曹 陽 方曉慶 張俊藍(lán) 歐仕軍 唐笛瀟 唐建平 張霞玉

中國石化西南石油工程有限公司油田工程服務(wù)分公司

0 引言

四川盆地和新疆工區(qū)是中國石化西南石油工程公司重點(diǎn)勘探開發(fā)區(qū)域，海相儲層埋深介于5 000～7 000 m，地層溫度140～160 ℃，地層壓力100～160 MPa，H2S含量10%左右，屬于典型的“三高”（高含硫、高壓力、高產(chǎn)量）氣藏。隨著國家能源需求加大，三高井?dāng)?shù)量倍增，但溢流、氣侵事件也頻發(fā)，據(jù)統(tǒng)計，近年西南、西北工區(qū)累計發(fā)生溢流、氣侵事件80次，其中“三高”井27井次，井控風(fēng)險呈加劇態(tài)勢。井控裝置是防止井噴，節(jié)流壓井、處理事故的核心設(shè)備和最后一道屏障[1-5]，其可靠性、操控性、穩(wěn)定性決定了井控工作的成敗。三高井地質(zhì)條件更復(fù)雜，對鉆井工藝和井控裝置要求更高，現(xiàn)有裝置已無法完全滿足要求，近年產(chǎn)生了“防噴器剪切力不足，剪切后無法形成有效密封，節(jié)流管匯抗沖蝕能力低”等新問題。筆者通過數(shù)值模擬，井控車間剪切和鉆井現(xiàn)場模擬沖蝕實驗，采取加裝增力液缸，重新設(shè)計全封—剪切一體閘板密封型式和結(jié)構(gòu)，優(yōu)選節(jié)流閥，優(yōu)化短節(jié)端口形狀和射入角等技術(shù)和措施，提升了井控裝置在剪切力，密封性和抗沖蝕等方面能力，確保了三高氣井井控安全。

1 存在問題

1.1 防噴器剪切力不足

目前國內(nèi)外鉆井所使用的防噴器均按《石油天然氣鉆采設(shè)備 鉆通設(shè)備：GB/T 20174—2019》和《鉆通設(shè)備規(guī)范：API 16A-2018》兩個標(biāo)準(zhǔn)制造，以上兩個標(biāo)準(zhǔn)在對防噴器的剪切性能等方面的要求完全相同，GB/T 20174—2019標(biāo)準(zhǔn)中5.7.2.2.3條款對防噴器剪切能力的要求為，小于等于346 mm通徑的防噴器需剪斷?127.0 mm×9.19 mm G105鋼級鉆桿，大于346 mm通徑的防噴器需剪斷?139.7 mm×10.54 mm S135鋼級鉆桿（表1）。

表1 剪切閘板管柱實驗要求表

隨著鉆探的井越來越深，部分三高井已使用更高規(guī)格鉆桿，如西南地區(qū)GD1井所用鉆桿為?149.2 mm×12.7 mm S110，尺寸、壁厚、鋼級等各項指標(biāo)均遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，按現(xiàn)役標(biāo)準(zhǔn)制造的防噴器在額定液控壓力21 MPa下已無法剪斷此類鉆桿，國內(nèi)部分廠家也進(jìn)行了理論計算和實驗，得到了證實（表2）。

表2 SK剪切鉆桿液控壓力參數(shù)表

筆者采用2FZ35-105防噴器分別對?139.7 mm×10.54 mm G105和S135兩種鋼級鉆桿進(jìn)行了實驗，在額定液控壓力21 MPa下無法剪斷G105鋼級鉆桿（圖1），為了取得實際剪切液控壓力，故采用超額定壓力方式進(jìn)行實驗，壓力提升至23.8 MPa鉆桿才被剪斷（圖2），S135鋼級鉆桿壓力提升至27 MPa才被剪斷。

