深水鉆井船高壓管匯設計關鍵因素分析

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(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200215)

深水鉆井船高壓管匯設計關鍵因素分析

魏可可，吳富生

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200215)

鉆井船上的泥漿立管管匯、固井管匯和節(jié)流壓井管匯在鉆井、固井以及油氣井壓力控制作業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，其配置的合理與否直接影響到作業(yè)的順利實施。總結了鉆井船用高壓管匯遵循的設計規(guī)范，分析了管匯的基本功能。結合鉆井船項目設計了高壓管匯的流程，并指出了管匯布置的要點，為類似鉆機高壓管匯的設計提供參考。

高壓管匯；流程設計；管匯布置

隨著陸地石油資源的日益枯竭，世界范圍內的油氣勘探逐漸往海洋尤其是深海方向發(fā)展。鉆井船作為深海鉆探的主力裝備，具有移動性能好、可變載荷大、適用水深廣等優(yōu)點[1-2]。泥漿立管管匯、固井管匯和節(jié)流壓井管匯(統(tǒng)稱“高壓管匯”)是鉆井船上鉆井設備的重要組成部分，其中泥漿立管管匯是匯集、輸送高壓鉆井液的專用設備，固井管匯是實施固井作業(yè)的必要設備，節(jié)流壓井管匯是實施油氣井壓力控制的關鍵設備。高壓管匯配置的好壞直接影響到鉆井、固井及井控等作業(yè)的順利實施，涉及到鉆井設備和操作人員的安全，甚至會對海洋環(huán)境產生影響。本文在介紹高壓管匯規(guī)范及功能的基礎上，開展高壓管匯設計關鍵因素分析，重點研究了高壓管匯的流程設計和結構布局。

1 標準和規(guī)范的要求

高壓管匯必須遵守國際通用的技術標準與規(guī)范，首先推薦按照美國石油協(xié)會(API)的相關標準執(zhí)行。涉及的API規(guī)范包括API 6A《井口設備及采油樹規(guī)范》、API 16C《節(jié)流壓井系統(tǒng)規(guī)范》和API RP53《鉆井用防噴器系統(tǒng)推薦做法》；其他的規(guī)范、規(guī)則都依附于API標準。同時根據應用條件，在泥漿回流系統(tǒng)的關鍵路徑上，材料的使用要滿足美國防腐蝕工程師協(xié)會NACE MR0175《油田材料抗硫化物應力腐蝕開裂規(guī)范》關于硫化氫腐蝕方面的規(guī)定[3]。高壓管匯在工藝流程和設備配置等方面，還要遵循船東根據自身的作業(yè)經驗制定的要求，并根據船東的選擇，取得DNV(N)證書、ABS CDS證書或者API證書等。

2 高壓管匯功能概述

2.1 泥漿立管管匯

泥漿立管管匯主要由高壓泥漿閘閥、閥件、壓力表及壓力傳感器等組成，通過開啟和關閉立管管匯上相應的閥門，可以引導高壓鉆井液的流向，實現不同工藝流程的需求。

正常鉆井作業(yè)時，由鉆井泵排出的高壓鉆井液經過高壓管系送至鉆臺面立管管匯，然后依次通過立管、水龍帶進入頂驅中心管，之后進入鉆桿，到達井底，起到控制井內壓力，潤滑、冷卻鉆頭，清洗井底的作用[4]。實施壓井作業(yè)時，亦通過泥漿立管管匯向井筒內灌入加重鉆井液，重建井內壓力平衡。

2.2 固井管匯

固井管匯由旋塞閥、閥件、壓力表及壓力傳感器等組成。固井作業(yè)時，來自固井單元的水泥漿經過固井管匯輸送至水泥立管，然后經過套管頭進入套管內。注完水泥漿后，由鉆井泵把高壓鉆井液送到立管管匯，鉆井液通過立管管匯進入固井管匯，之后進入套管頭到達套管內，鉆井液下行將水泥漿替到要求的封固段，把套管固定在井壁上。固井作業(yè)結束后，固井管匯內部要用清水進行充分清洗，防止堵塞及腐蝕。

2.3 節(jié)流壓井管匯

節(jié)流壓井管匯主要包括節(jié)流閥、高壓閘閥、閥件、緩沖管、壓力表、壓力及溫度傳感器等。節(jié)流壓井管匯的的主要功能為：①實施軟關井；②在防噴器關閉的條件下，通過調節(jié)節(jié)流閥的開度大小來控制井口回壓，平衡井底壓力和地層壓力，同時有節(jié)制地排放受污染的鉆井液；③根據需要實施空井壓井作業(yè)[5]。

2.3.1軟關井

當鉆井過程中出現溢流時，關井是控制溢流最有效的方法。軟關井方式即先打開液動節(jié)流閥進行泄壓，再關閉防噴器，最后關閉液動節(jié)流閥，采取軟關井可以最大限度地避免“液擊效應”對井口裝置的影響[6]。

