陳佩華，徐鴻飛，張杰，張俊楠，王哲

鉆井井控設(shè)計(jì)中三個(gè)不容忽視的問(wèn)題及建議

陳佩華，徐鴻飛，張杰，張俊楠，王哲

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

為進(jìn)一步優(yōu)化中海石油（中國(guó)）有限公司的井控設(shè)計(jì)，使其具有更豐富的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)意義，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巡檢工作以及對(duì)井控設(shè)計(jì)內(nèi)容的分析，指出井控設(shè)計(jì)中對(duì)關(guān)井能力方面缺少針對(duì)性、具體性的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，從剪切閘板實(shí)際剪切能力評(píng)估、防噴單根/立柱的設(shè)計(jì)與應(yīng)用以及應(yīng)急操作指導(dǎo)三個(gè)方面給出建議，便于迭代井控設(shè)計(jì)內(nèi)容，提升井控設(shè)計(jì)質(zhì)量。

井控設(shè)計(jì)；剪切能力；防噴單根/立柱；應(yīng)急操作

為保障國(guó)家能源安全，近年來(lái)中國(guó)海油持續(xù)加大勘探開發(fā)力度，鉆完井作業(yè)量逐年增加。隨著工作量大幅增加，深水、深層、新區(qū)、新領(lǐng)域的鉆探增多，“想不到”的風(fēng)險(xiǎn)陡升，安全管理被稀釋攤薄，為井控管理提升帶來(lái)更多挑戰(zhàn)。中國(guó)海油將井控工作當(dāng)作“天字號(hào)”工程，持續(xù)強(qiáng)化管理。井控設(shè)計(jì)是井控工作的前期工作，對(duì)后期工作開展具有全局指導(dǎo)作用，關(guān)系到前期準(zhǔn)備以及后期的工作開展，對(duì)井控預(yù)防與處置起到至關(guān)重要的作用。本文著重探討目前井控設(shè)計(jì)中容易忽視的三項(xiàng)內(nèi)容，并給出對(duì)應(yīng)建議。

1 井控設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

目前中海石油（中國(guó)）有限公司的井控設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括9個(gè)方面：井的基本情況、井控裝置設(shè)計(jì)、特殊材料儲(chǔ)備設(shè)計(jì)、最大允許關(guān)井套壓分析、最大允許溢流量計(jì)算、波動(dòng)壓力計(jì)算、壓井工藝及方案設(shè)計(jì)、井控風(fēng)險(xiǎn)及控制措施、救援井總體方案。這9個(gè)方面囊括了作業(yè)前準(zhǔn)備、作業(yè)中注意事項(xiàng)以及發(fā)生事故時(shí)的應(yīng)急措施，是一套結(jié)構(gòu)相對(duì)完整的井完整性評(píng)價(jià)與控制方法。

2 井控設(shè)計(jì)中不容忽視的三個(gè)問(wèn)題

井控設(shè)計(jì)中的內(nèi)容相對(duì)完整，但是在關(guān)井關(guān)鍵點(diǎn)方面，筆者認(rèn)為缺少針對(duì)性。

2.1 剪切閘板剪切能力缺少單獨(dú)評(píng)估

剪切閘板是防噴器組中的一個(gè)重要閘板，它在緊急情況下能夠剪斷井內(nèi)鉆具實(shí)現(xiàn)封井，是至關(guān)重要的一道屏障。對(duì)于地面防噴器組，若剪切閘板設(shè)計(jì)剪切能力不足，將導(dǎo)致作業(yè)管柱不能及時(shí)脫離、封井失敗等惡性后果，深水作業(yè)條件下后果更為嚴(yán)重[1]。在2010年的墨西哥深水地面線井噴事件中，剪切閘板未曾實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的剪切功能，從而導(dǎo)致事故惡化，進(jìn)而失控。在2020年的國(guó)內(nèi)某起井噴事件中，亦是由于剪切閘板未能剪切導(dǎo)致后續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的救援工作，造成巨大損失與惡劣影響。這些事件發(fā)生的原因均與剪切閘板的剪切能力相關(guān)，可能是剪切能力不匹配、剪切操作不當(dāng)或者剪切環(huán)境特殊，剪切功能受限等原因，另一不可忽視的現(xiàn)狀是中國(guó)海油目前絕大部分的剪切防噴器服役時(shí)間已不短，盡管有定期的保養(yǎng)維護(hù)，但剪切能力是否與出廠時(shí)一致，值得探討。另外，中國(guó)海油使用的鉆桿型號(hào)也發(fā)生變化，不在原有的剪切閘板的可剪切說(shuō)明范圍內(nèi)，需要重新評(píng)估。因此，井控設(shè)計(jì)中應(yīng)予以全面考慮并給出恰當(dāng)?shù)念A(yù)防和應(yīng)急措施。

