深水水上防噴器鉆井技術(shù)的水下斷開(kāi)系統(tǒng)及應(yīng)用

韓垚堃，蘇堪華，王梓航，馬　凱，劉洪偉

(重慶科技學(xué)院 石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331)①

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深水水上防噴器鉆井技術(shù)的水下斷開(kāi)系統(tǒng)及應(yīng)用

韓垚堃，蘇堪華，王梓航，馬凱，劉洪偉

(重慶科技學(xué)院 石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331)①

摘要：由于第五、六代鉆井平臺(tái)昂貴的日費(fèi)以及保養(yǎng)成本，深水水上防噴器(Surface Blowout Preventer，SBOP)鉆井技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。其中，水下斷開(kāi)系統(tǒng)(Subsea Disconnect System，SDS)是深水SBOP鉆井中的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過(guò)量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論(A Quantitative Risk Assessment，QRA)對(duì)SBOP系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并根據(jù)潛在風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)值來(lái)設(shè)計(jì)水下斷開(kāi)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸，以保證鉆進(jìn)過(guò)程中的安全與高效。研究了水下斷開(kāi)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的工作原理、信號(hào)傳遞方式和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。結(jié)果表明：控制系統(tǒng)是水下斷開(kāi)系統(tǒng)的核心，更加快捷和方便的信號(hào)傳遞方式以及處理事故方法是以后研究的關(guān)鍵；大尺寸的閘板可以在一定程度上保證高壓隔水管不被折斷以及保證井口穩(wěn)定性；不同海洋環(huán)境載荷下，應(yīng)使用不同尺寸的閘板。

關(guān)鍵詞：深水；鉆井；水下斷開(kāi)系統(tǒng)；SBOP

常規(guī)深水鉆井時(shí)，一般選擇將防噴器組(Surface Blowout Preventer，BOP)安裝在海底泥線以上的井口，為了保證作業(yè)的完成，需要使用大直徑的隔水管從鉆井平臺(tái)連接至水下BOP組，所以需要使用較為先進(jìn)的第五代或者第六代鉆井平臺(tái)，日費(fèi)約為＄20萬(wàn)美元。在下入BOP組的過(guò)程中，BOP組與海水之間產(chǎn)生壓力波動(dòng)，當(dāng)該壓力作用在BOP組時(shí)，容易引起B(yǎng)OP組的損壞。需要鋪設(shè)幾千米的壓井、節(jié)流管匯，當(dāng)BOP組工作時(shí)，由于管線較長(zhǎng)，在一定程度上延長(zhǎng)了關(guān)井時(shí)間，這就給鉆井作業(yè)帶來(lái)了很大的困擾，使深水鉆井的作業(yè)費(fèi)用大幅增加[1]。20世紀(jì)90年代末，業(yè)界提出了深水水上防噴器(Surface Blowout Preventer)的概念。該技術(shù)很好地解決了上述問(wèn)題，同時(shí)降低了對(duì)平臺(tái)的要求，鉆同樣深的井只需要第三代或者第四代井平臺(tái)，平均日費(fèi)為約$8萬(wàn)美元。由于該鉆井技術(shù)的BOP組安裝在水上，為了保證鉆井過(guò)程的安全，該技術(shù)使用水下斷開(kāi)系統(tǒng)，在發(fā)生緊急突發(fā)狀況時(shí)，快速切斷隔水管與海底井口連接的通道。所以，水下斷開(kāi)系統(tǒng)的使用為增加鉆深提供了可靠的保障。

1水下斷開(kāi)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)及量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

1.1水下斷開(kāi)系統(tǒng)

水下斷開(kāi)系統(tǒng)(Sub Disconnect System，SDS)是深水SBOP鉆井系統(tǒng)重要的組成部分，其作用是當(dāng)海底發(fā)生緊急情況時(shí)，切斷高壓隔水管與井口之間的連接并密封井口，起到安全鉆進(jìn)的作用。典型的SDS的結(jié)構(gòu)如圖1所示，一般由上隔水管連接裝置和下井口連接裝置及U型剪切閘板組成，不同的海域、不同的海底條件適用不同的尺寸。其中，主要斷開(kāi)工作是由U型閘板來(lái)完成，當(dāng)完成剪切工作時(shí)，下井口連接裝置會(huì)密封井口并瞬間釋放伸縮隔水管中的壓力。

圖1　水下斷開(kāi)系統(tǒng)(SDS)結(jié)構(gòu)

1.2SDS控制系統(tǒng)及工作原理

1.2.1控制組件

只有當(dāng)海底發(fā)生緊急情況時(shí)，SDS會(huì)斷開(kāi)高壓隔水套管與井口的連接以及密封井口。由于常規(guī)的井控工作都由SBOP組來(lái)完成，因此沒(méi)有鋪設(shè)從海面到SDS的液壓輸送管線。

