剪切閘板防噴器合理應用

汪光太

中國石油勘探與生產工程監督中心（北京100083）

剪切閘板防噴器合理應用

汪光太

中國石油勘探與生產工程監督中心（北京100083）

在實際工作中剪切閘板防噴器的設計位置存在瑕疵，通過分析剪切閘板防噴器使用中的特殊性。對合理應用存在的弊端，規范、合理地應用好剪切閘板防噴器，從井控實施細則、工程設計、關井決策和指揮、關井操作程序培訓和完善井控應急預案等方面提出了改進建議。

剪切閘板防噴器；關井程序；井控設計；軟關井

1999年11月，剪切閘板防噴器在國內油田現場首次使用于吐孜1井，這有據可查的唯一一次現場操作使用是用來制服因溢流壓井過程中發生井漏而導致的鉆柱內井噴，但這次使用剪切閘板并非事前安裝，而是在井噴失控后通過先關閉下半封閘板防噴器，再將上半封閘板更換成剪切閘板來實現的。這次在鉆井現場使用剪切閘板防噴器成功制服失控的井噴，并未引起人們對陸上高風險井鉆井作業過程中安裝剪切閘板防噴器的重視[1]。

在吐孜1井中使用的是美國歇福爾(Shaffer)公司的346mm-70MPa剪切閘板，因當時國內產品仍是空白。雖在2000年年底，已由原華北石油管理局第二機械廠研發出在國產F35-70防噴器上兼容的國產第一副剪切閘板，但只有在2003年“12·23”井噴失控事件后，通過完善SY/T 5087—2005《含硫化氫油氣井安全鉆井推薦作法》等標準，修改有關鉆井、井下作業相關井控規范、規定等來強調鉆井井控裝置的配套和安裝，剪切閘板防噴器才首先在高含硫、高壓地層的區域探井的鉆井作業中安裝配套，后來又擴展至存在高壓、高含硫和高危的“三高”油氣井。最近幾年隨著新《中華人民共和國安全生產法》、新《中華人民共和國環境保護法》的宣貫和實施，各油氣田單位更加重視安全生產，堅持發展速度服從安全生產，成本效益服從安全質量，在高壓、高危井中設計安裝配套剪切閘板防噴器的情況逐漸增多。

剪切閘板防噴器雖在國內油田鉆井現場已有多年的安裝配套歷史，但剪切閘板防噴器在現場安裝后真正的操作使用則很少。正是由于現場操作使用機會少，在實際工作中對合理使用好剪切閘板防噴器仍存在一定的隱患。

1 剪切閘板防噴器使用的特殊性

剪切閘板防噴器在鉆井過程中遇內防噴工具不起作用或半封閘板防噴器失效等突發緊急情況時，能強行將井口鉆桿柱剪斷而密封井口。在現場使用時與普通半封閘板防噴器存在較大區別，這些區別主要體現在以下幾個方面。

1.1 使用目的不同

普通半封閘板防噴器主要用來在發生溢流、井涌、井噴時關閉密封井口；而剪切閘板防噴器要承擔高風險井在普通半封閘板防噴器失效等突發緊急情況下的剪切和密封雙重功能。

1.2 使用熟練程度不同

鉆井作業班組每月需按不同工況進行防噴演練，在防噴演練過程中除空井狀態外需操作、啟動半封閘板防噴器，對半封閘板防噴器的操作使用比較熟練；而剪切閘板防噴器在現場安裝后禁止演練時啟動使用，有些井隊干部和作業班組人員甚至都不了解整個啟動操作程序，以為與操作啟動半封閘板防噴器一樣。

1.3 關井決策指揮程序不同

不管是防噴演練，還是溢流、井涌、井噴時應急關井，對于使用半封閘板防噴器或全封閘板防噴器等常規關井操作，都是由司鉆統一決策指揮，防止誤操作；而需啟動操作剪切閘板防噴器時，經申報批準后，應由值班隊長統一決策指揮。

1.4 關井前考慮因素有差異

常規關井操作關井前主要考慮的是根據不同工況情況按規定要求實施軟關井或硬關井，盡量縮短關井時間，減少溢流量；而啟動操作剪切閘板防噴器前，應優先采用軟關井方法，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備造成二次事故。

