0 引言
水下防喷器及控制系统是确保安全钻井的海洋井控装备，在一定工况下需要剪切钻具[1-6]。随着工作水深增加，海水静压影响水下防喷器控制系统的水下蓄能器排放控制液，导致水下蓄能器容积率降低。蓄能器容积率正比于系统压力与最小操作压的比值，当工作水深达到3 000 m，被控对象是剪切闸板防喷器时，这一比值从1.667减小为1.272，水下防喷器应急控制系统的水下蓄能器容积率大约只有水上蓄能器的1/5，这样就需要大量增加水下蓄能器使用数量[7]。
为此，笔者提出一种通过海水静压平衡深水剪切闸板防喷器打开和关闭功能控制压差的方法，降低深水剪切闸板防喷器的最小操作压力，从而提高水下蓄能器的容积率，减小水下防喷器控制系统的体积，降低钻井装备成本。
1 国外公司技术现状 1.1 NOV公司的海水压力补偿蓄能器NOV公司研发的海水压力补偿蓄能器主要由储气瓶、储液瓶和海水隔离器组成[8-10]。海水隔离器保护储液瓶内腔，防止海水腐蚀。图 1为NOV公司的海水压力补偿蓄能器外形图。通过储气瓶里的气体推动蓄能器的上部活塞，海水压力通过隔离器推动蓄能器的下部活塞形成合力，作用在储液瓶上部杆腔，这样控制液压力就是控制系统压力与海水压力之和，从而抵消海水静压产生的背压。海水压力补偿蓄能器结构如图 2所示。在相同条件下，海水压力补偿蓄能器容积率与水上蓄能器容积率相同，不随工作水深变化。
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| 图 1 NOV公司海水压力补偿蓄能器 Fig.1 NOV seawater pressure compensation accumulator |
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| 图 2 海水压力补偿蓄能器结构 Fig.2 Structure of seawater pressure compensation accumulator |
1.2 Oceaneering公司的电液复合防喷器控制系统
Oceaneering公司将水下防喷器控制系统从水上液压动力单元供给到水下蓄能器组的压力提高到52 MPa。这个系统的关键元件包括水上液压动力单元、高压阀件、高压刚性管汇、热线软管和高压蓄能器组等，如图 3所示。
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| 图 3 Oceaneering公司的52 MPa电液复合防喷器控制系统 Fig.3 Oceaneering's 52 MPa electro-hydraulic BOP control system |
水上液压动力单元通过隔水管刚性管汇和热线软管供给52 MPa液压液到隔水管总成平台水下蓄能器组、冗余控制箱和防喷器组平台应急蓄能器组。额定压力52 MPa控制系统可以满足剪切闸板防喷器应急控制系统使用35 MPa系统压力剪切套管和钻杆的需求。相对现有控制系统而言，额定压力52 MPa控制系统储存高压液压液的水上和水下蓄能器数量显著减少[11-12]。
1.3 SLB Cameron公司的海水压力降低系统SLB Cameron公司的海水压力降低系统创造性地在水下防喷器的打开腔加装海水“减压器”，降低剪切闸板防喷器的最小操作压力，使用压力较低的控制液完成剪切钻具和密封井口。海水压力降低系统在深水工作可以不使用控制液，用海水完成关井。海水压力降低系统明显提高水下防喷器控制系统的性能，降低海水静压增加对于水下防喷器关闭的不利影响，其结构如图 4所示[13-14]。
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| 图 4 SLB Cameron公司的海水压力降低系统 Fig.4 SLB Cameron's seawater pressure reduction system |
海水压力降低系统原理如图 5所示。海水压力降低系统主要由减压器、SPM阀、旁通阀和海水隔离器等组成。正常情况下关闭水下防喷器，控制液通过SPM阀和海水隔离器进入水下防喷器的关闭腔，打开腔的控制液从打开腔流入减压器，实现水下防喷器的关闭功能。
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| 图 5 海水压力降低系统原理 Fig.5 Principle of seawater pressure reduction system |
在水下防喷器打开腔由于减压器降低海水静压，相对海水压力形成负压，从而形成对水下防喷器关闭腔的助力关井。在海水压力降低系统出现故障时，通过ROV打开旁通阀，可以使水下防喷器控制系统恢复原有功能。
