淺談海工裝備鉆井設(shè)備BPO

馮建新 孫宇 李丹

摘要：鉆井是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)性很高的工程作業(yè)，尤其是海上鉆井，環(huán)境相對孤立。為了保證安全順利鉆井，鉆井過程中，尤其對于探井，配備性能好，操作方便靈活，可靠性高的井控裝置是十分重要的。本文主要以海上鉆井所使用的防噴器為主，對其類型、工作原理、各自特點(diǎn)和要求、防噴器控制系統(tǒng)，以南海東部某半潛式鉆井平臺(tái)水下防噴器為例，做了簡單的介紹和分析。對進(jìn)一步了解鉆井井控設(shè)備和安全鉆井有了更深刻的認(rèn)識。

關(guān)鍵詞：鉆井;防噴器;海工鉆井裝備

隨著海洋石油勘探和開發(fā)的進(jìn)程日益深入，深水鉆井漸漸成為一種主流的發(fā)展趨勢，而保證安全鉆井最關(guān)鍵的設(shè)備，便是深海防噴器組。深海防噴器也叫水下防噴器，在石油鉆井時(shí)安裝在井口套管頭上，用于控制井口壓力，是井控設(shè)備中的核心設(shè)備。是海洋石油鉆井行業(yè)水下器具的部件之一，是設(shè)置在海底用來控制和防止井噴，保證海下作業(yè)順利完成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

1.深海防噴器組國內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外對防噴器做了大量的研究工作，但是世界防噴器（BOP）的發(fā)展沒有像其它一些技術(shù)那樣發(fā)展迅速[1]。對于防噴器的研究，主要是考慮其活塞的行程和密封，對于含硫化物的油氣井，其硫化物應(yīng)力腐蝕機(jī)理研究還不是很透徹。所以，對于含H2S油氣井的環(huán)形防噴器的研究，有待加強(qiáng)。同時(shí)，防噴器控制系統(tǒng)的研究也是相對緩慢，新型的還處于研發(fā)中，目前廣泛使用的就是電液控制系統(tǒng)，典型的如庫美控制系統(tǒng)。目前防噴器控制系統(tǒng)主要是“開式系統(tǒng)”，既電控氣、氣控液和液控液。同時(shí)，根據(jù)API對防噴器控制系統(tǒng)的要求，其閘板防噴器關(guān)井時(shí)間不能>45s，環(huán)形防噴器不能>60s，這個(gè)對于陸地鉆井現(xiàn)在完全可以滿足，在陸地油田鉆井現(xiàn)場，環(huán)形防噴器關(guān)閉時(shí)間為30s，而閘板防噴器只需要3～8s時(shí)間。但是，對于海上鉆井，當(dāng)水深增加時(shí)，傳輸距離和控制軟管束長度也隨之增加，在海浪的沖擊下可能會(huì)斷裂，因此控制信號不能及時(shí)到達(dá)或者中途可能會(huì)出現(xiàn)故障?？紤]到今后海上油田開發(fā)向深水進(jìn)軍的目標(biāo)，對于浮式平臺(tái)防噴器控制系統(tǒng)的研究也應(yīng)該加強(qiáng)。國正式立項(xiàng)“3000米深海防噴器組及控制系統(tǒng)的研制”課題。2012年10月，國內(nèi)首套3000米深水防噴器組及其控制系統(tǒng)，被華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司研制并通過國家科技部驗(yàn)收。作為國家“863”計(jì)劃“南海深水油氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)與裝備”的子課題之一，該項(xiàng)目的成功研發(fā)，填補(bǔ)了我國防噴器制造方面的不足甚至空白，是我國石油鉆采作業(yè)的重大突破，具有極其深遠(yuǎn)的意義。