2.2 防噴單根或防噴立柱缺少詳細(xì)設(shè)計(jì)

防噴單根與防噴立柱是有效的內(nèi)防噴工具，能夠有效制止鉆柱內(nèi)的井噴且利于防噴器關(guān)閉環(huán)空。現(xiàn)有井控設(shè)計(jì)中推薦的關(guān)井方式來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)SY/T 7453—2019[2]，標(biāo)準(zhǔn)中建議在起下鉆鋌和下套管過(guò)程中使用防噴單根或防噴立柱，但是沒(méi)有給出防噴單根的具體組合形式。防噴單根/立柱的組合需要綜合現(xiàn)有防噴器組條件、下入目的層位、管柱尺寸等多種因素去組合，需要考慮壓井后的可能的后續(xù)作業(yè)。

現(xiàn)場(chǎng)巡檢時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)大部分平臺(tái)依然采用一步一步的搶接方法，先拆除提升短節(jié)，然后搶接變扣接頭與鉆桿，下入后再搶接考克，顯然這種方式非常低效，不利于井控工作，筆者認(rèn)為需要在設(shè)計(jì)之初就給出推薦的做法。

2.3 應(yīng)急操作缺失原則性指導(dǎo)

現(xiàn)有的井控設(shè)計(jì)中給出了鉆進(jìn)、起下鉆、起下鉆鋌、下套管、空井、測(cè)井工況下的軟硬關(guān)井方式，這些都是常規(guī)的關(guān)井方式，實(shí)際作業(yè)中，肯定會(huì)有超出以上境況的關(guān)井工況，例如常規(guī)剪切、超級(jí)剪切、關(guān)套管環(huán)形調(diào)壓等這些特殊情況，在井控設(shè)計(jì)中均缺少前瞻性的提醒與針對(duì)性的指導(dǎo)。

另外，中國(guó)海油推薦的關(guān)井程序均為硬關(guān)井程序，但是當(dāng)啟動(dòng)操作剪切閘板防噴器前，應(yīng)優(yōu)先采用軟關(guān)井方法，提高一次剪切成功率，同時(shí)需考慮被剪后的上部鉆具在井口壓力作用下上竄的危險(xiǎn)性，避免對(duì)地面人員和設(shè)備造成二次事故[3]。因此，任何應(yīng)急操作均有前提條件，井控設(shè)計(jì)中宜做出提醒說(shuō)明。

