防喷器地下试压系统及应用技术研究

杨利强

（1．长江大学石油工程学院，湖北 荆州 434023；2．胜利石油管理局渤海钻井总公司，山东 东营 257200）

防喷器地下试压系统及应用技术研究

杨利强1，2

（1．长江大学石油工程学院，湖北 荆州 434023；2．胜利石油管理局渤海钻井总公司，山东 东营 257200）

国内在井控装备生产车间对防喷器的试压检测仍然采用地面试压方式，安全风险大，检测效率低，不符合井控安全和HSE管理的要求。为进一步保证设备和人员的安全，设计了防喷器地下试压系统，并对地下试压相关应用技术和工具进行了研究。设计的防喷器地下试压系统大幅提高了防喷器试压检测的安全性和检测效率，改善了车间环境。与地面试压检测相比，防喷器地下试压系统安全、高效、便捷、环保，必然会成为以后井控设备试压检测技术发展的方向。

防喷器；地下试压；检测；液控系统；设计；监控

防喷器是钻井过程中用于防止井喷事故发生的关键设备，为保证其质量安全可靠，在井口安装使用的防喷器必须作压力检测试验。随着油气田开发向深层的勘探与开发，钻井施工难度越来越大，对井控设备的安全保障能力提出了更高的要求，相应的70、105、140 MPa防喷器相继应用到了钻井生产中。随着防喷器压力级别的提高，现有的地面试压检测方式已经越来越不符合安全和环保方面的要求，存在很大的安全风险。如何提高防喷器在井控车间试压检测的安全系数，不仅对试压设备提出了更高要求，也对试压环境的安全系数提出了更高要求。

据了解，国外著名的井控设备制造和供应商（例如CAMERON、HYDRIL、SHAFER等公司）对防喷器的试压检测多采用地下试压方式，检测手段齐全，已经形成一套完整的防喷器地下试压检测和配套技术。除能实现防喷器各种性能检测外，还可以检测气密封等性能，满足气井、超高压、高含硫等特殊工艺井开发时对防喷器的技术需求。该系统在满足防喷器试压检测安全要求的同时，能限制噪声扩散并保护环境，即使在试压过程中发生意外也能保证地面人员和设备安全，控制事故影响范围，具有较高的安全性和先进性。

我国在防喷器地下试压技术方面还处于研究和探索阶段，国内大多数井控设备制造企业和维修单位对防喷器的试压检测仍然采用地面试压，不仅噪声大，工作环境差，最重要的是地面防护设施强度与防喷器的试验检测压力不能匹配。在防喷器地面试压检测过程中，人和试压设备均处于不安全状态，安全风险巨大。因此，采用地下试压方式，设计防喷器地下试压系统，研究解决地下试压相关技术，进一步解决防喷器试压安全问题，提高试压检测效率，是井控设备试压检测技术发展的方向。

1 地下试压系统设计

1．1 地下试压区

1．1．1 结构与布局

从防喷器检测、通行、监控等各种设备的布局及油、电、监控等管线安装方面考虑，仔细研究在生产和检测过程中各种设备的功能，避免弧线干扰和造成过多空间浪费，方便施工。设计的地下试压区平面图如图1所示。

图1 地下试压区布局

设计的地下试压区长13 m，宽7 m，深5 m，分为2个区，可承受重力500 k N，可满足2台防喷器同时试压要求，也满足防喷器联体试压和气密封试压检测等要求。试压区设计有长7 m、宽2．5 m、厚4 cm的防护钢板，可以沿试压区顶部墙面左右移动，防止试压检测时试压管柱飞出造成伤害，保护试压区顶部安全。

1．1．2 安全性校核

按最高压力140 MPa设计，当防喷器发生泄漏后，可简化为单喷嘴射流模型。假设泄漏处为1个喷嘴，墙体距喷嘴取最小距离为1．5 m，即，已知参数：入口压力p＝140 MPa；喷嘴直径d＝0．003 m；喷距（防喷器壳体与防护墙的最小距离）L＝1．5 m。

沿漏点方向轴线速度场分布如图2所示，可以看出：在射流到达防护墙壁附近时，速度为vq＝25 m／s。根据式（1）可计算射流对墙体的压力为：pq＝0．31 MPa。防护墙抗压强度为42．5 MPa，说明射流不能破坏防护墙［1］。

图2 射流轴线速度分布

1．2 试压控制与检测系统

为了实现整个防喷器试压检测过程安全、智能、高效的目标，设计了试压控制与检测系统。该系统主要由液控系统、增压系统、数据采集与自动控制系统、监测系统和辅助控制系统组成，系统控制流程如图3所示［2-3］。

