陳佩華，徐鴻飛，張杰，張俊楠，王哲

鉆井井控設(shè)計中三個不容忽視的問題及建議

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）

為進一步優(yōu)化中海石油（中國）有限公司的井控設(shè)計，使其具有更豐富的現(xiàn)場指導意義，結(jié)合現(xiàn)場巡檢工作以及對井控設(shè)計內(nèi)容的分析，指出井控設(shè)計中對關(guān)井能力方面缺少針對性、具體性的設(shè)計指導，從剪切閘板實際剪切能力評估、防噴單根/立柱的設(shè)計與應(yīng)用以及應(yīng)急操作指導三個方面給出建議，便于迭代井控設(shè)計內(nèi)容，提升井控設(shè)計質(zhì)量。

井控設(shè)計；剪切能力；防噴單根/立柱；應(yīng)急操作

為保障國家能源安全，近年來中國海油持續(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”的風險陡升，安全管理被稀釋攤薄，為井控管理提升帶來更多挑戰(zhàn)。中國海油將井控工作當作“天字號”工程，持續(xù)強化管理。井控設(shè)計是井控工作的前期工作，對后期工作開展具有全局指導作用，關(guān)系到前期準備以及后期的工作開展，對井控預防與處置起到至關(guān)重要的作用。本文著重探討目前井控設(shè)計中容易忽視的三項內(nèi)容，并給出對應(yīng)建議。

1 井控設(shè)計現(xiàn)狀

目前中海石油（中國）有限公司的井控設(shè)計內(nèi)容主要包括9個方面：井的基本情況、井控裝置設(shè)計、特殊材料儲備設(shè)計、最大允許關(guān)井套壓分析、最大允許溢流量計算、波動壓力計算、壓井工藝及方案設(shè)計、井控風險及控制措施、救援井總體方案。這9個方面囊括了作業(yè)前準備、作業(yè)中注意事項以及發(fā)生事故時的應(yīng)急措施，是一套結(jié)構(gòu)相對完整的井完整性評價與控制方法。

2 井控設(shè)計中不容忽視的三個問題

井控設(shè)計中的內(nèi)容相對完整，但是在關(guān)井關(guān)鍵點方面，筆者認為缺少針對性。

2.1 剪切閘板剪切能力缺少單獨評估

剪切閘板是防噴器組中的一個重要閘板，它在緊急情況下能夠剪斷井內(nèi)鉆具實現(xiàn)封井，是至關(guān)重要的一道屏障。對于地面防噴器組，若剪切閘板設(shè)計剪切能力不足，將導致作業(yè)管柱不能及時脫離、封井失敗等惡性后果，深水作業(yè)條件下后果更為嚴重[1]。在2010年的墨西哥深水地面線井噴事件中，剪切閘板未曾實現(xiàn)應(yīng)有的剪切功能，從而導致事故惡化，進而失控。在2020年的國內(nèi)某起井噴事件中，亦是由于剪切閘板未能剪切導致后續(xù)長時間的救援工作，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)狀是中國海油目前絕大部分的剪切防噴器服役時間已不短，盡管有定期的保養(yǎng)維護，但剪切能力是否與出廠時一致，值得探討。另外，中國海油使用的鉆桿型號也發(fā)生變化，不在原有的剪切閘板的可剪切說明范圍內(nèi)，需要重新評估。因此，井控設(shè)計中應(yīng)予以全面考慮并給出恰當?shù)念A防和應(yīng)急措施。

2.2 防噴單根或防噴立柱缺少詳細設(shè)計

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?，F(xiàn)有井控設(shè)計中推薦的關(guān)井方式來自標準SY/T 7453—2019[2]，標準中建議在起下鉆鋌和下套管過程中使用防噴單根或防噴立柱，但是沒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)場巡檢時，筆者發(fā)現(xiàn)大部分平臺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，筆者認為需要在設(shè)計之初就給出推薦的做法。