3 建議措施

3.1 對(duì)剪切閘板剪切能力做評(píng)估

對(duì)于剪切閘板的剪切能力評(píng)估已有多名作者發(fā)表了看法。王旭東[4]等綜合考慮剪切閘板結(jié)構(gòu)參數(shù)、鉆桿材料參數(shù)及剪切工況參數(shù)，建立起剪切閘板剪切力預(yù)測(cè)模型。預(yù)測(cè)模型與剪切試驗(yàn)的相對(duì)偏差在10%左右，符合工程數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差要求。趙維 青[5]提出的水下防噴器組剪切閘板剪切能力評(píng)估方法，得到的計(jì)算值與廠家提供的數(shù)據(jù)誤差在3%以內(nèi)。王鵬程[6]等基于機(jī)器視覺技術(shù)和圖像處理技術(shù)建立了一套剪切閘板量化評(píng)價(jià)方法，能夠滿足評(píng)價(jià)測(cè)試精度要求。楊永寧[7]等研究了一定結(jié)構(gòu)下的剪切閘板的剪切力計(jì)算，剪切?127 mm E級(jí)、29 kg·m-1鉆桿實(shí)際剪切操作壓力與計(jì)算剪切操作壓力誤差為-7.8%，剪切?127 mm G級(jí)、29 kg·m-1鉆桿實(shí)際剪切操作壓力與計(jì)算剪切操作壓力誤差為21.5%。 韓傳軍[8]等認(rèn)為傳統(tǒng)的解析方法很難對(duì)剪切機(jī)理進(jìn)行定量分析和研究，數(shù)值模擬技術(shù)ABAQUS更加有效。 筆者認(rèn)為，上述作者均是從某個(gè)角度進(jìn)行衡量，而剪切能力需要綜合衡量。因?yàn)閷?duì)于地面防噴器組來(lái)說(shuō)，剪切能力受到剪切刀刃形狀、刀刃傾角角度、刀體材質(zhì)、剪切液壓壓力、井內(nèi)壓力、管柱內(nèi)壓力、管柱尺寸、管柱材質(zhì)、管柱壁厚等因素影響；對(duì)于深水防噴器組，還會(huì)受水深、隔水管內(nèi)鉆井液密度等因素影響，就論文中提及的準(zhǔn)確性與中國(guó)海油的適用性而言，趙維青的計(jì)算公式相對(duì)適用，因而建議在井控設(shè)計(jì)中按照此公式進(jìn)行理論評(píng)估。此外，筆者建議在井控車間，在動(dòng)員前對(duì)剪切閘板做實(shí)物試驗(yàn)，做到理論評(píng)估與實(shí)際試驗(yàn)相結(jié)合，確保其真正具備剪切能力。驗(yàn)證后得到的數(shù)據(jù)又可以進(jìn)一步修正計(jì)算公式，如此良性循環(huán)，進(jìn)一步鞏固評(píng)估的有效性[9]。

3.2 給出推薦的防噴單根/立柱的組合形式

在起下鉆鋌期間，建議井控設(shè)計(jì)重點(diǎn)提示井內(nèi)所用鉆鋌尺寸、防噴器組距離鉆臺(tái)面的高度。尺寸不同，現(xiàn)場(chǎng)就要配置多種防噴單根或立柱；高度不同就需要配置短鉆桿配長(zhǎng)從而確保防噴器關(guān)在鉆桿本體上。防噴單根/立柱組合形式從下至上的配置為：?jiǎn)胃?立柱+鉆井防噴壓井接頭[10]，鉆井防噴壓井接頭在井控作業(yè)中，能使鉆具內(nèi)防噴器具有泄壓、防噴、壓井三重功能。泄壓功能：其在井口與鉆鋌螺紋連接時(shí)球閥開啟；防噴功能：其與鉆鋌連接后,關(guān)閉球閥，繼續(xù)下鉆至壓井井深；壓井功能：使用加重鉆井液循環(huán)重建井筒壓力平衡。配套工具為：帶鉆桿母扣的提升短節(jié)，這樣可以省去拆提升短節(jié)這一步驟，單根/立柱直接接到提升短節(jié)上；另外設(shè)計(jì)中需要考慮足夠長(zhǎng)度的吊環(huán)，確保頂驅(qū)喇叭口與吊卡之間的距離大于防噴單根/立柱上部接頭長(zhǎng)度，防止頂驅(qū)無(wú)法居中提起防噴單根。

鉆井起下鉆鋌期間理想的內(nèi)防噴配置為：帶鉆桿接頭的提升短節(jié)+適合長(zhǎng)度與尺寸的鉆桿 +鉆井防噴壓井接頭+合適長(zhǎng)度的吊環(huán)。如果現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有鉆井防噴壓井接頭，建議使用旋塞閥代替。在其上接上回壓凡爾，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)行下鉆功能。

