再谈防喷器远程控制台三位四通转阀手柄位置问题 (张桂林)

再谈防喷器远程控制台三位四通转阀手柄位置问题

张桂林 郝荣明 韩兴伟 陈志宁

摘要：为正确操作和合理使用防喷器，确保防喷器工作可靠和关井封井安全，以防喷器控制装置三位四通转阀手柄位置分析一文为例，进一步论证了正常钻井中手柄位置问题。通过液压控制原理分析并查阅文献资料，认为文章的观点值得商榷，国外标准在该方面也存在问题。指出了正常钻井中防喷器与液动阀三位四通转阀手柄的合理位置为中位，位于开位和关位都存在井控安全隐患。

关键词：防喷器远程控制台 三位四通阀 手柄位置

《石油矿场机械》2013年第42卷第二期发表了《防喷器控制装置三位四通转阀手柄位置

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分析》一文。笔者研读之余，认为该文的观点还需商榷。可以说，井控设备是保证井控安全必备的设备，对其有效保护和正确控制，是确保井控安全的重中之重。要实现正确开关井操作与控制，最核心的问题就是要有足够的液压油压力和油量。在确保防喷器处于正确位置后，应采取有利于保持压力、保存油量的措施，尽最大可能保护液控管线与防喷器。现对该文进行分析并提出建议，不足之处请原文作者和读者批评指正。 1 对原文的分析

研读原文，认为对防喷器控制装置及其三位四通转阀工作原理介绍很清楚，对国内外井控规范的说明客观实际，对参考文献分析很到位。出于原文作者的观点，对转阀的位置分析和文章结论部分需要讨论和商榷。特别是转阀置于中位时的四方面弊端和结论第一部分，难以得到认可，现进行如下分析。 1.1 关于防喷器控制原理

原文对防喷器原理进行了分析，很透彻也很正确。实际上，最核心的元件是三位四通转阀。该阀是一种设计非常科学的控制装置，在液压控制机械中广泛使用。如在大型吊车等液压起重机械中，三位四通阀采用“O”形机能，通过控制操作杆的前、中、后不同位置，实现重物的起升（或起重臂的伸出）、下放（或起重臂的回缩）和悬停（锁定状态），待命位置为中位；在地面防喷器控制装置中，三位四通转阀也采用“O”形机能，手柄三个位置控制四个油口的连通与截止，实现防喷器的开关和锁定。这种转阀，手柄在中位能够保持被控制对象的锁定状态，因此合理待命位置应为中位。 1.2 关于国外标准

原文介绍的国外井控标准——API RP53—1997和壳牌公司钻井规范[2][3]，都提到钻井作业期间防喷器控制阀应处于开位，节流管线控制阀应处于关位。也讲到了这样做的三个原因：一是可将防喷器液缸锁定在相应的位置，二是可以清晰地显示防喷器或阀的工作状态，三是能够监测阀、管线或防喷器的漏失情况。对于这几方面的原因，我们应该进行分析。

首先是对于防喷器位置的锁定问题。将防喷器打开到位后再将手柄扳至中位，开启腔内仍稍有压力并且各油口处于截止状态，防喷器将保持打开状态；第二是显示开关状态问题。只是为了显示开关情况就将控制系统始终处于连通状态下工作，带来油量消耗等井控的隐患，实属没有必要；三是监测阀、管线或防喷器的漏失情况问题。井控工作的关键是保持液压油量和液控压力，最要害的是保证关闭防喷器这条通路的完好，对打开侧管线与打开腔的长期监控没有意义。因此，三方面的原因没有涉及井控的关键，不应成为置于开位的理由！

国外标准是否科学合理，要进行研究分析，不能完全认可和照搬。可以说，对于液压控制系统，最重要、最关键的是液压油量充足、压力足够，只有液压油没有消耗、压力保持良好，才能保证液压控制的可靠性。手柄在“中”位时各腔互不相通，能够锁定防喷器、液动阀在相应的位置，有效防止管线系统油量的损耗；而国外标准规定正常钻井作业时手柄置于开位，这意味着长年累月在此状态下工作，一旦发生管线损坏将造成液压油快速漏失、压

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力迅速卸掉，直接导致无法关井的严重后果，这一点对海上钻井尤为重要！

