大蓄能器可用液量以消除计算方法的误差。

2) 提高蓄能器的最小操作压力

蓄能器的最小操作压力p2应不小于防喷器的最小操作压力，国外公司根据实际井控经验对蓄能器的最小操作压力提出新的要求。如井控手册[5]，对蓄能器的最小操作压力要求为闸板最小操作压力加最小密封压力。

钻井，完井和修井操作的压力控制手册[6]对蓄能器的容积计算不仅仅严格要求蓄能器最小操作压力为最小操作压力加最小密封压力，同时要求对此最小操作压力使用剪切压力进行核算，两者取最大值。

这两种方法是通过提高蓄能器的最小操作压力来减少计算方法的误差，以满足实际操作需求。

提高蓄能器的最小操作压力的计算方式最为复杂和严谨，不仅考虑闸板的最小操作压力须加上最小密封压力，并且要求核算此最小操作压力是否满足剪切闸板的最小操作压力。根据井控操作要求：

使用剪切闸板防喷器时，先关闭剪切闸板防喷器上的环形防喷器，然后打开放喷管线闸阀泄压，打开剪切闸板防喷器上面和下面的半封闸板防喷器，打开防喷器远程控制台储能器旁通阀，关闭剪切闸板防喷器，直到剪断井内钻具/油管，关闭全封闸板防喷器，控制井口[7]。

剪切闸板因其特殊性和重要性作为最后一道安全屏障需要剪断井内钻具/油管[8]，需要防喷器控制装置在操作剪切之后，剩余压力大于剪切的最小操作压力方能保证剪断钻具/油管，且保证剪切之后能封住剪切闸板，方能手动锁紧闸板，控制井口。提高蓄能器的最小操作压力计算要求是更符合现场井控操作实际要求的。

4 优化计算

上述的计算方式都是从实际井控需求角度对蓄能器容积做出修正，从而使蓄能器容积更加符合实际需求，但是上述国外的计算方式都是按照等温过程来计算的，没有考虑计算方式的差异对蓄能器容积造成的影响。若从防喷器控制装置的实际使用过程中来分析，蓄能器充压的过程与排放过程截然不同，应该考虑计算方法对不同过程造成的差异。

因此需要从充压、排放、温度影响三个方面对蓄能器的液量计算进行优化分析。

4.1 充压过程

防喷器控制装置的充压过程是指蓄能器从预充压力到额定压力的过程，防喷器控制装置的泵组在15 min 内将蓄能器从预充压力升至额定压力，蓄能器充压的过程时间长容积大可以考虑为等温过程。

4.2 排放过程

防喷器控制装置的排放过程是指蓄能器从额定压力到最小操作压力的过程，而且蓄能器的输出压力和排油体积存在一定的关系[9]，不能简单按照等温过程来计算，考虑排放过程是一个短时间内(最长1 min)排放大量液压油的过程，按照绝热过程来考虑更加适合实际需求。

根据蓄能器容积计算公式(选自机械设计手册)：

(1)

式中,VR为蓄能器总容积;V0为蓄能器压力降低到最小操作压力时的容积；n为指数；p0，p1，p2为蓄能器不同状态下的压力。

对于理想气体，等温过程，n=1；绝热过程，n=1.4；即蓄能器充压过程指数n=1，蓄能器排放过程中指数n=1.4。

理想气体状态方程只是在低压下才能反映实际气体的性质，随着气体压力的增加两者的偏离越来越大[10]。以40 L蓄能器为例，等温过程中计算的可用容积为20 L，绝热过程中计算的可用容积为16.86 L，相差近8%，而防喷器控制装置使用的蓄能器容量都较大，以800 L为例，差别达60 L，足可以关闭1个FH35-70型号的闸板防喷器，因此在计算蓄能器容积时应该按照排放时的绝热过程来计算，才能更满足实际使用要求。

4.3 温度等其他因素影响

蓄能器内的液压油在排放过程中受到摩擦力、温度、压力等影响，排放是一个多变的过程，实际排放量会小于理论计算值。蓄能器排放过程中气囊内的压缩氮气绝热膨胀，实际氮气的绝热指数n(即k=Cp/Cv)与温度T和压强p有关，容积绝热指数随温度的升高而降低，随压力的增加而增加，因此计算时不能简单的以理想氮气的绝热指数n=1.4来计算，而根据RKS状态方程、范德瓦耳斯方程等计算，或者根据AMESim仿真计算，都是通过计算方法得到气体的绝热指数，计算方法较为复杂且仿真计算时条件参数输入要求比较严格[11-12]，例如要求输入蓄能器的排放体积和排放时间，这些数据都是需要经过计算得出，不适用于防喷器控制装置的蓄能器容积计算。防喷器组的配备需要根据钻井现场的井底压力等情况进行配备，组合多变，不利于优化计算及现场用户的使用推广。因此需要用简便且精确的方法来计算，本研究参考NIST的数据进而得到实际绝热指数，方便实际计算。从表1的数据可以看出蓄能器内氮气的绝热指数随着温度上升而下降，随着压力上升而升高，符合绝热指数的特性，由于防喷器控制装置所处的地理环境不同，温度差异较大，且季节不同带来的影响较大，因此应该以低温计算且取额定压力下的指数计算结果更为准确。