在水下斷開(kāi)系統(tǒng)上配置了1.64 m3(9×40加侖)活塞式液壓儲(chǔ)能器，此為動(dòng)力源，可以給斷開(kāi)系統(tǒng)(SDS)提供足夠的液壓，以完成剪切閘板、鎖緊裝置以及連接裝置的工作。SDS的工作通過(guò)2個(gè)操作盤(pán)并結(jié)合復(fù)合式管路、電信號(hào)、聲波信號(hào)以及控制系統(tǒng)來(lái)操控。2個(gè)操作盤(pán)分別是：①大斜度測(cè)井房的主控板；②司鉆操作臺(tái)。典型的控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　水下斷開(kāi)系統(tǒng)(SDS)的控制系統(tǒng)示意

1.2.2控制原理

操作臺(tái)發(fā)出的電信號(hào)的傳遞有2種方式：

1)聲波傳遞。首先是由控制中心發(fā)出指令，通過(guò)位于水上的聲波發(fā)出裝置發(fā)出聲波，經(jīng)過(guò)海水，發(fā)送到位于SDS上的接收裝置(2個(gè))，然后通過(guò)電控制箱來(lái)完成SDS的緊急斷開(kāi)工作，如圖3所示。

2)電信號(hào)傳遞。是通過(guò)附著在高壓隔水套管的有線通訊系統(tǒng)管線來(lái)傳遞信號(hào)。

當(dāng)收到信號(hào)時(shí)(電信號(hào)或者聲波信號(hào))，信號(hào)會(huì)控制閥門輸出合適的液壓(針對(duì)特定的工況)以保證斷開(kāi)系統(tǒng)的正常工作。

無(wú)論是有線通訊系統(tǒng)還是聲波傳遞系統(tǒng)，“連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”可以監(jiān)測(cè)鉆井的整個(gè)控制流程。無(wú)論哪一個(gè)系統(tǒng)失效，平臺(tái)都會(huì)發(fā)生警報(bào)。

當(dāng)發(fā)生特殊緊急情況需要緊急斷開(kāi)時(shí)，司鉆操作臺(tái)安裝了一個(gè)用于緊急斷開(kāi)的按鈕，當(dāng)啟動(dòng)它時(shí)，緊急斷開(kāi)系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行以下操作：

①關(guān)閉和鎖緊下剪切閘板。

②關(guān)閉和鎖緊上剪切閘板。

③先后解鎖隔水管連接系統(tǒng)。

完成以上3個(gè)步驟只需要38 s[2]。

如果發(fā)生平臺(tái)停電等特殊情況，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電會(huì)優(yōu)先通過(guò)UPS系統(tǒng)來(lái)維護(hù)控制系統(tǒng)。

圖3　聲波信號(hào)控制系統(tǒng)

1.3SDS量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(A quantitative risk assessment)簡(jiǎn)稱QRA，通過(guò)評(píng)估SBOP鉆井技術(shù)的潛在風(fēng)險(xiǎn)程度，以提供SDS的U型剪切閘板等組件尺寸的設(shè)計(jì)條件，并給出工作建議從而達(dá)到安全鉆進(jìn)的目的。QRA認(rèn)為，以下事故的連續(xù)發(fā)生就足夠發(fā)生井噴事故：

1)進(jìn)入超壓儲(chǔ)層。

2)由于疲勞或者錨泊系統(tǒng)失效而引起的隔水管斷裂。

3)其他船體對(duì)鉆井平臺(tái)的撞擊。

事故發(fā)生的頻率決定于上述3點(diǎn)事件發(fā)生的頻率，同時(shí)也和以下3種作業(yè)方式有關(guān)系：

1)用常規(guī)水下BOP組。

2)使用SBOP組。

3)使用帶有水下斷開(kāi)系統(tǒng)的SBOP組[1]。

針對(duì)降低由于高壓隔水套管失效引發(fā)的海底環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)，QRA清楚地強(qiáng)調(diào)了2點(diǎn)：①泥線以上必須安裝可以抗最大環(huán)境載荷的井口；②泥線以上必須安裝用來(lái)切斷隔水管與井口連接的水下斷開(kāi)系統(tǒng)(SDS)。

在量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估之前，需要進(jìn)行危險(xiǎn)識(shí)別(A Hazard Identification)，簡(jiǎn)稱HAZID，主要目的是為了識(shí)別出在使用SBOP鉆井技術(shù)時(shí)可能存在的危險(xiǎn)條目。主要工作方式是依賴于SDS的聲波控制系統(tǒng)。