2010年4月20日墨西哥湾BP公司钻井平台井喷爆炸后，启用水下机器人关井不成功，5套105MPa闸板防喷器（其中2套剪切）和2套70MPa环形防喷器共7套防喷器都不能关闭，5套控制装置（包括ROV关井、Deadman）失去作用，应该是液压油漏失、蓄能器失去压力造成的。这一点我们应有清醒而充分的认识，这也是真正的井控安全隐患所在！

原文涉及的国外标准还不全面，一项至关重要的标准未引起注意[4]。该标准介绍国外三位四通阀一般为“Y”型机能，手柄在中位时A口与B口处于放空状态，防喷器闸板处于浮动状态，这就是国外规定手柄必须处于工作状态的原因，见图1；但国内为“O”型机能[5]，处于中位时防喷器闸板已经处于锁定状态，解决了在中位时的闸板浮动问题，见图2。这一原理本是我们的一种进步，但却非要与国外相同，实在无法理解！

图1 国外三位四通转阀原理

图2 国内三位四通转阀原理

应该认识到，经过几十年的钻井实践，我们已经积累了成功的经验，形成了相应的标准和科学合理的做法。对国外标准，应该进行分析研究，不能一概认可！ 1.3 关于相关教材文献

原文作者认为《井控设备》提到了换向阀手柄位置问题，并且要求平时处于中位[6]，其它没有关于这方面的文献。实际上国内多部相关文献涉及到了这方面内容，也明确了手柄应处于中位的结论或建议。在此，建议作者也要多查阅这方面的资料。

1）井控教材 多年前，《井控技术》与《井控设备》[6]是国内石油钻井行业的井控培训教材，得到了广泛应用。随着井控技术的进步，近年来先后出版了钻井、井下作业、采油采气等多部新编井控教材。中石化集团公司还编写了系列井控教材，进行井控分级培训。

2008年，中石化集团公司井控培训教材编写组编写、石油大学出版社出版了《钻井井控设备》[5]，要求在正常钻进情况下，远程控制台各防喷器转阀手柄处于“中”位。2012年，对井控教材按井控分级进行了系列化编印，进一步明确了正常钻井中各防喷器转阀手柄处于

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“中”位，放喷阀处于“中”位，旁通阀处于“关”位。

2）相关著作

2010年，孙孝真著、石油工业出版社出版了《实用井控手册》[7]，对防喷器、液动平板阀控制手柄位置进行了详细分析，论述了手柄长期处于开位对井控安全带来的隐患，提出了对策与建议。即“司控台换向阀由于阀的结构特点，其待命工况只能位于中位。远控台控制闸板、液动闸阀的换向阀待命工况宜位于中位”。

3）相关文章 2008年、2011年，《天然气勘探与开发》和《石油钻探技术》分别发表了“防喷器操作手柄最佳位置的讨论”和“关于两个井控争议问题的讨论”两篇文章[8][9]。对防喷器控制原理进行了分析，对三位四通转阀进行了剖析，对手柄在开位和中位的优缺点进行了分析与比较，得出了正常钻井中手柄最佳位置为“中”位、处于“开”位存在很大井控隐患的认识与结论。

1.4 关于北石厂的说明书

北京石油机械厂出版的《地面防喷器控制装置使用手册》，介绍了控制装置的原理，提出了安装与使用要求。在《使用手册》7.1“使用须知”中提出，“在正常钻进情况下，远程控制台各转阀的手柄位置是：各防喷器处于“开”位，放喷阀处于“关”位，旁通阀处于“关”位[10]。该手册执行标准是SY/T5053.2—2007《钻井井口控制设备及分流设备控制系统规范》，该标准等同采用API Spec 16D 2nd Edition。但查阅SY/T5053.2—2007和等同采用的API Spec 16D 2nd Edition，都未提出关于手柄位置的规定。

原文中提到的《地面防喷器控制装置液压元器件使用手册》，是关于液压元器件原理与使用的手册。该手册指出，“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”。这对于保护转阀阀芯及各油口是有好处的，但对井控安全是不利的，轻则有少量、缓慢的消耗，重则在管线突然断（爆）裂时发生快速耗尽油箱内液压油的情况。

