防喷器控制装置三位四通转阀手柄位置分析

王晓颖，张立刚，陈慧慧，孟少辉

（北京石油机械厂，北京 100083）＊

防喷器控制装置是控制井口防喷器组以及液动节流阀、压井阀的重要设备，是钻井、修井作业中防止井喷不可缺少的装置［1］。当发生井涌时，防喷器控制装置通过操作三位四通转阀的开关，能迅速、准确、安全可靠地关闭防喷器和打开放喷阀，以防止井喷事故的发生［2］。国外的一些钻井规范（例如API RP53，壳牌公司钻井井控规范等）对正常钻井时三位四通转阀手柄的位置有明确的规定。国内目前尚没有统一的规范来说明此要求，中石油和中石化内部各钻控公司的要求也不一致。本文分析了该转阀手柄位置与防喷器开、关位置保持一致的必要性。

1 三位四通转阀的工作原理

三位四通转阀的工作原理如图1。转阀有4个油口，其中P口为压力油进口；A 口、B 口为压力油出口，A 口接防喷器油缸开启腔，B口接防喷器油缸关闭腔；T 口为回油口，与油箱相通。

阀在换向时，手柄可有3个位置：中位、关位、开位，如图2。

1）中位时P、A、B、T 4个油口互不相通。

2）关位时P 口与B 口相通，A 口与T 口相通。

3）开位时P 口与A 口相通，B 口与T 口相通。

图1 三位四通转阀的工作原理

图2 三位四通转阀手柄位置

2 防喷器控制装置工作原理

防喷器控制装置的工作原理如图3。以关闭半封防喷器［3］为例，将三位四通转阀的手柄扳动至关位，P口与B 口相通，A 口与T 口相通。此时的压力油经过B 口通往防喷器的关闭腔，压力油推动油缸活塞而使防喷器关闭。同时，油腔内另一侧的油液则经阀的A 口流回油箱。

图3 防喷器控制装置工作原理

3 国内外井控规范说明

1）API RP53－1997《钻井作业用防喷设备系统推荐作法》12.5.3节及13.9.2节中均提到“钻井作业期间，每个防喷器控制阀应处于开启状态（不是居中状态）。常规作业时，节流管线液控阀应处于关闭状态。操纵全封闭闸板的控制阀手柄应加以保护以避免误操作，但允许从远控台上进行不受妨碍的所有操作。”［4］

2）壳牌公司钻井规范《Pressure Control Manual for Drilling，Completion and Well Intervention Operations》2008版4.2.1节和2011版5.1.5节均提到了“All four way valves in operation should be either in the fully open or fully closed position，as required；they should not be left in the blocked or centre position.”即在钻井作业中，所有的三位四通转阀应置于全开或全关位置，不应被阻碍或置于中位。在2011版中还在6.4.4节增加了“The four way valves on the operating control manifold，shall clearly show＇open＇and＇closed＇positions for preventer（s）and the remote hydraulic operated kill and choke line valves.”在控制管汇中的三位四通转阀，应当清楚地显示防喷器及节流阀和压井阀“开位”和“关位”［5］。

3）中国石油天然气总公司于1997年出版的井控培训教材——《井控设备》在第五章中说明“平时换向阀手柄应处于中位”［6］。除此之外没有明确的标准提到钻井作业中三位四通转阀的位置。在SY／T5964－2006《钻井井控装置组合配套、安装调试与维护》附录D 钻井井控装置安全检查内容中提到“对远程控制台及液气压管线要检查：各换向阀手柄是否处于正确的位置”［7］，但对具体位置没有说明。目前，石油工业井控装置质量监督检验中心负责将API RP53－1997转化为推荐的行业标准，以解决国内没有钻井作业用防喷设备系统推荐做法的问题。

4）北京石油机械厂在每版的《地面防喷器控制装置液压元器件使用手册》中均明确指出“在正常钻进时，控制闸板防喷器与环形防喷器的三位四通转阀的手柄务必在“开”位，而控制液动放喷阀的三位四通转阀的手柄应在“关”位。反之，当发生井喷时，则上述各阀的手柄位置相反，前者在“关”位，后者在“开”位转阀的“中”位通常不用，而当调试或检修设备时以及在运输过程中，阀的手柄应搬到“中”位，以免液压油漏失”。

4 国内目前操作状况

在中石化的胜利油田、中原油田、西北分公司、西南分公司、华北分公司等油气田及企业，钻井施工中防喷器控制系统各控制手柄置于“中”位；在中国石化的南方勘探分公司，控制防喷器的三位四通转阀手柄置于“开”位；在中石油的塔里木等油田，半封防喷器控制手柄置于“开”位，其他防喷器置于“中”位；其他油气田，有的要求所有闸板防喷器控制手柄置于“开”位、环形防喷器置于“中”位，有的则要求全封和剪切闸板防喷器控制手柄置于“中”位、其他置于“开”位［8］。

5 转阀的位置分析

API标准是国际石油界认可的权威标准，也是中国的石油装备和技术进入到国际市场必须遵守的准则之一。作为国际知名的石油公司之一的壳牌，钻井标准中也与API标准持一致的观点。

但国内的一些培训教材和油田的井控规范均要求在操作过程中将三位四通转阀手柄置于中位，这其中的原因主要是他们认为“将转阀手柄置于开、关位会使控制管线、液缸开启腔长期在高压下工作，存在安全隐患”［9］。

