關(guān)鍵詞：超高溫高壓鉆井，防噴器，井口裝置，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對標(biāo)分析

0引言

隨著全球能源需求的不斷增長，油氣資源的勘探與開發(fā)逐漸向超深水、超深層、超高溫和超高壓等特殊環(huán)境和復(fù)雜地質(zhì)條件拓展，為油氣鉆探業(yè)務(wù)帶來了諸多困難和挑戰(zhàn)。特別是在地層溫度超過175℃和地層壓力超過105MPa的極端地層作業(yè)條件下，鉆井系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，尤其是鉆井防噴器及其控制系統(tǒng)和井口裝置，要求必須能夠承受極端工作環(huán)境下的溫度和壓力，以確保鉆井作業(yè)的安全[1]。鉆井防噴器（BOP）是控制井口壓力，防止井噴事故的關(guān)鍵設(shè)備，而井口裝置則負(fù)責(zé)密封油氣井口，控制油氣從地層流向地面的通道。這2類設(shè)備的可靠性直接關(guān)系到鉆井作業(yè)的安全性和環(huán)境保護(hù)。因此，制定和執(zhí)行嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)成為保障這些設(shè)備能夠適應(yīng)超高溫高壓條件的基礎(chǔ)。然而，國產(chǎn)鉆井設(shè)備在超高溫高壓井鉆探方面存在技術(shù)瓶頸，亟須通過技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定與完善，推動(dòng)設(shè)備技術(shù)進(jìn)步，保障資源開發(fā)的安全性與效率。

隨著技術(shù)的進(jìn)步和作業(yè)環(huán)境更加復(fù)雜，現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)必須不斷更新和完善，以適應(yīng)新的挑戰(zhàn)。在廣泛調(diào)研超高溫高壓關(guān)鍵設(shè)備國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對國際上廣泛應(yīng)用的API標(biāo)準(zhǔn)以及中國的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)的對標(biāo)分析，旨在評(píng)估和提出我國在超高溫高壓鉆井設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面的發(fā)展方向，以期為我國超高溫高壓設(shè)備的自主研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1超高溫高壓鉆井關(guān)鍵設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

1.1鉆井防噴器及控制系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

鉆井防噴器及控制系統(tǒng)是石油天然氣鉆井作業(yè)中用于控制井口壓力、防止井噴事故發(fā)生、保護(hù)人員和設(shè)備安全及作業(yè)環(huán)境安全的關(guān)鍵設(shè)備。鉆井防噴器一般分為閘板防噴器和環(huán)形防噴器。閘板防噴器由殼體、側(cè)門、閘板總成、液缸總成、鎖緊機(jī)構(gòu)總成組成，可配備全封、半封、變徑和剪切4種不同類型的閘板（見圖1）。環(huán)形防噴器一般由殼體、頂蓋、膠芯、活塞、支持圈等零部件組成（見圖2）。防噴器控制系統(tǒng)主要由控制液箱、泵系統(tǒng)、儲(chǔ)能器系統(tǒng)、控制管匯和信號(hào)系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成（見圖3）。泵系統(tǒng)將控制液加壓后存儲(chǔ)在儲(chǔ)能器系統(tǒng)中，控制管匯將高壓控制液調(diào)壓后通過換向閥，控制防噴器的開關(guān)。信號(hào)系統(tǒng)通過各種傳感器可以實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，并通過遙控面板實(shí)現(xiàn)防噴器開關(guān)的遙控操作。

近年來，我國井控裝備的技術(shù)水平取得了長足的發(fā)展，其可靠性得到了大幅度提高，我國已成為除美國外的第二大陸地井控裝備生產(chǎn)國；但美國石油井控裝備的發(fā)展速度、技術(shù)水平始終處于全球領(lǐng)先地位，其中標(biāo)準(zhǔn)的適用性和先進(jìn)性起到了非常重要的作用。在防噴器和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造、修理和使用方面，美國石油協(xié)會(huì)（API）制定了大量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。其制定的標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)了全球鉆井裝備和鉆井作業(yè)方面最新的成果，是石油勘探一百多年來經(jīng)驗(yàn)的積淀和升華。其標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)、全面、規(guī)范、嚴(yán)謹(jǐn)、獨(dú)立，得到了世界主要產(chǎn)油區(qū)的認(rèn)可，成了石油行業(yè)事實(shí)上的通用標(biāo)準(zhǔn)。隨著石油井控裝備的日益發(fā)展和現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境的不斷變化，自2015年以來，API很多井控裝備制造標(biāo)準(zhǔn)均進(jìn)行了換版更新，如APISpec16A-2017、APISpec16D-2018、APISpec6A-2019、APISTD16AR-2017、APISTD53-2018、API17TR8-2022[2-7]等。這些標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)計(jì)方法、關(guān)鍵零部件的制造和試驗(yàn)等方面都進(jìn)行了更新。