1.5 關井前配套工作不同

同批次的剪切閘板要在井控車間進行剪切鉆桿抽樣試驗，剪斷鉆桿后再按額定工作壓力進行密封試壓，剪切閘板的刀刃無損傷和密封試壓合格后才可使用該批次剪切閘板，試驗過的剪切閘板不再在現場安裝使用。

安裝剪切閘板防噴器的井,應配備相應鉆桿尺寸的死卡，關井操作剪切閘板前應在轉盤面以上適當的鉆桿位置上安裝相應的鉆桿死卡，用鋼絲繩與鉆機連接固定牢固。同時確保鉆桿接頭、鉆鋌等鉆具加厚部分不在剪切閘板防噴器剪切位置。

常規關井操作講究各司其職、協同工作，且優先選用在司控臺操作。而剪切閘板防噴器關井禁用司控臺，除隊長指揮遠程控制臺操作人員外，其余人員全部撤至安全位置，同時按應急預案要求組織布置警戒、人員疏散、放噴點火及其之后的應急處理工作。

1.6 關井管匯壓力不同

待用狀態下通常將防噴器遠程控制臺管匯壓力調至10.5MPa，常規關井操作時就是用10.5MPa的壓力油控制半封閘板防噴器，只有當半封閘板嚴重砂阻用10.5MPa的壓力油不能推動半封閘板關井時，才打開旁通閥使儲能器里的高壓油進入管匯，利用高壓油推動半封閘板關井，實現關井密封。

而啟動操作剪切閘板時，一般井口會帶壓，剪切閘板的推力需要克服井壓、摩阻、剪切鉆桿時的剪切應力等綜合作用。

在關井動作過程中，剪切閘板前部有井口壓力所形成的阻力。設井口壓力為P井，MPa；活塞桿截面積為S，m2；活塞截面積為A，m2；關井油腔液壓油的壓力為P油，MPa（圖1）。如果不考慮剪切閘板關井動作過程中的各種摩擦損耗，忽略鎖緊軸的影響，那么只要油缸活塞上所受液壓油的作用力P油A超過P井S，活塞就可以將剪切閘板往井眼中心推動。即在考慮井口帶壓情況下，關井壓力油所需最低油壓P油應滿足：

令R=A/S，則

式中：R為關閉壓力比；A與S均為剪切閘板防噴器的結構參數，對于具體的剪切閘板防噴器，其A與S為定值，因此關閉壓力比固定不變。假設某型號剪切閘板防噴器的關閉壓力比為7，在井口壓力為35MPa情況下，僅僅克服井壓推動剪切閘板的壓力油所需最低油壓P油應滿足：P油≥5MPa。

圖1 關井過程中井壓的影響

不考慮井口壓力情況下，靜態剪切鉆桿時的剪切應力除與鉆桿材料性能有關外，還受鉆柱長度、鉆桿外徑、剪切閘板刀面傾角和刃口倒角等刀刃形狀和結構參數等因素影響。例如，文獻[2]以FZ28-21型防噴器進行剪切閘板試驗，剪切Ф127mm、29.0kg/m的E級、G級鉆桿時，通過逐漸降低操作壓力，測出剪切所需的最低操作壓力分別為11.5MPa和13.0MPa。文獻[3]采用FZ35-70防噴器ISR型剪切閘板剪切Ф101.6mm（4″）的S135鉆桿，兩次加壓，第一次加壓10.5MPa鉆桿未剪斷，第二次加壓14MPa成功剪斷Ф101.6 mm的S135鉆桿。而采用FZ28-105防噴器SBR型—體式剪切閘板剪切Ф101.6mm的S135鉆桿，兩次加壓，第一次加壓10.5MPa鉆桿未剪斷，第二次加壓16MPa成功剪斷Ф101.6mm的S135鉆桿。

因井口壓力、剪切閘板關閉壓力比、刀刃形狀和結構參數、鉆桿材料不同，剪切壓力難以精確理論計算，只能通過實測，所以在啟動剪切閘板防噴器關井操作時，需打開遠程控制臺儲能器旁通閥，采用21MPa的遠程控制臺管匯壓力來關閉剪切閘板防噴器。即使帶增壓器的剪切閘板防噴器，也宜這樣，以提高一次剪切成功率。

