应急井控控制装置氮气备用系统设计分析

巴鲁军，王晓颖，陈 超，方志猛，郭 晨，何伟红

应急井控控制装置氮气备用系统设计分析

巴鲁军1，王晓颖2，陈 超2，方志猛2，郭 晨2，何伟红2

（1.胜利石油管局 渤海钻井管具公司，山东 东营257200；2.北京石油机械厂，北京100083）

氮气备用系统是井控控制装置的重要组成部分。当井喷失火、管线破裂等原因造成防喷器控制装置储存的高压液压油耗尽，主动力和辅助动力泵组都失去动力时，氮气备用系统能提供应急关井的动力，为防止井喷失控起到至关重要的作用。依据API 16D对氮气备用系统的概述，分析了氮气备用系统的原理及其辅助功能，对氮气瓶的理论可用气量进行了计算，为氮气备用系统在钻井现场应急操作中的合理应用提供依据。

氮气备用系统；应急关井；防喷器控制装置

氮气备用系统是应急井控防喷器组应急操作的重要组成部分［1］，当防喷器控制装置的蓄能器组存储的高压液压油耗尽，主动力和辅助动力泵组都失去动力的时候，氮气备用系统将是最后的应急关井动力（即，当防喷器控制装置没有可用液量时，高压氮气被直接接入到液压管线，利用高压氮气来关闭防喷器）。

1 氮气备用系统概述

在API SPEC 16D 2nd Edition、SY／T5053.2—2007的5.8.5条款中，对氮气备用系统作了如下描述：

1） 氮气备用系统由多个高压氮气瓶组成，这些氮气瓶通过管汇连接在一起，可向控制管汇提供应急的动力。氮气备用系统通过1个隔离阀和单向阀连接到控制管汇上。如果蓄能器或泵组不能为控制管汇提供动力液，可以用氮气备用系统为管汇供应高压气体以便关闭防喷器。

2） 氮气备用系统应以上述方式连接到控制管汇中，既要防止氮气进入到蓄能器管线中又要防止液压油进入到氮气备用系统的管线中。氮气备用系统的管线或控制管汇应带有允许控制高压氮气流量的卸荷阀，以防止高压氮气无控制地进入液箱［2-3］。

2 氮气备用系统工作原理

根据API 16D对氮气备用系统的定义，设计的氮气备用系统要满足API 16D的要求，同时还包括一些辅助功能，其液压原理如图1。

图1 氮气备用系统液压原理

其工作原理为：

动力源高压氮气瓶中存储足量的高压氮气，当需要应急动力操作氮气备用系统的时候，关闭防喷器控制装置上的蓄能器组隔离阀，以防止氮气进入蓄能器。将旁通阀打开，以防止高压氮气经过减压阀减压。将所有转阀置于中位，打开高压球阀，打开氮气备用系统上的隔离阀，高压氮气通过高压管线进入到防喷器控制装置中的控制管汇，可以操作三位四通转阀，进而推动防喷器动作。

氮气备用系统中的单向阀用以防止防喷器控制装置中的液压油进入到氮气备用系统的管线中，压力表显示高压氮气瓶中的气体压力。

当操作结束后，关闭隔离阀，缓慢打开备用氮气源排气管汇上的气体排放阀，将控制管汇中的带压气体释放到大气中，同时将残余油液回收到收液桶中。

在操作前，还要打开防喷器控制装置油箱左右两侧上方的丝堵，增大排气通道，防止换向操作防喷器时，有高压氮气快速回油箱造成油箱箱体破裂。

3 氮气瓶有效排气量计算

目前，常规氮气瓶的公称工作压力为15 MPa，试验压力为22.5 MPa。而市场销售的氮气瓶实际充装的钢瓶内压力在室温下多为13.5～14.0 MPa左右。

氮气瓶的容积有10、15、20、40 L等多种规格。氮气备用系统选用40 L的钢瓶。

氮气备用系统的控制对象为防喷器，API RP53中规定：“防喷器的最小操作压力为在正常工作条件下，由制造厂商规定的能有效关闭／密封闸板或环形防喷器的最小操作压力。”目前，国内的闸板防喷器的最小操作压力为8.4 MPa，环形防喷器的最小操作压力小于闸板防喷器的最小操作压力。

根据理想气体恒温排放公式［4］，有

式中：p1为氮气瓶中的预充压力，取13.5 MPa；V1为单个氮气瓶的容积，取40 L；p2为防喷器的最小操作压力，取8.4 MPa；V2为最小操作压力下的气体体积。

则V2＝13.5×40／8.4＝64.3 L

△V＝V2－V1＝64.3－40＝24.3 L

即1个40 L的氮气瓶理论上可提供的氮气操作容量为24.3 L。

在现场使用中，系统长期处于备用状态，氮气会有缓慢泄露。根据上述计算公式计算不同压力下1个40 L的氮气瓶在理论上可提供的氮气操作容量（如表1），以便于现场对氮气瓶的压力降低能有提防意识。