近年來，我國井控裝備制造商、檢測單位和用戶借鑒國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合我國實(shí)際情況，制修訂完成了井控裝備相關(guān)的各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，主要標(biāo)準(zhǔn)如表1所列。

為了應(yīng)對不斷升級(jí)的井控要求，防噴器控制系統(tǒng)的相關(guān)制造和使用的國際標(biāo)準(zhǔn)也在不斷升級(jí)。相對而言，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)一是滯后，二是標(biāo)準(zhǔn)低于國際標(biāo)準(zhǔn)。因此，在應(yīng)對海洋鉆井這種高風(fēng)險(xiǎn)特殊環(huán)境鉆井作業(yè)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性相對不足，需要制定相關(guān)的補(bǔ)充規(guī)定或團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，以提高海洋鉆井的井控安全水平。

1.2井口裝置技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

井口套管頭是石油鉆采設(shè)備中不可或缺的裝備，主要包括套管頭四通、套管懸掛器、壓帽、頂絲、閘閥、壓力表和托架，結(jié)構(gòu)如圖4所示。其主要作用是用來安裝固定鉆井防噴器，懸掛除表層套管以外的各層套管，密封套管柱之間形成的壓力環(huán)空等。若在套管頭上安裝防噴器，則組成鉆井井口裝置，若在套管頭上安裝油管頭和采油（氣）樹，則組成采油（氣）井口裝置；根據(jù)油（氣）井的深度和井口壓力的高低可配置單層或多層套管頭裝置。套管頭的結(jié)構(gòu)特征應(yīng)能保證：可靠地密封和控制套管環(huán)空的壓力；快速而又可靠地連接套管柱；通用性好，可以將各種組合的套管柱連接在一個(gè)套管頭上；防止鉆具對地表附近的套管迅速磨損；當(dāng)井下溫度高時(shí)，允許套管柱有垂直移動(dòng)的可能性等。

隨著油氣勘探技術(shù)的不斷深入和發(fā)展，井口裝置將面臨超高溫、超高壓及高含硫（“三高”）的挑戰(zhàn)，壓力等級(jí)已由常規(guī)的35MPa提高到140MPa，甚至175MPa，溫度高達(dá)180℃甚至更高。這些極端工況對金屬材料、加工工藝、檢測以及試驗(yàn)設(shè)施提出了更高的要求。因此需針對已有國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梳理分析，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場工況要求、產(chǎn)品需求及標(biāo)準(zhǔn)制定的同步。井口裝置在鉆井作業(yè)過程中的重要性是顯而易見的。經(jīng)過長期的發(fā)展，井口裝置相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相對都已比較完善，可滿足常規(guī)油氣勘探開發(fā)工況的設(shè)計(jì)開發(fā)、加工制造、檢驗(yàn)檢測以及試驗(yàn)等要求，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)見表2所列。

2超高溫高壓鉆井關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對標(biāo)分析

2.1鉆井防噴器及控制系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對標(biāo)分析

對于防噴器及控制系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的對標(biāo)分析從以下幾個(gè)方面進(jìn)行展開。

（1）設(shè)計(jì)和制造方面

首先，GB/T20174—2019[8]修改采用了國際上廣泛認(rèn)可的防噴器設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)APISpec16A—2019[2]。GB/T20174—2019除了按照國家標(biāo)準(zhǔn)編制規(guī)則進(jìn)行修訂外，在范圍中還增加了集環(huán)形防噴器、閘板防噴器和四通于一體的一體式防噴器，并在規(guī)范性應(yīng)用文件中對部分ASTM、NACE、API等引用標(biāo)準(zhǔn)均改為國標(biāo)。在設(shè)備額定工作壓力方面，GB/T20174—2019相較于APISpec16A—2019缺少了對206.8MPa超高壓力井的覆蓋，這限制了其在超高壓井控場景下的應(yīng)用；同時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)沒有對產(chǎn)品性能等級(jí)進(jìn)行劃分，所有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)確認(rèn)試驗(yàn)均采用了APISpec16A—2019中PR2的規(guī)定，部分條款甚至高于API規(guī)范的要求。在產(chǎn)品出廠驗(yàn)收方面，GB/T20174對氣密封試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)的要求，為氣密封試驗(yàn)提供了依據(jù)，具有實(shí)用性和先進(jìn)性。國內(nèi)暫無針對超高溫高壓設(shè)備的設(shè)計(jì)指導(dǎo)文件或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建議參照API17TR8—2018[7]編制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件，提高我國高溫高壓防噴器的設(shè)計(jì)技術(shù)水平。