圖1 21 MPa未剪斷鉆桿液控壓力曲線及鉆桿照片

圖2 23.8 MPa剪斷鉆桿液控壓力曲線及鉆桿照片

1.2 全封—剪切閘板形成有效密封困難

目前常用全封—剪切一體閘板密封條位于上閘板底面，在剪切鉆桿后形成密封是靠上下面緊貼的方式完成[6-7]（圖3）。

圖3 常規(guī)閘板密封型式圖

剪切鉆桿過程中，鉆桿頂部不僅會形成鋒利的刀口，鉆桿碎屑也會附著在閘板體上，同時由于地層出砂、垮塌等原因也會導(dǎo)致鉆桿無法掉入井內(nèi)，鉆桿頂部和密封條基本處于一個平面，當(dāng)上下閘板關(guān)閉重疊時密封條會被劃傷導(dǎo)致失效（圖4），2020年BZ 3-1井安裝的全封—剪切一體閘板對井內(nèi)鉆桿實施剪切作業(yè)后，鉆桿未掉入井內(nèi)，關(guān)閉過程中閘板密封條被鉆桿頂部劃傷，密封失效，導(dǎo)致井噴失控。

圖4 未掉入井鉆桿頂部劃傷密封條示意圖

1.3 節(jié)流管匯抗沖蝕能力低

節(jié)流管匯是實施節(jié)流壓井工作最重要的井控設(shè)備，節(jié)流閥是節(jié)流管匯中最核心裝置[8-10]，在井噴事故發(fā)生后，需要利用其對井內(nèi)流體進(jìn)行長時間節(jié)流和壓力控制，要求有較強(qiáng)的抗沖蝕能力，但在近年發(fā)生的SN5井、GS001-X45井、SY001-H2井等井噴事故中，節(jié)流閥被沖蝕嚴(yán)重（圖5），致使部分井控工藝無法展開，導(dǎo)致事故復(fù)雜化。

圖5 刺蝕的節(jié)流管匯部件照片

2 井控裝置能力提升對策

對井控裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，提升其性能是解決上述問題最可行的途徑，通過“防噴器增力液缸助推技術(shù)”“閘板密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)”“節(jié)流閥抗沖蝕能力評價技術(shù)”等課題的實驗和研究，對井控裝置系統(tǒng)的控制能力全面提升。

2.1 防噴器增力液缸助推技術(shù)

根據(jù)實驗結(jié)果表明，要想剪斷大尺寸、高規(guī)格鉆桿，必須提高液控壓力，即增大關(guān)閉比，采用防噴器增力液缸助推力技術(shù)，可快捷、高效地增加關(guān)閉比。該技術(shù)原理就是在原有液缸基礎(chǔ)上，串聯(lián)一個液缸，以獲取更高助推力（圖6）。

圖6 防噴器加裝增力液缸示意圖

液缸的尺寸根據(jù)防噴器本體、側(cè)門、閘板軸等的強(qiáng)度[11-13]，結(jié)合剪切鉆桿型號、井內(nèi)壓力等因素進(jìn)行設(shè)計和校準(zhǔn)，原則是設(shè)備改造后功能、強(qiáng)度、安全均要滿足GB/T 20174—2019標(biāo)準(zhǔn)要求。改造后的防噴器采用17 MPa液控壓力，在套壓（井壓）70 MPa情況下，能剪斷?149.2 mm×12.7 mm S110鉆桿（圖7）。

圖7 ?149.2 mm×12.7 mm S110鉆桿被剪斷圖

2.2 全封—剪切閘板密封端優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

閘板剪切后要形成有效密封，必須保證膠條的完整性，把閘板原有的上下面緊貼接觸密封型式重新設(shè)計為前端密封型式，避免劃傷密封條，并增加20%膠條儲膠量，同時下閘板底面由平面結(jié)構(gòu)優(yōu)化為斜面結(jié)構(gòu)，可利用斜面把未掉入井的鉆桿頂部擠壓變形，使其高度降低（圖8），避免頂部卡閘板。

圖8 前端密封、斜面擠壓管柱示意圖

改進(jìn)后的全封—剪切閘板在井控車間模擬進(jìn)行了鉆桿不落井剪切—密封實驗，鉆桿被剪斷后，未掉入井頂部和閘板平齊，鉆桿頂端先被下斜面擠壓彎曲，使上下閘板順利合攏，然后下閘板前端和密封膠條接觸，形成了有效密封，試壓105 MPa，試壓合格（圖9）。

圖9 剪切后密封實驗示意圖

2.3 節(jié)流閥抗沖蝕能力評價技術(shù)

為了評價三相流體下常用節(jié)流閥的抗沖蝕性能，設(shè)計了以下沖蝕實驗方案，采取遠(yuǎn)程控制閥開啟度調(diào)整實驗壓力和流體流速，氮?dú)庾⑷雺毫β愿哂趯嶒瀴毫肀ＷC氣體有效混入形成三相流體的實驗思路，閉環(huán)模擬了不同流速、不同流體組分、不同壓力條件下的井噴對3種節(jié)流閥的沖蝕情況。