2.3.2調節(jié)井口回壓

常規(guī)壓井時，要把加重鉆井液從井口送到井底，再從井底到達井口，在這個過程中需要保持作用在井底的壓力不變，使井底壓力和地層壓力相平衡。井底壓力=環(huán)形空間靜液柱壓力+環(huán)形空間壓力損失+節(jié)流閥壓力，通過改變節(jié)流閥開度大小可以調節(jié)節(jié)流閥壓力，進而補償環(huán)形空間靜液柱壓力及壓力損失，實現平衡地層壓力下的壓井。

2.3.3空井壓井

當井內無鉆具，或者用全封閘板封住井口時，鉆井液無法通過正常循環(huán)通道進入井內，可以通過壓井管線往井筒里強行灌入鉆井液，實施空井壓井作業(yè)。

當發(fā)生井噴時，通過壓井管線往井筒強注清水，以防燃燒起火；當已經井噴著火時，通過壓井管線往井筒里強注滅火劑，以助滅火。

3 流程設計

3.1 設計原則

高壓管匯的流程設計首先要確保功能完備，其次要在關鍵線路上確保設備的可靠性，保證連續(xù)作業(yè)。

1) 功能性原則。鉆井船所處自然條件惡劣，操作工況復雜，高壓管匯的工藝流程應涵蓋鉆井、固井和完井作業(yè)中各種工況下的流體循環(huán)和井筒壓力控制、調節(jié)的需求。

2) 可靠性原則。鉆井船租金昂貴，支持費用高，而且遠離陸地，更換設備零件不甚方便，這些特點要求鉆井船上的高壓管匯具有較高的可靠性，必要時配備相應的備用通道，當某個通道中的閥門或者管件出現故障時，備用通道能夠立刻投入使用，確保鉆井作業(yè)不中斷，提高鉆井效率，節(jié)省作業(yè)費用。

3.2 設計要求

目標鉆井船最大作業(yè)水深為3 500 m，最大鉆深為12 000 m。鉆井船配備雙井架，具備離線接立根能力，主井位和輔井位可同時進行可能并行的作業(yè)。泥漿立管管匯、固井管匯及節(jié)流壓井管匯的設計要求如表1。

表1 高壓管匯設計要求[7]

表1(續(xù))

3.3 流程設計

針對目標高壓管匯的設計要求，其流程設計如圖1所示。

圖1 高壓管匯流程

3.3.1泥漿立管管匯

正常鉆井時，來自鉆井泵的高壓鉆井液通過N1、N2進入立管管匯，然后通過N4、N5去向位于主井口的兩根立管，兩根立管一用一備，設置備用的立管是由于與立管相連的軟管易于損壞，避免更換軟管造成停鉆；N3和輔井口處的立管相連，用于輔井口的鉆井作業(yè)；N8去分流器，用于定期對分流器進行壓力測試；N9、N10去泥漿返回槽，在卡鉆等情況下能夠起到壓力泄放的作用，保證設備和人員安全；N6和節(jié)流壓井管匯相連，用于實施空井壓井作業(yè)，當井內沒有鉆具，壓井液無法通過鉆頭及時到達井底時，可以通過壓井管線向井筒內輸送加重鉆井液；N7去固井管匯，用于固井作業(yè)時水泥漿的替換。

3.3.2固井管匯

固井作業(yè)時，來自固井泵的高壓水泥漿通過N1、N2進入固井管匯，然后經過N6、N7分別通往主、輔井口固井立管，進而注入到套管內；N3連接立管管匯，實施固井作業(yè)時，鉆井液依次通過立管管匯、固井管匯到達套管內，并將水泥漿擠到套管和井眼的環(huán)空中；N4和節(jié)流壓井管匯相連，可以利用固井泵對節(jié)流壓井管匯和BOP進行試壓；N8連接沖洗管線，使固井管線和閥門都能得到充分的沖洗，有效防止殘留水泥。

3.3.3節(jié)流壓井管匯

節(jié)流壓井管匯配備2個手動節(jié)流閥和2個液動節(jié)流閥，每個節(jié)流閥和若干閘閥構成一個獨立的通道，當某個節(jié)流閥出現故障需要檢修時，可將其上下游的閥門關閉，將另一個節(jié)流閥下游的閥門打開，使其投入工作。井筒內受污染的流體通過節(jié)流閥后去向液氣分離器，或者直接排到舷外[5]。此外，節(jié)流壓井管匯配置一路管線和節(jié)流/壓井通道平行，作為試井和溢流觀察時的旁通。節(jié)流壓井管匯各接口的作用如下：