当转阀置于开位时，如图4，压力油P口与A 口相通，压力油充满防喷器开启管线及防喷器开启腔。B口与油箱相通。防喷器关闭腔及关闭管线均与控制装置的油箱相通。

图4 转阀置于开位时系统连接示意

在对防喷器操作结束之后，若将三位四通转阀手柄回到中位，如图5。则压力油口P与A 口隔绝，但此时防喷器开启管线和开启腔压力油并没有泄荷，仅是在换向过程中少量液压油的损耗，则控制管线、液缸开启腔仍然在高压下工作。也就是说无论是在开关位，还是在中位，液压管线其实都是在高压下工作。

图5 转阀置于中位时系统连接示意

目前使用的控制管线的工作压力一般为35 MPa，而除高压剪切闸板防喷器外，环形防喷器、闸板防喷器及液动阀的操作压力约为10.5MPa，远低于管线的工作压力，故按规定定期检查管线，管线长期带压使用是允许的。防喷器的液缸也如此。

将转阀在钻井工作中置于中位有4方面弊端。

1）操作不便利，防喷器位置不明确。大型钻机配备的防喷器控制装置一般都有司钻控制台，在进行井控作业时，主要是通过司钻控制台操作，而司钻控制台是无法将转阀手柄置于中位的，需人工到远程控制台操作；现在国内普遍使用的气控型防喷器控制装置，在远程台操作时司钻控制台上的显示气缸是不能同步换向的，也就无法正确显示防喷器的正确位置，需要人工来记录。通过人员的管理记录又增加了很多不确定因素。

2）液压管线的泄漏问题。将转阀置于中位后，防喷器控制装置和液压管线是不连通的，则防喷器控制装置中提供的高压油是无法供给到防喷器的开启腔或关闭腔的，若转阀出口端至防喷器的腔体这部分管线有渗漏，则腔体内的液压油压力会逐渐下降，可能低于防喷器的最小操作压力。

3）液压管线升压问题。将转阀置于中位后，开启管线和开启腔或关闭管线和关闭腔为密闭空间，当环境温度升高时，虽然液压油的膨胀系数很小，但其受热后微小的体积膨胀可导致压力较大的升高，可能会超过液压管线和防喷器液缸的工作压力。转阀置于开位（或关位），则液压管线和液缸均和防喷器控制装置相连，当环境温度变化时，闸板防喷器可通过防喷器控制装置的减压溢流阀溢流调压，环形防喷器可通过环形溢流阀溢流调压，不会使系统超压。

在实际工作中也推荐对环境温度的适应范围更宽的油品，这些油品的膨胀系数会小，例如10号航空液压油、MOBIL Univis N32、TOTAL Equivis ZS 32、壳牌TELLUS T32等牌号的液压油。

4）防喷器误动作问题。闸板防喷器安装的机械锁紧装置有手动锁紧装置和液压自动锁紧装置2种，液压自动锁紧装置可以防范误动作问题的发生，但当安装的锁紧装置为手动方式时，手动锁紧装置只是在较长时间关井时使用，在正常钻井操作时是没有锁紧装置，将转阀置于中位就有可能出现防喷器的误动作。

将转阀置于中位后，开启腔与压力油不相连，若防喷器液缸的活塞密封损坏，开启腔的液压油进入关闭腔，则开启腔和关闭腔会出现压力平衡的情况，两端压力平衡导致活塞的浮动，引起防喷器的误动作。

液压回路本身应该是一个有动力源、有泄荷的回路，这样才能保证液压系统的安全与可靠。曾发生过井队向防喷器控制装置厂家咨询钻井现场全封三位四通转阀置于中位无人操作，而全封防喷器出现误动作，将钻杆挤压变形的情况。井队怀疑是三位四通转阀损坏。后经厂家协助分析与检查防喷器，发现是全封闸板防喷器的油缸密封损坏导致。

若将三位四通转阀手柄置于开位，则压力油从防喷器的开启腔进入关闭腔，再经转阀的回油口将液压泄回油箱，防喷器开启腔和关闭腔的压力不会达到平衡，则不会发生误动作。同时，防喷器控制装置不断地供给防喷器高压油，则电泵会频繁起动，转阀回油口持续漏油，这些也都可以提醒现场人员检查异常情况。

6 结论

1）在钻井作业中，防喷器控制装置的三位四通转阀手柄应和防喷器保持一致，即控制防喷器的三位四通转阀的手柄应置于开位，控制液动阀的三位四通转阀手柄应置于关位，这样可以在控制装置上直观地看到防喷器的开关状态，也可以有效地防止管线升压的问题和防喷器误动作的问题。

2）防喷器控制装置转阀手柄位置问题是实际井控作业中的基础问题。通过研究分析防喷器控制装置和三位四通转阀的原理和功能，应尽快制定出具有实际意义的标准，以规范国内石油钻井行业中井控设计、配套、操作和现场管理等行为，确保防喷器控制装置在井控中的安全应用。

［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］陈香凯.提高防喷器控制装置性能的探讨［J］.石油矿场机械，1998，27（3）：12－14.

［3］API SPEC 16D，Specification for Control Systems for Drilling Well Control Equipment and Control Systems for Diverter Equipment［S］.2nd Edition.2010.

［4］API RP53，Recommended Practices for Blowout Prevention Equipment Systems for Drilling Wells ［S］.Third Edition，MARCH 1997.

［5］Shell Group of companies.Restricted Pressure Control Manual for Drilling，Completion and Well Intervention Operations WS 38.80.00.18－Gen［K］.October 2011.

［6］孙振纯，王守谦，徐明辉.井控设备［M］.北京：石油工业出版社，1997.

［7］SY／T5964－2006，钻井井控装置组合配套、安装调试与维护［S］.

［8］张桂林.关于两个井控争议问题的讨论［J］.石油钻探技术，2011，39（5）：8－13.

［9］张桂林，苏山林，王延文.防喷器操作手柄最佳位置的讨论［J］.天然气勘探与开发，2008，31（4）：47－51.