其次，在防噴器的端部連接設(shè)計(jì)方面，與APISpec6A—2019[4]相比，GB/T22513—2023[9]在額定工作壓力的規(guī)定上更為靈活，允許使用者和制造商協(xié)商確定其他額定工作壓力，這為適應(yīng)多變的作業(yè)需求提供了便利，但二者均沒有大通徑、超高壓的法蘭規(guī)格，建議完善現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)以外的大通徑、超高壓法蘭規(guī)格或編制非常規(guī)超高壓法蘭專門標(biāo)準(zhǔn)（或推薦標(biāo)準(zhǔn)），為井控設(shè)備發(fā)展提供支持。

（2）安裝和測試方面

國內(nèi)行標(biāo)SY/T6868—2016[12]修訂采用了APISTD53—2012版，但更新嚴(yán)重滯后，其引用的部分標(biāo)準(zhǔn)目前已作廢，并且其標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容已不滿足現(xiàn)場使用的要求，亟須進(jìn)行修訂。

（3）設(shè)備修理和再制造方面

SY/T6160—2019[11]是根據(jù)我國國情制定的“防噴器檢查、修理和再制造”標(biāo)準(zhǔn)。該報(bào)批稿中雖然引入了APISTD16AR—2017[26]中一些內(nèi)容，但2項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)容上區(qū)別較大，行標(biāo)更符合我國防噴器檢維修的實(shí)際情況。為了更好地保證零件的可追溯性，規(guī)范防噴器的修理和再制造，建議SY/T6160—2019加入修理和再制造服務(wù)等級(jí)。

（4）控制系統(tǒng)的軟件方面

APISpec16D—2018[3]對軟件系統(tǒng)的測試及失效模式分析有著詳盡的規(guī)定，而SY/T5053.2—2020[13]則因國內(nèi)開發(fā)水平的實(shí)際情況，簡化了相關(guān)要求。這種調(diào)整雖然降低了開發(fā)難度，但也可能導(dǎo)致控制系統(tǒng)的安全性和可靠性有所降低。

（5）設(shè)備再認(rèn)證方面

DNVRPE102—2012[27]、沙特阿美井控手冊—2020[28]和科威特石油公司的規(guī)定[29]均強(qiáng)調(diào)了定期再認(rèn)證的重要性，這反映了國際社會(huì)對于保持設(shè)備性能和安全性的共識(shí)。然而，國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)沒有對防噴器控制系統(tǒng)的再認(rèn)證有明確的規(guī)定，更多的是通過使用過程中日常維護(hù)和檢修來保障防噴器控制系統(tǒng)的使用性能。這種方式使井控系統(tǒng)的安全更多地依賴使用單位的維護(hù)保養(yǎng)水平和規(guī)定執(zhí)行能力，缺乏有效的監(jiān)督，使國內(nèi)防噴器控制系統(tǒng)的性能水平和完好率得不到充分保障，安全水平低于國際同行業(yè)水平。

通過對鉆井防噴器及控制系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的對標(biāo)分析，可以清晰地看到國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)在覆蓋范圍、技術(shù)要求以及操作規(guī)范等方面的差異。這些差異不僅影響著設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和使用，也對鉆井作業(yè)的安全性和效率產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。因此，深入理解和掌握這些標(biāo)準(zhǔn)，對于提升國內(nèi)鉆井行業(yè)的技術(shù)水平和國際競爭力具有重要意義。

2.2井口裝置技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對標(biāo)分析

由于國內(nèi)石油天然氣行業(yè)起步相較于國外較晚，早期產(chǎn)品多以國外產(chǎn)品的仿制為主，從而導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)的制定工作起步也較晚，多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)在早期基本是直接采用API標(biāo)準(zhǔn)而形成的。其中GB/T22513在早期完全采用APISpec6A，其規(guī)定了井口裝置和采油樹的性能、尺寸和功能互換性、設(shè)計(jì)、材料、試驗(yàn)、檢驗(yàn)等要求。隨著國內(nèi)油氣勘探技術(shù)的發(fā)展和特殊工況需求的增加，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)逐漸進(jìn)行了本土化的改進(jìn)，以適應(yīng)國內(nèi)超高溫高壓工況、壓裂工況等特殊需求。具體從以下幾個(gè)方面展開分析。

（1）設(shè)計(jì)方面

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)更注重適應(yīng)國內(nèi)油氣勘探的具體條件，如超深層、高壓、高溫等，進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)計(jì)算和設(shè)備選型。在材料應(yīng)用方面，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)國內(nèi)油氣田的實(shí)際化學(xué)成分和環(huán)境條件，進(jìn)行了差異化的材料選擇和應(yīng)用，以滿足更為復(fù)雜的油氣井環(huán)境。例如在考慮超高溫對于金屬材料的性能影響方面，對于壓力超過138MPa（20000psi），溫度超過180℃的工況，目前標(biāo)準(zhǔn)已無法滿足要求，需要根據(jù)現(xiàn)場工程需求進(jìn)行相關(guān)的研究，如最新版的GB/T22513標(biāo)準(zhǔn)就結(jié)合國內(nèi)對于51/8\"-20000psi規(guī)格法蘭的需求開展，制定了法蘭的具體設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)及各項(xiàng)功能測試以驗(yàn)證其性能，形成了標(biāo)準(zhǔn)的51/8\"-20000psi法蘭。