1) N1、N6連接BOP的低位Choke與Kill閥。

2) N2、N5連接BOP的高位Choke與Kill閥。

3) N3和泥漿立管管匯相連，來自鉆井泵的加重鉆井液通過立管管匯到達壓井管線實施空井壓井作業(yè)。

4) N4和固井管匯相連，可以使用固井泵來實施51.7 MPa(7 500 psi)以上的壓井作業(yè)。

5) N7、N10去往液氣分離器，用于去除鉆井液中的氣體，恢復氣侵鉆井液的密度。

6) N8、N9通往舷外，當遇到地層壓力特別大或者是處理突發(fā)事件，返回的鉆井液超出了泥氣分離器的處理能力時，鉆井液通過直排口排出舷外，降低井口套管壓力，保護井口防噴器組。

7) N11去往精計量罐，用于溢流觀察。

8) N12連接試油單元，當鉆到油層，有油氣從井口返回時，連接去測井單元及燃燒臂。

4 管匯布置

高壓管匯通常布置在鉆臺面上的易觀察位置，由于鉆井船上空間有限，其允許的可變載荷有一定的限制，要求高壓管匯在滿足作業(yè)安全的前提下，盡量結構緊湊，質量輕便，且易于維護[8]，主要遵循如下原則：

1) 結構緊湊。高壓管匯盡可能呈立面空間布置，節(jié)約鉆臺空間，高度方向上要留有維修眼板吊裝所需的空間，便于設備維護。

2) 儀表便于觀察。顯示壓力和溫度的儀表布置在人員目視的高度和方位。

3) 方便操作和維修。閥門和閥件周圍要留有足夠的維護空間，對于高度超出人員操作范圍的閥門，要配置維護平臺。如圖2中高度為1 707 mm的手動節(jié)流閥，其手輪高度大于1 800 mm，為便于緊急情況下的操作，需要在此處設置維護平臺。還有一種方法是在設計階段就考慮到旋轉閥門的可能性，例如將閥門旋轉至手輪朝下，降低操作高度。

4) 防止空間干涉。注意接口處管子的走向，避免管子和鉆臺面結構及其背面的加強筋板干涉，避開梯子平臺入口。如圖3中的管子，由于管匯維護平臺在設計階段未考慮到管子的走向，待建模時才發(fā)現梯子入口被管子遮擋，此時若再修改管匯接口工作量較大，比較折中的辦法是修改梯子的位置。

圖2 閥門操作高度示意

圖3 管匯布置示意

5 結論

1) 工藝流程和結構布局是高壓管匯設計的關鍵，其中工藝流程決定了高壓管匯的功能能否實現，結構布局影響管匯操作的便利性。

2) 根據目標鉆井船的技術文件給出了高壓管匯的流程設計，總結了管匯布置中的要點，可供管匯的設計及集成人員參考。

3) 在實際操作中，用戶通常會根據自身的作業(yè)習慣及經驗對流程設計和結構布局提出不同的要求，設計時要充分考慮用戶的需求，不斷優(yōu)化高壓管匯的流程及結構布局。

[1] 麻翠榮.深水鉆井船船型開發(fā)及總體性能分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

[2] 孫寶江，曹式敬，李昊，等.深水鉆井技術裝備現狀及發(fā)展趨勢[J].石油鉆探技術，2011，39(2)：8-10.

[3] 董慶輝. 海洋鉆井泥漿系統(tǒng)研究[J].中國造船，2009(50)：981-983.

[4] 王臣，聶永坤，馬永恒，等.70 MPa鉆井液循環(huán)管匯設計與應用[J].石油礦場機械，2013，42(9)：77.

[5] 王華.井控裝置實用手冊[M].北京：石油工業(yè)出版社，2008：147-148.

[6] 董星亮.海洋鉆井手冊[M].北京：石油工業(yè)出版社，2011：488-491.

[7] API Specification 6A，Wellhead and Christmas Tree Equipment[S].2010.

[8] 馮利杰，薛蘇玲，杜淵，等.DSJ300-1海洋鉆井平臺節(jié)流壓井管匯設計[J].石油機械，2013(41)：54-56.

AnalysisofKeyFactorsinDesignofHighPressureManifoldsforDeepwaterDrillship

WEI Keke，WU Fusheng

(ShanghaiZhenhuaHeavyIndustryCo.，Ltd.，Shanghai200215，China)

Mud standpipe manifolds，cement manifolds and choke & kill manifolds play an important role in drilling，cementing and well control process，rationality of manifolds’ configuration has direct impact on their operation.The design standards of high pressure manifolds for deepwater drillship is summarized，manifolds’ basic function is analyzed and an example of process design based on aimed drillship project is given.It also points out key factors in manifolds layout which can provide reference for manifolds’ design for similar rig.

high pressure manifolds；process design；layout

1001-3482(2017)06-0032-04

2017-6-11

上海市科學技術委員會科研計劃項目(15DZ1201901，16XD1424000)

魏可可(1989-)，女，安徽亳州人，工程師，現從事海洋石油裝備的設計開發(fā)工作。

TE951

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.007