中國(guó)海油在自升式平臺(tái)一般不配備套管閘 板[11]，下套管期間需要配置防噴單根/立柱，搶接單根/立柱時(shí)需要考慮吊卡的更換，建議設(shè)計(jì)變扣接頭避免更換吊卡。

鉆井下套管期間理想的內(nèi)防噴配置為：變扣接頭（套管變鉆桿）+適合長(zhǎng)度與尺寸的鉆桿+鉆井防噴壓井接頭+變扣接頭（鉆桿變套管），井控設(shè)計(jì)中應(yīng)該基于以上原則對(duì)防噴單根/立柱進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)具備多個(gè)防噴單根/立柱時(shí)，建議現(xiàn)場(chǎng)做好醒目區(qū)分，便于第一時(shí)間取用正確的防噴單 根/立柱[12]。同樣，下套管期間要考慮吊環(huán)長(zhǎng)度足夠、空間足以接受特制接頭進(jìn)入。

為保證現(xiàn)場(chǎng)的反應(yīng)迅速及時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)必須組織好各種應(yīng)急演習(xí)。通過(guò)演習(xí)增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)人員的安全意識(shí)，避免井噴[13]。

3.3 給出應(yīng)急情況下的操作建議或注意事項(xiàng)

井控設(shè)計(jì)中應(yīng)該根據(jù)所用的防噴器控制系統(tǒng)，列出常規(guī)剪切作業(yè)程序，例如遵從《石油天然氣鉆井井控技術(shù)規(guī)范》（GB/T 31033—2014）要求或者廠商要求[14]。井控設(shè)計(jì)書中需要著重對(duì)剪切位置、剪切前的泄壓、上部鉆桿的固定做重點(diǎn)提醒[15]；對(duì)于具備氣泵超級(jí)剪切功能的控制系統(tǒng)，需要著重提示蓄能器的高壓隔離，其他閘板的高壓隔離，電泵的停止與隔離。剪切時(shí)井內(nèi)管柱需要在靜止?fàn)顟B(tài)，否則剪切成功率將大大降低[16]。根據(jù)防噴器組的配置，建議井控設(shè)計(jì)中提醒關(guān)注二次密封裝置應(yīng)急密封脂的儲(chǔ)備與操作規(guī)程[17]。

下套管時(shí)出現(xiàn)溢流需要關(guān)閉環(huán)形防噴器[18]，井控設(shè)計(jì)書中需要根據(jù)套管抗外擠強(qiáng)度提前計(jì)算環(huán)形的關(guān)閉液壓壓力，避免擠扁套管。

4 結(jié)束語(yǔ)

井控設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及作業(yè)中的方方面面[19]，任一方面的疏忽都可能導(dǎo)致不可估量的損失。未來(lái)的井控設(shè)計(jì)，在數(shù)字化的加持下，一定能夠直達(dá)一線，同樣一線的反饋也能到達(dá)設(shè)計(jì)者，監(jiān)管者也有跡可循，這樣形成井控設(shè)計(jì)質(zhì)量的閉路循環(huán)上升，最終形成有效的、針對(duì)性極強(qiáng)的井控設(shè)計(jì)書，切實(shí)指導(dǎo)工作，讓井控工作絕無(wú)一失[20]。

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Three Problems and Suggestions in the Design of Drilling Well Control

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（CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co., Tianjin 300452, China）

In order to further optimize the well control design of CNOOC (China) Co., Ltd. and make it more meaningful for on-site guidance, combined with the on-site audit work and the analysis of the well control design content, it was pointed out that the well control design lacked targeted and specific design guidance for the shut-in capacity. In this paper,from three aspects of the evaluation of the actual shear capacity of the shear ram, the design and implementation of the anti-blowout single joint/stand and emergency operation guidance, some suggestions were given from these, so as to iterate well control design content and improve well control design quality.

Well control design; Shear ability; Anti-blowout single joint/stand; Emergency operation

2021-03-09

陳佩華（1984-），男，江蘇省泰州市人，中級(jí)工程師， 2011 年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)，研究方向：油氣井井控培訓(xùn)。

TE92

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1004-0935（2021）03-0416-03