2水下斷開(kāi)系統(tǒng)的應(yīng)用

深水SBOP鉆井系統(tǒng)經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段，分別應(yīng)用在了Sedico 601鉆井平臺(tái)、Sedico 602鉆井平臺(tái)以及Ocean baroness號(hào)鉆井平臺(tái)[3]。其中在第3個(gè)階段由于應(yīng)用了水下斷開(kāi)系統(tǒng)[4-5]，使下深增加到了2 400 m[6]。所以，水下斷開(kāi)系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)深水SBOP技術(shù)的發(fā)展起到了里程碑式的作用。

2.11-SHEL-14-RJS井水下斷開(kāi)系統(tǒng)

1-SHEL-14-RJS井位于BM-C-10區(qū)塊，坐落于巴西近海盆地，完井時(shí)間為2003-06-05。鉆深5 200 m，水深2 887 m。該井使用水上BOP鉆井技術(shù)，水下斷開(kāi)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由上到下為：①?346 mm隔水管連接器；②帶有剎車裝置的?346 mm U型剪切閘板(SBR)；③?476.3 mm井口連接器。如圖4所示。

圖4　1-SHEL-14-RJS井水下斷開(kāi)裝置

該U型剪切閘板(以下簡(jiǎn)稱SBR)由卡梅隆公司生產(chǎn)，可以承受70 MPa的壓力，帶有提升和自鎖裝置，SBR的關(guān)閉和自鎖裝置是由MUX系統(tǒng)控制，或者借助ROV(Remotely Operated Vehicle)進(jìn)行人工操作。在SDS的上部和下部都有SBR，這樣可以保證鉆桿的接頭安放在兩閘板之間，當(dāng)進(jìn)行斷開(kāi)工作時(shí)，至少有一個(gè)SBR可以剪到鉆桿而不會(huì)剪到接頭。該水下斷開(kāi)系統(tǒng)配備了自動(dòng)鎖緊裝置。

2.2Donggala區(qū)塊水下斷開(kāi)系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)Donggala區(qū)塊的安全鉆進(jìn)，Total公司與Cameron公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了環(huán)境安全裝置，主要用途是保證鉆井過(guò)程中不發(fā)生危險(xiǎn)以及保護(hù)環(huán)境。該環(huán)境安全裝置結(jié)合前文提到的QRA風(fēng)險(xiǎn)測(cè)評(píng)的結(jié)論，得出該裝置結(jié)構(gòu)從上到下依次為：①?476.3 mm反向套筒連接器；②?476.3 mm U型剪切式閘板；③?476.3 mm套筒連接器。如圖5所示。

圖5　Donggala區(qū)塊水下斷開(kāi)系統(tǒng)

該裝置的3個(gè)部分都可以承受70 MPa的壓力，使用?476.3 mm尺寸的主要原因有4點(diǎn)。

1)當(dāng)波浪或海浪載荷作用在鉆井平臺(tái)時(shí)，鉆井平臺(tái)會(huì)產(chǎn)生偏移中心線的位移，從而產(chǎn)生作用于海底井口的彎矩，大尺寸的閘板可以很好地減輕彎矩的影響，防止損壞隔水管。

2)弱化集中應(yīng)力對(duì)海底井口的影響，增加井口穩(wěn)定性。

3)由于時(shí)間倉(cāng)促，需要在現(xiàn)有設(shè)備上進(jìn)行改造。

4)可以重復(fù)使用[1]。

2.3應(yīng)用于Transocean GSF ArcticⅠ鉆井平臺(tái)的水下斷開(kāi)系統(tǒng)

Transocean GSF ArcticⅠ號(hào)鉆井平臺(tái)，當(dāng)使用常規(guī)?476.3 mm的常規(guī)水下防噴器，則最大作業(yè)水深為945 m。但是，當(dāng)經(jīng)過(guò)常規(guī)水下防噴器改造成水上防噴器組時(shí)，最大作業(yè)水深增加到2 250 m。該水下斷開(kāi)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)從上到下依次為：①?334.4 mm×10 m隔水管連接裝置；②?334.4 mm×10 m單提升閘板——剪切閘板；③193.7 mm管線；④476.3 mm×10 m液壓連接裝置。結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　Transocean GSF ArcticⅠ號(hào)鉆井

應(yīng)用于該平臺(tái)的水下斷開(kāi)系統(tǒng)與以前的斷開(kāi)系統(tǒng)存在以下2點(diǎn)差異：①使用193.7 mm管線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的下剪切閘板，優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)發(fā)生緊急情況需要斷開(kāi)時(shí)，能夠更好地起到密封的效果；②SDS上增加了2條動(dòng)力和液壓管線。優(yōu)點(diǎn)是不需要ROV，可盡早完成水下斷開(kāi)工作。和SDS相關(guān)的2條管線是永久安裝在船尾，與月池相臨的地方。一般的控制室都是安裝在船尾，這樣通過(guò)控制室可以很清楚地看到2條管線的壓力變化[7]。