2.3 應(yīng)急操作缺失原則性指導

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

另外，中國海油推薦的關(guān)井程序均為硬關(guān)井程序，但是當啟動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，同時需考慮被剪后的上部鉆具在井口壓力作用下上竄的危險性，避免對地面人員和設(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)計中宜做出提醒說明。

3 建議措施

3.1 對剪切閘板剪切能力做評估

對于剪切閘板的剪切能力評估已有多名作者發(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測模型。預測模型與剪切試驗的相對偏差在10%左右，符合工程數(shù)據(jù)的相對偏差要求。趙維 青[5]提出的水下防噴器組剪切閘板剪切能力評估方法，得到的計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價方法，能夠滿足評價測試精度要求。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算，剪切?127 mm E級、29 kg·m-1鉆桿實際剪切操作壓力與計算剪切操作壓力誤差為-7.8%，剪切?127 mm G級、29 kg·m-1鉆桿實際剪切操作壓力與計算剪切操作壓力誤差為21.5%。 韓傳軍[8]等認為傳統(tǒng)的解析方法很難對剪切機理進行定量分析和研究，數(shù)值模擬技術(shù)ABAQUS更加有效。 筆者認為，上述作者均是從某個角度進行衡量，而剪切能力需要綜合衡量。因為對于地面防噴器組來說，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；對于深水防噴器組，還會受水深、隔水管內(nèi)鉆井液密度等因素影響，就論文中提及的準確性與中國海油的適用性而言，趙維青的計算公式相對適用，因而建議在井控設(shè)計中按照此公式進行理論評估。此外，筆者建議在井控車間，在動員前對剪切閘板做實物試驗，做到理論評估與實際試驗相結(jié)合，確保其真正具備剪切能力。驗證后得到的數(shù)據(jù)又可以進一步修正計算公式，如此良性循環(huán)，進一步鞏固評估的有效性[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)計重點提示井內(nèi)所用鉆鋌尺寸、防噴器組距離鉆臺面的高度。尺寸不同，現(xiàn)場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：單根/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)計中需要考慮足夠長度的吊環(huán)，確保頂驅(qū)喇叭口與吊卡之間的距離大于防噴單根/立柱上部接頭長度，防止頂驅(qū)無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)+適合長度與尺寸的鉆桿 +鉆井防噴壓井接頭+合適長度的吊環(huán)。如果現(xiàn)場沒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，可以實現(xiàn)強行下鉆功能。

中國海油在自升式平臺一般不配備套管閘 板[11]，下套管期間需要配置防噴單根/立柱，搶接單根/立柱時需要考慮吊卡的更換，建議設(shè)計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)計中應(yīng)該基于以上原則對防噴單根/立柱進行針對性設(shè)計。

當現(xiàn)場具備多個防噴單根/立柱時，建議現(xiàn)場做好醒目區(qū)分，便于第一時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)長度足夠、空間足以接受特制接頭進入。

為保證現(xiàn)場的反應(yīng)迅速及時，現(xiàn)場必須組織好各種應(yīng)急演習。通過演習增強現(xiàn)場人員的安全意識，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

井控設(shè)計中應(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)計書中需要著重對剪切位置、剪切前的泄壓、上部鉆桿的固定做重點提醒[15]；對于具備氣泵超級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。剪切時井內(nèi)管柱需要在靜止狀態(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)計中提醒關(guān)注二次密封裝置應(yīng)急密封脂的儲備與操作規(guī)程[17]。

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

4 結(jié)束語

井控設(shè)計是一項系統(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致不可估量的損失。未來的井控設(shè)計，在數(shù)字化的加持下，一定能夠直達一線，同樣一線的反饋也能到達設(shè)計者，監(jiān)管者也有跡可循，這樣形成井控設(shè)計質(zhì)量的閉路循環(huán)上升，最終形成有效的、針對性極強的井控設(shè)計書，切實指導工作，讓井控工作絕無一失[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，中級工程師， 2011 年畢業(yè)于中國石油大學（北京）機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)，研究方向：油氣井井控培訓。

TE92

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1004-0935（2021）03-0416-03