图3 试压系统控制流程

1） 试压控制与检测系统 主要实现试验压力的自动采集、监测结果输入和过程控制，实现试验检测过程的自动化。

2） 液控系统 主要由控制装置、卡箍、管汇组及管线组成，主要实现防喷器法兰部位密封、闸板开关和泄压功能。

3） 增压系统 由液动泵或气动泵组成，实现防喷器试压压力的提供和补偿。

4） 监测系统 主要实现对试压区和试压过程的监控。

5） 辅助系统 主要实现试压区顶部护板的移动、摄像头位置角度的调节、排水除污等功能。

2 地下试压系统的实施与开发

2．1 地下试压区的建设

胜利油田渤海钻井总公司是在原有的防喷器维修检验车间改建地下试压区，所以地下试压区的建设都是在厂房内施工，由于老厂房地基和地下水层的影响，地下试压区面积又比较大，深度较深，直接挖坑建设的方法不可取，施工难度较大。为此，技术和基建施工人员经研究计算采用逐层下降的方法，边下挖、边下沉、边浇注，这样既保护了老厂房地基，防止地层坍塌造成危险，又保证了地下试压区的施工质量。

2．2 试压控制与检测系统的开发

在试压控制与检测系统设计要求的基础上，结合以前试压控制系统存在问题，开发了新的试压控制与检测系统。新系统主要由控制单元（软件部分）和执行单元（硬件部分）2部分组成。控制系统软件主界面如图4所示，硬件部分如图5所示。具有以下特点［4］：

图4 控制系统软件主界面

图5 控制系统硬件原理

1） 安装使用方便，界面清晰，显示直观，操作简单。

2） 实现了整个试压过程的全自动操作，自动化程度高。

3） 设置了压力超限报警、误操作提示和故障自我保护等功能，安全程度高。

4） 精度高，检测灵敏度0．01 MPa，满足防喷器低压试压检测要求。

5） 检测压力高，可以满足140 MPa及以下防喷器的压力检测要求。

6） 可输入功能强大，稳压时间、预置压力、报警压力等参数都可以修改，可以满足各种工况的防喷器压力检测要求。

7） 可按时间及编号自动保存试压结果和曲线，具备完整的检测结果打印功能，查询和可追溯功能强大。

8） 具有较强的抗工业干扰能力。

2．3 液控系统的开发

2．3．1 原系统主要问题

目前，国内还没有专门用于维修试压检测的防喷器控制装置，只能用钻井现场使用的防喷器控制装置来替代，而这种装置在使用过程中有许多不变和局限性，主要存在以下问题：

1） 控制装置的蓄能器和部分高压管汇暴露在厂房内，对周围施工人员构成安全威胁。

2） 控制装置电机启动工作时噪声巨大，严重破坏车间环境。

3） 占用了有限的防喷器维修车间面积，容易发生磕碰、误操作等意外事故。

4） 输出压力范围有限，满足不了防喷器试压检测需要不同等级压力源的要求。

5） 控制装置的泄压回路只有1个，使得每个控制单元不能单独形成回路，无法有效提高工作效率。

6） 无备用电机和柱塞泵，部件损坏容易影响整个试压检测工作。

2．3．2 新液控系统的开发

图6 原控制系统油路

1） 将油泵、电机、油箱、蓄能器等高压力油制备、储存部分转移到车间外并隔离，将操控执行部分留在室内，2部分用高压软管联通。这样既防止了高压设备直接暴漏的安全风险，也消除了控制装置电机启动产生的噪声，节省出有限的车间内空间［6］。

2） 增加调压阀数量和调节范围，共形成4套独立的减压输出系统，不但可以输出不同压力级别的高压源，而且互不影响，大幅提高了工作效率；同时增加蓄能器数量，每个蓄能器下部安装高压球阀和泄压阀，增强储压量的同时方便维修。

3） 把原来的单电机、油泵改为双电机、双油泵，在提高效率的同时大幅提高了工作可靠性，避免了因设备部件故障而影响整个检测工作。

4） 操控执行部分采用模块化设计并备有接口，方便添加新的控制单元，可扩展性强。

图7 新控制系统油路

2．4 监控系统的开发

试压监控采用移动式全方位视频监控系统。镜头能够10倍光学变焦，能够局部放大影像，在保证对防喷器和地下试压区监控的同时，也实现了对试压泵、管汇组的监控。监控系统能够清晰观察到防喷器试压的每个部位，所有监控信号全部集中传输到监控室，试压操作员可通过试压控制与检测系统调节摄像头位置，方便其了解整个试压过程，保证试压过程安全［7］。

3 相关应用和配套技术

3．1 新型防喷器试压盲板

常言道：“树老根先竭，人老腿先衰。”长寿老人几乎个个都步履稳健、行走如风。除了上面的太极步，生活中也可以做做“养腿保健操”：背部靠墙站立，脚慢慢往前走，然后再退回；双膝并拢，屈膝微微下蹲，双手置于膝盖上，先顺时针方向旋转30次左右，再逆时针旋转30次；慢跑、快走、游泳等有氧运动也是不错的锻炼方法。