（2）質(zhì)量控制和試驗(yàn)方面

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)也分別進(jìn)行了細(xì)化，增加了一些特定的質(zhì)量控制要求和試驗(yàn)方法，以確保井口裝置的可靠性和安全性。

（3）維修和再制造方面

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)如SY/T7496—2020[24]對井口裝置和采油樹的修理和再制造過程進(jìn)行了規(guī)范，提供了更詳細(xì)的指導(dǎo)，這在實(shí)際的維修和再制造工作中發(fā)揮了重要作用，延長了設(shè)備的使用壽命，降低了運(yùn)營成本。

總體來看，國內(nèi)井口裝置技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在借鑒國際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，更加注重適應(yīng)國內(nèi)油氣勘探的特殊需求，隨著國內(nèi)油氣勘探開發(fā)的深度不斷提高，高壓、高溫、高含硫（三高）油氣井越來越多，對于井口裝置的功能要求也越來越高，國外的油氣勘探開發(fā)對比國內(nèi)工況要求低很多，導(dǎo)致缺乏現(xiàn)場需求的推動(dòng)，在超高溫高壓工況下標(biāo)準(zhǔn)的制定并沒有國內(nèi)急迫，因此未來將會(huì)有越來越多的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制修訂以滿足超深層油氣開發(fā)的需求。

3未來挑戰(zhàn)與發(fā)展方向

3.1主要挑戰(zhàn)

在超高溫高壓鉆井關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定與應(yīng)用中，面臨著幾個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：

（1）技術(shù)迭代速度。隨著鉆井技術(shù)的快速進(jìn)步，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)需要不斷更新以適應(yīng)新技術(shù)和設(shè)備。如何平衡標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性與技術(shù)創(chuàng)新的需求是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)。

（2）國際與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的融合。雖然中國標(biāo)準(zhǔn)在國內(nèi)應(yīng)用廣泛，但在國際市場上，API等國際標(biāo)準(zhǔn)更為通行。如何促進(jìn)中國標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)的對接與互認(rèn)是提升中國鉆井設(shè)備國際競爭力的關(guān)鍵。

（3）極端工況的應(yīng)用問題。在超高溫高壓環(huán)境下，鉆井設(shè)備的可靠性和安全性測試更為復(fù)雜。如何設(shè)計(jì)出既能承受極端條件又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的設(shè)備和系統(tǒng)是技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的重點(diǎn)。

3.2發(fā)展方向

針對上述挑戰(zhàn)，未來超高溫高壓鉆井關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展方向可包括：

（1）加強(qiáng)國際合作：通過與國際標(biāo)準(zhǔn)組織的合作，參與國際標(biāo)準(zhǔn)的制定和修訂，提高中國標(biāo)準(zhǔn)的國際影響力和認(rèn)可度。同時(shí)，通過國際合作項(xiàng)目驗(yàn)證中國標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際效果和適應(yīng)性。

（2）促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新：鼓勵(lì)國內(nèi)外企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)合作研發(fā)新技術(shù)，特別是針對超高溫高壓鉆井條件的新材料、新設(shè)備和新工藝，并將這些創(chuàng)新成果及時(shí)納入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）提升標(biāo)準(zhǔn)的靈活性和適應(yīng)性：發(fā)展更為靈活的標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)制，能夠快速響應(yīng)技術(shù)發(fā)展和市場需求的變化。制定模塊化或分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)體系，允許在滿足基本安全和性能要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境和技術(shù)水平進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4結(jié)語

本文通過詳細(xì)地對標(biāo)分析和案例研究，展示了國際和中國在超高溫高壓鉆井關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)。雖然API等國際標(biāo)準(zhǔn)在全球范圍內(nèi)有廣泛的應(yīng)用和高度的認(rèn)可，但是中國標(biāo)準(zhǔn)也顯示出了強(qiáng)大的本土適應(yīng)性和成本效益。未來，通過進(jìn)一步的國際合作和技術(shù)創(chuàng)新，中國有潛力在全球油氣鉆井設(shè)備市場中占據(jù)更重要的位置。

同時(shí)，對于中國標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)和企業(yè)而言，更加深入地參與國際標(biāo)準(zhǔn)的制定、實(shí)施及評(píng)估，不僅可以提升自身技術(shù)水平和市場競爭力，還可以為全球能源安全和環(huán)境保護(hù)作出更大貢獻(xiàn)。