总之，文章对阀的工作原理和控制原理分析的很透彻、很正确，但对阀的位置对井控安全的影响的认识还不够深入，特别是认为转阀在中位存在的几方面弊端是不正确的，现进行分析并与原文作者进行探讨商榷。 2、对文中观点的分析

原文第5部分是转阀位置的分析。在这一部分中，原文分析了手柄不同位置时管线内的压力情况，指出了管线和防喷器液缸耐压能力满足液控压力要求，指出了钻井中将转阀置于中位的弊端。分析认为，原文的一些观点需要探讨交流，现分析并提出建议。

1）关于手柄在中位时液缸中的压力问题。根据三位四通转阀工作原理，若将手柄从开位回到中位，防喷器开启管线和开启腔压力并没有卸荷，控制管线、液缸开启腔仍然在高压下工作。无论手柄在开关位还是在中位，液压管线都是在高压下工作[1]，实际并非如此。

对此问题，胜利油田在井控培训基地进行了试验：FKQ3204G控制台，2FZ28-35防喷器，两只量程为16MPa压力表分别连接于防喷器开启管线好关闭管线，汇流管压力10.5MPa，用不同速度将手柄从开位扳至中位观察剩余压力，试验数据见表1。

表1 管线压力测试表

次数 1 2 3 4 5

回位时间（s） 0.5 1 2 3 5 3 3

开启管线剩余压力（MPa） 3.8 1 0 0 0

这个试验，证实了将手柄从开位快速回中位时管线内仍有剩余压力，但操作时间大于1秒后管线内压力降为0。从关位回中位试验结果基本一致，回位时间0.5秒压力降为1.5 MPa，回位时间2秒压力降为0。现场操作时间一般大于1秒，开启管线中压力应该很低或为0。

2）关于操作不便利、防喷器位置不明确问题。防喷器控制装置基本配置是远程控制台和司钻控制台，一般小型钻机只配置远程控制台。司钻控制台的三位四通气转阀自动位置在中位，远程控制台三位四通转阀可以在开、中、关位。若通过远程控制台控制防喷器，不论是打开还是关闭，在控制到位后回到中位是很简单的操作，也是很习惯的操作。通过司钻台操作，可以打开也可以关闭防喷器，一般是紧急情况下进行关井操作。

不论是用远程台控制还是司钻台控制，都有明确的井控规定和细则，早已成为现场的规范动作，不存在操作不便利、位置不明确的问题。

3）关于液压管线泄漏问题。原文提出，因转阀置于中位后防喷器控制装置和液压管线不连通，管线泄漏后液压油无法供给到防喷器开启腔或关闭腔。恰恰这就是将手柄置于中位的最重要原因！只有这样才能保护油量不消耗，保持压力不降低，关键时候能关井。

反之，若钻井中手柄置于开位，管线泄漏后液压油消耗、压力降低，随后泵启动打压补充。这样更加速了油量的消耗，严重的漏失不被发现时将导致油箱内油量全部耗光，这是井控安全绝对不允许的。要防止发生这种问题，最好的办法就是将手柄置于中位，使其互不相通，确保液压油量和压力。

再者，原文提出的腔体内的液压油压力可能低于防喷器的最小操作压力问题。因为转阀在中位时防喷器的开启腔、关闭腔形成了密闭空间，防喷器已经处于锁定状态。不管压力是否低于防喷器最小操作压力，因为没有液压油的流动，防喷器此时是不能活动的，也不影响防喷器开关操作。

4）关于液压管线升压问题。手柄置于中位后，因后面的管线、防喷器腔体为密闭空间，随着环境温度的变化会产生液压油体积膨胀的现象。因为采用的液压油是添加了阻燃剂、消泡剂、膨胀系数很低的专用油，液控管线采用的是三层钢缠的橡胶软管，这种微小的膨胀对管线没有任何影响，也不会影响闸板的锁定状态。

5）关于防喷器误动作问题。

一是锁紧装置与中位的关系。原文讲到了液压锁紧、机械锁紧，并与正常钻进时没有锁紧进行联系，认为手柄置于中位就可能出现误动作。这样分析没有道理，锁紧只是在关井时采用，钻进时是不用锁紧的，产生误动作与是否在中位没有关系；