以目前國內(nèi)海工行業(yè)的發(fā)展水平來看，海洋工程可以以其深度劃分為海岸、淺海和深海工程。如何改善石油鉆井平臺(tái)，以便適應(yīng)深水、超深水等環(huán)境作業(yè)的安全性能要求，是未來深海防噴器設(shè)計(jì)所一直追求的目標(biāo)。目前國內(nèi)自主設(shè)計(jì)的深海防噴器，大多是在國外成熟設(shè)計(jì)的產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，一旦修改幅度過大，便會(huì)產(chǎn)生各類的問題。究其原因，缺乏創(chuàng)新，對設(shè)計(jì)理念的本質(zhì)的理解匱乏才是根本。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

美國從20世紀(jì)50年代開始研究生產(chǎn)水下防噴器，經(jīng)過三十年速度發(fā)展。90年代，Shaffer研發(fā)了以快速更換閘板為特點(diǎn)的NEXT 型閘板防噴器。2008年，美國JAMESI.LIVINGSTONE申請了一個(gè)井下防噴器專利，能夠與井壁形成環(huán)形空間和內(nèi)部通道的內(nèi)管。同時(shí)該防噴器還一個(gè)單向閥和球閥，分別負(fù)責(zé)關(guān)閉井下防噴器的環(huán)形通道和內(nèi)部通道。

2、深海防噴器的組成及工作原理

2.1 組成結(jié)構(gòu)

防噴器是鉆井井口裝置的主要組成部分。它是保安全、快速、優(yōu)質(zhì)鉆開高壓油、氣層的關(guān)鍵設(shè)備。海底防噴器組。具有結(jié)構(gòu)簡單，操作簡易，耐高壓耐腐蝕等特點(diǎn)。同時(shí)因?yàn)樘幵诤Ｑ蟓h(huán)境下工作，需要耐腐蝕耐低溫，其性能必須絕對可靠。深海防噴器組通常由環(huán)形防噴器、閘板式防噴器組成，為一般防噴器的三維模型圖，由上至下分為一個(gè)環(huán)形防噴器、三個(gè)閘板防噴器和一個(gè)管道四通。深海防噴器組的性能要求隨著水下深度的增加，也變得越來越高，防噴器組的高度變化會(huì)影響下部結(jié)構(gòu)。尤其是在無導(dǎo)向繩作業(yè)的情況下，這就需要防噴器與下部結(jié)構(gòu)留下足夠的間隙。

2.2環(huán)形防噴器（ABOP）

環(huán)形防噴器按照膠芯形狀和結(jié)構(gòu)可分為錐形膠芯、球形膠芯和組合膠芯三種。環(huán)形防噴器的主要作用是為空井時(shí)，可封整個(gè)的井口;井不為空井時(shí)，可封環(huán)形空間;在封井的情況下，可向井里多下入鉆具，但是使用的鉆具必須有18°坡度的對焊鉆桿接頭。環(huán)形防噴器能夠封閉不同鉆柱的不同部位;能關(guān)閉試油抽子、電纜、空井和各種井下工具。膠芯一般都具有抗H2S應(yīng)力腐蝕的特點(diǎn)。環(huán)形防噴器試壓，試壓介質(zhì)清水。一般不做封零實(shí)驗(yàn)，只按規(guī)定做封管子的實(shí)驗(yàn);根據(jù)海洋石油鉆井規(guī)范要求，試壓要求低壓300～500psi，穩(wěn)壓5min;高壓試壓按照額定工作壓力的70% 進(jìn)行，或者按照套管最小抗內(nèi)壓強(qiáng)度的70% 進(jìn)行，兩者取其最小值進(jìn)行，穩(wěn)壓15min。先進(jìn)行低壓試壓，再進(jìn)行高壓試壓，其主要目的是防止鉆井液高壓壓實(shí)而密封，而低壓更容易發(fā)現(xiàn)漏失。液控油壓不能過大，最大不許>15MPa。通常液控油壓在8.5～10.5MPa范圍內(nèi);關(guān)井狀態(tài)起下鉆作業(yè)，只能通過18°。