表1 不同压力下40 L氮气瓶理论操作容量

需要注意的是：氮气备用系统使用的压力表为1.5级，25 MPa，则压力表的读数误差为25×0.015＝0.375 MPa，在需要补充氮气时，要将此考虑到。

温度对于氮气瓶内的最高充装压力是有影响的，GB14194—2005《永久气体气瓶充装规定》中对温度和15 MPa氮气瓶的最高充装压力规定［5］如表2。

表2 不同温度下氮气瓶最高充装压力

在有充氮小车或制氮机的维修服务站，补充氮气时要根据现场的温度合理充装氮气。

4 可用氮气瓶数量

对于不同的防喷器组及不同用户的需求，氮气备用系统要配备不同数量的氮气瓶，一般为4～8个。

当使用氮气备用系统时，仅作为一种应急操作，是在防喷器控制装置的蓄能器组存储的高压液压油耗尽，主动力和辅助动力泵组都失去动力时，氮气备用系统将是最后的应急关井动力，故不应以防喷器控制装置中对于蓄能器的容量来要求。

设计时取氮气瓶的数量为5，则理论可提供的应急动力容量为24.3×5＝121.5 L。

在紧急操作时，应关闭闸板操作，以保证氮气备用系统的有效动力容量。

需要说明的是：氮气备用系统中氮气瓶的预充压力为13.5 MPa，而对于高压剪切闸板的最小工作压力一般为21 MPa，氮气瓶的压力不够，所以氮气备用系统不能用于剪切闸板。

5 辅助功能

氮气备用系统还具有为司钻控制台提供备用气源的功能。通过氮气减压阀将高压氮气转变为较低压力，经气源管线与司钻控制台的进气口连接。当钻机的空气压缩机组失效时，可为司钻控制台提供远程操作所需的气源压力，进而实现在司钻台遥控关闭防喷器组。

当从司钻台操作时，1次操作所引起的司钻台气缸、远程台上气缸、管线的耗气量大约为0.26 L。则根据恒温下的理想气体状态方程［4］，有

式中：p1为氮气瓶中的预充压力，取13.5 MPa；V1为单个氮气瓶的容积，取40 L；p′2为气缸的最小操作压力，取0.65 MPa；V′2为最小操作压力下的气体体积。

则：V′2＝13.5×40／0.65＝830.7 L

则1个40 L的氮气瓶理论可提供为遥控气缸的氮气操作容量为790.7 L。790.7／0.26＝3 041，即，可以用此氮气瓶提供司钻台上约3 041次的操作。

氮气备用系统也可以为蓄能器充气。用蓄能器充气管和充气工具将气体瓶阀与蓄能器的充气阀连接起来，可对蓄能器补充气体。在为蓄能器充气后，要对氮气备用系统及时充气，以保证应急关井操作的压力。

6 结语

氮气备用系统作为应急关井设备在钻井机和修井机上得到了普遍地应用，对于该设备的性能及实际操作防喷器时所能提供的关闭气体的气量，还需要通过现场应用来验证。

［1］ 石油天然气钻井井控编写组.石油天然气钻井井控（中国石油员工培训系列教材）［M］.北京：石油工业出版社，2008.

［2］ API SPEC 16D 2nd Edition，Specification for control systems for drilling well control equipment and control systems for diverter equipment［S］.

［3］ SY／T5053.2—2007，钻井井口控制设备及分流设备控制系统规范［S］.

［4］ 成大先.机械设计手册：第四卷［K］.4版.北京：化学工业出版社，2002.

［5］ GB14194—2005，永久气体气瓶充装规定［S］.

Emergency Control Equipment for Well Control-Nitrogen Backup Systems Design and Analysis

BA Lu-jun1，WANG Xiao-ying2，CHEN Chao2，FANG Zhi-meng2，GUO Chen2，HE Wei-hong2
（1.Bohai Drilling Tubular and Tools Company，Shengli Petroleum Administration Bureau，Dongying 257200，China；2.Beijing Petroleum Machinery Co.，Beijing 100083，China）

The nitrogen backup system is a very important part of emergency operation to control wellhead blowout preventer（BOP）group.When the high-pressure hydraulic oil stored in accumulators of BOP control system depleted，and the active force and the auxiliary power pump group lost power，the nitrogen backup system becomes the final emergency shut-in power.According to the overview of API 16D on nitrogen backup system，the principle of nitrogen backup system was analyzed，and the nitrogen available volumes was calculated theoretically，and the auxiliary function of nitrogen standby system was described.In conclusion，this paper provided the basis on reasonable application of nitrogen backup system for emergency operation at drilling site.

nitrogen backup system；emergency shut-in；BOP control system

TE931.1

A

1001-3482（2014）03-0081-03

2013-09-11

巴鲁军（1964-），男，山东东营人，高级工程师，主要从事井控装置维修技术管理工作，E-mail：gjblj188＠sohu.com。