二是活塞的浮动问题。原文认为，手柄在中位时，开启腔、关闭腔与压力油不连通情况下若活塞密封损坏，将会出现活塞浮动进而出现误动作问题。实际上这是不可能的。正常钻井前，进行的是防喷器打开后手柄回中位的操作，防喷器开启腔稍有压力或无压力，关闭腔无压力。因不受高压力的作用，此时活塞密封是不应该损坏的，也不会造成闸板的动作。同时，活塞密封与液缸的摩擦力、活塞杆密封处的摩擦力将限制活塞的移动。因此说，不存在活塞达到浮动的状态，也不存在误动作的问题；

三是全封闸板将钻杆挤压变形的问题。曾经出现了这样一个莫名的问题，就给出了是“全封闸板防喷器的油缸密封损坏导致”的结论，实在难以接受！试想，全封闸板将钻杆挤压变形需要多大的力？这个力一定要由关闭腔中的液压力提供，这个液压力一定要三位四通阀P口与B口连通提供压力油才能产生。与此同时，开启腔内一定是低压，并且A口与T口一定要连通，液压油回油箱。只有转阀在关位时，才能有这样的情形；

分析认为：因活塞两个方向都采用了“Y”形密封圈，即使开启侧向关闭侧少量窜漏，不但不会造成防喷器的误动作，也不影响关井的可靠性。

6）原文的结论问题。原文结论是，钻井作业中防喷器三位四通转阀置于开位，液动阀三位四通转阀置于关位，这样可以直观地看到防喷器的开关状态，也可以防止管线温升问题

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和防喷器误操作问题。对于防喷器开关状态的观察和对于管线的温升与防喷器的误动作问题，上文已进行了分析，不再赘述。这里再分析一下液动阀的手柄位置问题。

井控管汇中，有手动和液动两种平板阀，阀芯为平板型，需要浮动密封。这种阀开、关到底后，应回转1/4圈一1/2圈。其开、关应一次完成，不允许半开半闭[11]。手动控制尚且要求进行回转操作，液动阀因结构原因无法实现也是没有办法。在这种情况下，关闭到位后完全可以使手柄回到中位，长期处于关位保持液压连通状态，没有必要！

至此，对于防喷器、液动阀三位四通转阀手柄位置的问题，基本论述清楚了。 3、认识与建议

1）正常钻井中，防喷器远程控制台各防喷器、液动平板阀操作手柄应置于中位，保护液压油量、保持液控压力、保护井控管线与设备。若使其置于开位和关位，虽然液控管线耐压能力满足使用要求，但容易造成油量损耗和压力损失，不利于管线与设备保护，存在井控隐患。

2）对国外标准应进行研究和分析，不能一概认可，不能一概引用。对国外控制元件原理要进行分析，不能盲目对号照搬。特别是事关井控安全的重要标准，应从原理科学、技术先进、操作方便、符合习惯等方面进行研究论证，不科学、不合理的规定，应坚决修改完善。

3）《使用手册》执行的标准SY/T5053.2—2007《钻井井口控制设备及分流设备控制系统规范》中，没有关于手柄位置的规定。考虑到手册的指导作用，可以提出手柄位置问题，但以规定为中位为宜。 参考文献：

[1] 王晓颖，张立刚，陈慧慧，孟少辉. 防喷器控制装置三位四通转阀手柄位置分析[J].石油矿场机械，2013，42（2）：66—69.

[2] API RP53，Recommend Practices for Blowout Prevention Equipment Systemes for Drilling Wells[S].Third Edition,March 1997.

[3] Shell Group of Companies.Restricted Pressure Control Manual for Drilling,Completion and Well Intervention Operations WS 38.80.00.18—Gen[S].October 2011.

[4] RIG Train-Drilling ang Well Services Training. DTL-A Weatherford Company[M]，2001：chapter7 80-91.

[5] 集团公司井控培训教材编写组.钻井井控设备[M].东营：石油大学出版社，2008：79—81. [6] 孙振纯，王守谦，徐明辉.井控设备[M].北京：石油工业出版社，1997：73—74. [7] 孙孝真.实用井控手册[M].北京：石油工业出版社，2010：58—60.

[8] 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.

[9] 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. [10] 北京石油机械厂.地面防喷器控制装置使用手册[M].北京：2012. [11] SY/T6426—2005 钻井井控技术规程[S].

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