防喷器试压时，需要液压卡箍推动试压盲板将防喷器底部法兰部位密封起来（如图8所示）。由于不同规格防喷器使用的密封垫环型号不同，在试压检测不同规格防喷器时，就必须频繁地更换试压盲板，大幅降低了试压效率。且采用地下试压后，吊车操作人员离吊装防喷器的视线距离增加，使将防喷器吊装到试压卡箍盲板上的这一过程也变得比较困难。为此，设计了新型防喷器试压盲板（结构如图9所示），主要有以下特点［8-9］。

图8 防喷器试压卡箍和试压盲板安装结构

图9 新型防喷器试压盲板结构

1） 设计增加了自动对中引导斜面，斜面内加工母扣螺纹，可与环形防喷器试压管柱连接，在方便吊装操作同时，可大幅提高环形防喷器试压检测的安全性。

2） 高压进水口与泄压口分开，同时将泄压口提高到导向斜面上，具有防堵沉沙作用，可有效防止防喷器内腔泥沙堵塞管线。

3） 设计了一种新型垫环密封形式，结构如图10所示。使1种规格盲板可试验2种不同级别的防喷器，避免了盲板频繁更换，提高了效率；同时在密封垫环底部增加了1道O形密封，在大幅提高密封性能的同时，减少了对盲板的磨损，可延长盲板的使用寿命［10］。

图10 新型密封垫环的密封原理

3．2 试压专用平板阀的研制

国内防喷器试压系统中的压力控制管汇组一般都采用通径52 mm液动平板阀。该平板阀液控腔体大，反应速度慢，开关过程对压力值的影响很大，很难控制在需要的压力范围；其次是通径大，密封压力级别不高，在频繁的开关过程中容易磨损造成压力泄露；该平板阀体积过大，维修、更换困难，用于防喷器的地下试压，更加不适合。为此，设计制造了一种防喷器试压专用YPF20-140型平板阀，公称通径20 mm，额定工作压力140 MPa，结构如图11所示。主要有以下优点：

1） 密封性能更好，压力级别高。

2） 质量仅65 kg，方便安装维修。

3） 能够有效地节省空间，适合地下试压使用。

此外，为了使整个防喷器地下试压系统的检测效率更高，安全、方便，还设计了气动试压装置——QSY160SP型双联试压泵系统，最大工作压力160 MPa，具有起压速度快、运行平稳、自动化程度高等优点。设计制作了防喷器试压防飞管柱，给地下试压区顶部护板加装了自动平移机构，这些配套设施的使用，进一步提高了整个系统的自动化程度和运行效率，确保了试压过程安全。

图11 试压专用平板阀

4 应用效果

防喷器地下试压系统建成投入使用以来，试压检测数量由原来每天2～3台提高到现在的每天6～8台。运行1 a来，已经检测防喷器970台，全年多检测防喷器近400台，创造经济效益近千万元。在取得良好经济效益的同时，也有效缓解了防喷器试压检测的紧张局面，大幅提高了试压检测的安全水平。现在防喷器地下试压系统及相关技术已经在胜利油田的南北疆井控车间进行了推广，也取得了较好的效果。

5 结论

1） 与地面试压检测相比，防喷器地下试压系统更加安全、高效、便捷、环保，必然会成为今后井控设备试压检测技术发展的方向。

2） 防喷器地下试压消除了地面试压的安全隐患，大幅提高了防喷器试压检测工作的安全系数，改善了井控车间环境，达到了HSE管理要求，提升了企业形象。

3） 在今后防喷器地下试压技术的研究中，应进一步开展防喷器气密封检测技术研究和声发射技术的应用，提高防喷器地下试压技术水平。

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Study of BOP Underground Pressure Testing System and Application Technology

YANG Li-qiang1，2
（1．School of Petroleum Engineering，Yangtze University，Jingzhou 434023，China；2．Bohai Drilling Company，Shengli Petroleum Administration，Dongying 257200，China）

Domestic well control workshop to bop of pressure testing still use the ground test mode，not only a lot of safety risk exists，and detection efficiency is very low，do not conform to the well control safety and HSE management requirements．To further ensure the safety of the equipment and personnel，the bop underground pressure test system，and the underground pressure testing related application technology and tools for a research project were designed．Design of the bop underground pressure test system can solve the ground pressure detection in security hidden danger，greatly improve the blowout preventer test detection of security and detection efficiency，improve the workshop environment．Compared with the ground pressure testing，BOP underground pressure test system safer，efficient and convenient，environmental protection，will be laterwell control equipment test detection technology and its development direction．

BOP；underground pressure test；detection；hydraulic control system；design；monitoring

TE931．1

A

1001-3482（2014）01-0074-06

2013-07-01

杨利强（1978-），男，陕西眉县人，工程师，硕士研究生，主要从事井控和钻井工具研究，E-mail：liven＠163．com。