2.3 閘板防噴器（RBOP）

閘板防噴器是最主要的井控設(shè)備。目前，海上主要使用的是HYDRIL， SHAFFER和CAMERON三家公司的閘板防噴器。閘板防噴器按照閘板的數(shù)量可以分為單閘板、雙閘板和三閘板防噴器;按照閘板形狀可以分為全封閘板防噴器、半封閘板防噴器、變徑閘板防噴器和剪切閘板防噴器。閘板防噴器安裝時(shí)不能倒置，因?yàn)殚l板只能承受向上的壓力，但是也有雙面能夠承受壓力的閘板;芯軸有二次密封的作用，注入密封脂等可進(jìn)行密封;閘板前部密封鉆柱的橡膠有自封的作用;有自動(dòng)清砂槽，維修和保養(yǎng)很方便。閘板的密封性能很重要，直接關(guān)系到是否能夠?qū)崿F(xiàn)順利安全關(guān)井的目的。閘板防噴器地面試壓，試壓介質(zhì)為清水。低壓300～500psi，穩(wěn)壓5min，高壓要達(dá)到100%額定工作壓力，穩(wěn)壓15min。安裝好后試壓，要達(dá)到70%額定工作壓力，或要低于套管最小抗

2.4 工作原理

鉆井過程中地層流體壓力大于井液密度，液控系統(tǒng)的高壓油進(jìn)入左右液缸關(guān)閉腔，推動(dòng)其活塞帶動(dòng)左右的閘板沿閘板室限定的軌道同時(shí)向井口中心移動(dòng)。閘板防噴器的閘板有四種，包括全封式和半封式。其中全封式閘板可以封住整個(gè)井口，而當(dāng)有鉆桿存在的時(shí)候，半封式可以封住井口的環(huán)形斷面。根據(jù)閘板防噴器傳遞的信號源，系統(tǒng)性地由下至上，一層一層實(shí)現(xiàn)防噴器的封井動(dòng)作。

3 結(jié)論

在國外的深水防噴器組已用于工程實(shí)踐多年的同時(shí)，我國關(guān)于在防噴器領(lǐng)域的研究卻處于一個(gè)正在起步的階段。我國防噴器組的密封件質(zhì)量不夠過硬，且用于防噴器產(chǎn)品的材料種類單一，甚至有些技術(shù)性材料需要引進(jìn)。隨著對鉆油作業(yè)中的安全性能和可靠性越來越重視，國內(nèi)的深水防噴器組正在漸漸向高可靠性、智能化、高系統(tǒng)壓力、三重冗余等方向發(fā)展。

隨著深水防噴器技術(shù)的不斷研究，深海防噴器不斷向安全化、海洋化發(fā)展，同時(shí)鉆油作業(yè)的水深也不會(huì)僅僅停留在水下三千米得程度。為降低深海油井勘探開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)、確保我國海洋鉆井作業(yè)的施工安全、促進(jìn)深海防噴器組技術(shù)的突破與跨越，關(guān)于防噴器組及其控制系統(tǒng)的研究勢在必行。

目前，我國石油鉆井作業(yè)中的深水、超深水防噴器組的相關(guān)研究仍然遵循著其領(lǐng)域內(nèi)的基本原理，遠(yuǎn)沒有其他領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展迅速。我國防噴器行業(yè)想要增強(qiáng)自身的競爭，必須在核心技術(shù)的研發(fā)動(dòng)向、工藝設(shè)備、技術(shù)應(yīng)用及趨勢等方面做出突破。只有了解國內(nèi)外防噴器生產(chǎn)核心技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展動(dòng)向，逐步提升企業(yè)產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格、提高自身的競爭力，這樣才能逐漸領(lǐng)先于國外同行業(yè)的競爭者。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯國慶.水下防噴器組節(jié)流壓井管線插接器研究現(xiàn)狀[J].石油機(jī)械，2016（06）.

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