在西南石油工程有限公司承鉆的YB12井開展了相應(yīng)的動態(tài)模擬實驗，實驗設(shè)備：F-1600HL泥漿泵，2000型制氮車，JG103/105節(jié)流管匯。實驗參數(shù)：鉆井液密度1.85 g/cm3，排量22.3 L/s，氮?dú)馀帕?.2 m3/min。

實驗結(jié)果：抗沖蝕能力依次為圓柱形節(jié)流閥＞楔形節(jié)流閥＞孔板型節(jié)流閥（圖10、表3）；圓柱形閥未見蝕痕，楔形閥有輕微蝕痕，孔板型閥沖蝕嚴(yán)重，后端連接短節(jié)有較嚴(yán)重蝕痕；設(shè)備控壓范圍，楔形閥12～17 MPa；孔板閥14～23 MPa；圓柱形閥20～ 35 MPa。

圖10 節(jié)流閥芯實驗照片

表3 節(jié)流閥實驗后的對比參數(shù)表

根據(jù)實驗結(jié)果對現(xiàn)有節(jié)流管匯進(jìn)行改造，考慮到節(jié)流閥不僅要抗沖蝕，還要求其具有較寬的控壓范圍，以及良好的線性關(guān)系[14-17]，節(jié)流管匯在正常放噴作業(yè)中一般優(yōu)先開啟J1號閥操作，若開啟失效，便進(jìn)行J4號閥開啟操作，所以J1號閥、J4號閥采用圓柱形節(jié)流閥，下游配套抗沖蝕短節(jié)，根據(jù)實驗中出現(xiàn)節(jié)流后流體易形成單邊沖蝕的情況，對配套的抗沖蝕短節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，短節(jié)前端采用喇叭口形式，并優(yōu)化了抗沖蝕角度[18-20]，對流體進(jìn)行引導(dǎo)修正，減弱了流體對下游的沖蝕，同時材質(zhì)優(yōu)選高強(qiáng)度的合金材料提高了抗沖蝕能力，優(yōu)化后的管匯不僅提升了抗沖蝕性能，操控性更強(qiáng)、控制范圍更廣，滿足了三高井井控需要。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

設(shè)備改造后采用2FZ35-105防噴器進(jìn)行了剪切、密封、可靠性等實驗，使用17 MPa液控壓力，在套壓70 MPa情況下，剪斷了?149.2 mm×12.7 mm S110鉆桿，并有效密封105 MPa壓力。節(jié)流管匯成功處理了川東北M6井溢流事件，鉆井液密度2.11 g/cm3，排量介于11～12 L/s，控壓介于6～7 MPa，持續(xù)控壓節(jié)流放噴約12 h，對節(jié)流閥進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)節(jié)流閥未受任何損傷（圖11）。截至2021年共改造30余臺套井控設(shè)備，應(yīng)用在四川盆地和新疆工區(qū)的CS1井、AF1井、FG1井等30余口三高井鉆井現(xiàn)場（表4），目前設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，滿足了鉆井井控的需要，同時未發(fā)現(xiàn)改造后的次生隱患。

圖11 放噴點(diǎn)火及處理溢流后的閥芯照片

表4 CS1井配置井控裝置表

4 結(jié)論與建議

1）采用增力液缸助推技術(shù)，在套壓70 MPa情況下，用17 MPa液控壓力，可剪斷了?149.2 mm×12.7mm S110鉆桿。

2）全封—剪切一體化閘板上下密封改為前端密封，并采用斜面技術(shù)，既能對落魚修整又能確保密封可靠性，剪切后能封住105 MPa壓力。

3）基于現(xiàn)場模擬沖蝕實驗數(shù)據(jù)，管匯J1號閥、J4號閥優(yōu)選圓柱形閥，對后端短節(jié)進(jìn)行形狀和抗沖蝕角度優(yōu)化，提升了抗沖蝕能力，操控性更強(qiáng)、控制范圍更廣。

4）目前井控設(shè)備方面的標(biāo)準(zhǔn)較鉆井技術(shù)、井控工藝發(fā)展存在一定的滯后性，應(yīng)加快標(biāo)準(zhǔn)的研究和更新。