2.4應(yīng)用于加蓬和幾內(nèi)亞沿岸的水下斷開(kāi)系統(tǒng)

由于資金和裝備的限制，該鉆井公司決定放棄常規(guī)水下防噴器組而采用水上防噴器組，這樣既可以保證經(jīng)濟(jì)的節(jié)約，又可以保證安全鉆進(jìn)。該水下斷開(kāi)系統(tǒng)從上到下的結(jié)構(gòu)為：①?346 mm隔水管連接裝置(15 m)；②?346 mm上剪切閘板(10 m)；③隔離短節(jié)；④?346 mm下剪切閘板(10 m)；⑤井口連接裝置。如圖7所示。

圖7　應(yīng)用于加蓬和幾內(nèi)亞沿岸的水下斷開(kāi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

使用雙閘板的主要原因是當(dāng)其中一個(gè)閘板由于會(huì)作用于接頭而不能工作時(shí)，另一個(gè)閘板可以提供額外的剪切力來(lái)保證鉆進(jìn)的安全進(jìn)行。該斷開(kāi)系統(tǒng)的核心系統(tǒng)就是控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可以保證聲波傳遞系統(tǒng)、電信號(hào)傳遞以及ROV的正常工作[8]。

2.5對(duì)比分析

常規(guī)深水水下防噴器組(Subsea Blowout Preventer，SSBOP)的剪切斷開(kāi)工作主要是由下部防噴器組的中間閘板來(lái)完成，而SBOP鉆井系統(tǒng)主要由SDS來(lái)完成[9-12]，它們之間的對(duì)比關(guān)系如表1所示。

表1　SSBOP組和SBOP組斷開(kāi)系統(tǒng)對(duì)比分析

由表1可以看出，SDS具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)節(jié)約的特點(diǎn)，且控制系統(tǒng)可以采用聲波控制方式，這就極大地簡(jiǎn)化了控制流程，極大地提高了深水鉆井的安全性。

3結(jié)論

1)水下斷開(kāi)系統(tǒng)的應(yīng)用為海洋深水鉆井提供了安全保障，為深海戰(zhàn)略的實(shí)施提供了可靠的技術(shù)支持。

2)綜合斷開(kāi)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況，水下斷開(kāi)作業(yè)一般是由剪切閘板來(lái)完成，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面不會(huì)有太大的變化，對(duì)控制系統(tǒng)的優(yōu)化以及管線的合理安排才是水下斷開(kāi)系統(tǒng)發(fā)展的方向。

3)在原有設(shè)備上進(jìn)行改造和創(chuàng)新，仍然是SDS發(fā)展的主要手段。

4)對(duì)于國(guó)產(chǎn)化，建議在國(guó)外SDS設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國(guó)海域的實(shí)際情況，對(duì)閘板、連接裝置的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并且對(duì)于控制系統(tǒng)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，以保證在最短時(shí)間內(nèi)完成剪切工作，保證環(huán)境污染最小化和安全、經(jīng)濟(jì)利益最大化。

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Sub Disconnect System of Surface Blowout Preventer and Application

HAN Yaokun，SU Kanhua，WANG Zihang，MA Kai，LIU Hongwei

(CollegeofPetroleum&GasEgineering，ChongqingUniversityofScienceandTechnology，Chongqing401331，China)

Abstract：The surface blowout preventer (SBOP) has been widely applied due to the expensive and maintain cost of fifth or sixth generation rig.Among them，Subsea Disconnect System (SDS) is one of the key technologies of deepwater drilling.To ensuring the safety and efficiency in the process of drilling，designing size through A Quantitative Risk Assessment (QRA) which used in risk assessment on field application of SBOP and the potential risk value；researching the operating principle，signal transmission mode and field applications about control system of Subsea Disconnect System.It turns out that，control system is the core of SDS.More fast and convenient way of signal transmission and processing method of accident is the key to the future research.Large size of the ram can guarantee that the high pressure marine riser is not broken and the stability of the wellhead；Different size of ram should be used in different ocean environment loads.

Keywords：deep water；drilling；subsea disconnect system；SBOP

中圖分類號(hào)：TE951

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.001

作者簡(jiǎn)介：韓垚堃(1992-)，男，遼寧盤(pán)錦人，碩士研究生，研究方向：油氣井工程，E-mail：hanyaokungreat@163.com。

收稿日期：2015-09-28

文章編號(hào)：1001-3482(2016)02-0001-05