2 深水剪切闸板防喷器控制压力平衡装置 2.1 结构深水剪切闸板防喷器的关闭压力和打开压力存在很大的差值，关闭压力很高造成最小操作压很高，因此需要增加水下蓄能器配置数量。通过计算水下蓄能器的容积率，可以得出提高容积率有3种途径：① 平衡海水压力，消除海水影响；② 提高系统工作压力；③ 减小被控对象最小操作压力。
根据这一分析，提出一种减少水下蓄能器使用数量的新方案，即采用深水剪切闸板防喷器控制压力平衡装置。控制压力平衡装置主要由平衡器、SPM阀、旁通阀、液控单向阀和梭阀等组成，结构如图 6所示。
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| 图 6 深水剪切闸板防喷器控制压力平衡装置 Fig.6 Deepwater shear ram BOP control pressure balance device |
控制压力平衡装置的核心部件是控制压力平衡器，它包括4个功能腔，即控制腔、真空腔、平衡腔和驱动腔，如图 7所示。
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| 图 7 控制压力平衡器 Fig.7 The control pressure balance apparatus |
2.2 工作原理
控制压力平衡装置的工作原理如图 8所示。
正常情况下关闭水下防喷器，控制液通过SPM阀和平衡器进入水下防喷器的关闭腔，打开腔通过SPM阀排出控制液，实现水下防喷器的关闭功能。水下防喷器打开腔排出控制液进入平衡器平衡腔，与控制腔控制液在驱动腔形成合力，从而对水下防喷器形成助力关井。
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| 图 8 控制压力平衡装置工作原理图 Fig.8 Schematic diagram of the control pressure balance device |
打开水下防喷器时，控制液通过SPM阀进入水下防喷器的打开腔，关闭腔的控制液返回平衡器驱动腔，平衡腔的控制液排出到海洋中，控制腔的控制液通过SPM阀排出到海洋中，使用环保型控制液不会对海洋环境造成污染。
在紧急情况下，水下防喷器控制系统失去动力液时，可以使海水进入平衡器控制腔，关闭水下防喷器完成关井。
在控制压力平衡装置出现故障时，通过ROV打开水下旁通阀屏蔽控制压力平衡装置的功能，使水下防喷器控制系统恢复原有控制功能。
2.3 技术参数环境温度：-13~50 ℃；
工作水深：1 500 m；
额定压力：35 MPa；
控制液容积：180 L；
外形尺寸：1 180 mm×1 000 mm×1 400 mm；
总质量：2.25 t。
2.4 工作性能假设钻井平台额定工作水深1 500 m，水下防喷器应急控制系统水下蓄能器额定压力52.0 MPa，水下剪切闸板防喷器最小操作压力21.0 MPa。使用API 16D蓄能器计算方法C计算，水下防喷器应急系统水下蓄能器容积率为0.086 3；加装控制压力平衡装置后，水下剪切闸板防喷器最小操作压力被减小到10.5 MPa(1 500 psi)，水下蓄能器容积率变为0.177 7。
当1 500 m钻井平台的工作在水深为1 000 m时，水下蓄能器的容积率为0.106 0，加装控制压力平衡装置之后，水下剪切防喷器最小操作压力被减小到14.0 MPa，此时水下蓄能器的容积率则变为0.175 0。
当1 500 m钻井平台的工作在水深为500 m时，水下蓄能器容积率为0.131 0，加装控制压力平衡装置之后，水下剪切防喷器最小操作压力被减小到17.5 MPa，此时水下蓄能器的容积率则变为0.172 0。
综上所述，控制压力平衡装置可以提高任意水深的水下蓄能器容积率，提高后的容积率基本不变，水下剪切闸板防喷器的关闭液量一般在151 L以下，通过计算1 500 m钻井平台水下剪切闸板防喷器加装控制压力平衡装置后，只需配备16个57 L水下蓄能器，水下蓄能器使用量减少为原控制系统的1/2，因此减小了水下防喷器控制系统的体积，降低了钻井装备的成本。
3 结论及建议(1) 控制压力平衡装置可以提高水下蓄能器的容积率，减少蓄能器的使用数量，使额定压力21.0 MPa的水下防喷器控制系统能够完成高压剪切关井；在紧急情况可以使用海水关闭剪切闸板防喷器，确保钻井安全。
(2) 建议下一步研究钻井平台工作在不同水深时，控制压力平衡装置在线调节水下剪切闸板防喷器控制压力的平衡度。
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