1.7 關井操作程序不同

常規關井操作是根據轉盤鉆井或頂驅鉆井的不同工況，采用“四·七”動作關井操作程序[4]。而使用剪切閘板防噴器剪斷井內鉆桿時應遵從GB/T 31033—2014《石油天然氣鉆井井控技術規范》要求[5]。按以下程序操作:①確保鉆桿接頭不在剪切閘板防噴器剪切位置后，鎖定鉆機剎車系統；②關閉剪切閘板防噴器上面的環形防噴器；③打開放噴管線閘閥泄壓；④在轉盤面上的鉆桿上適當位置處安裝相應的鉆具死卡，并與鉆機底座連接固定；⑤打開剪切閘板防噴器上面和下面的半封閘板防噴器；⑥打開遠程控制臺儲能器旁通閥，關閉剪切閘板防噴器，直到剪斷井內鉆桿；⑦關閉全封閘板防噴器，控制井口；⑧手動鎖緊全封閘板防噴器和剪切閘板防噴器；⑨關閉遠程控制臺儲能器旁通閥，將防噴器遠程控制臺管匯壓力調整至常規值。

2 與合理應用不匹配的根源和表現

要能在關鍵時刻使用好剪切閘板防噴器，有效發揮其剪切功能和防止次生事故，利于后續作業，對井口防噴器的有序配套和設計合理安裝位置至關重要。

2.1 設計依據存在漏洞

在井控設計中井口防噴器組的選擇依據都是油田井控實施細則，雖都能根據地層壓力情況明確防噴器組合形式，根據井別、地層壓力、井口周圍危險程度、硫化氫含量大小等情況實行分級管理，確定是否配備剪切閘板防噴器，但有些井控實施細則中未明確剪切閘板防噴器的具體安裝位置，如圖2所示在需選用剪切閘板防噴器時給工程設計帶來隱患。

2.2 剪切閘板防噴器的設計位置存在瑕疵

當井控實施細則中未明確剪切閘板防噴器的具體安裝位置時，實際工作中發現存在將剪切閘板防噴器設計安裝于四通之下情況（圖3）。這樣當啟動操作剪切閘板防噴器關井時，只能實施硬關井，增加了剪切鉆桿所需的關井油壓，降低剪切成功率，井口高壓流體沖刺閘板，影響剪后的密封；因剪切閘板防噴器安于四通之下，使其低于地面而置于圓井中，不但維護保養不便，如采用手動鎖緊，安裝和操作手動鎖緊裝置都不方便；關井后，無法確定井口壓力數值，給關后壓井和及時泄壓都帶來不利。所以將剪切閘板防噴器設計安裝于這個位置，存在諸多弊端，影響剪切閘板防噴器的合理操作和使用。

圖2 剪切閘板防噴器安裝位置不明確

圖3 硬關剪切閘板防噴器

3 規范剪切閘板防噴器合理應用的對策

合理應用好剪切閘板防噴器是多方參與、涉及多環節的系統工程，必須從系統觀點出發，堅持以標準為指導，以規范、細則為準繩，按井控設計、應急預案的要求強化監督管理，把控好合理應用剪切閘板防噴器的本質安全操作關。

3.1 細化井控實施細則

為避免井口防噴器組中剪切閘板防噴器安裝位置的隨意性，應細化井口防噴器組合，根據油田實際和剪切閘板防噴器的特殊操作要求，明確規定好剪切閘板防噴器的具體安裝位置，避免井控設計時不合理的應用帶來安全隱患。如圖4所示是一種剪切閘板防噴典型的合理安裝位置。

3.2 優化井控工程設計

井控設計是鉆井工程設計的重要組成部分。井控設計應遵從GB/T 31033—2014《石油天然氣鉆井井控技術規范》標準，按照鉆井井控規范、井控實施細則要求和剪切閘板防噴器的特殊操作規程，以軟關井為手段，以能提高啟動剪切閘板防噴器時的剪切成功率和密封性能為首要目標，優化剪切閘板防噴器在井口防噴器組中的最佳位置，同時對相應鉆桿尺寸的死卡提出配套要求。

圖4 剪切閘板防噴器典型安裝位置

3.3 明確決策和指揮程序

因啟動操作剪切閘板防噴器后，被剪后的上部鉆具在井口壓力作用下存在上竄危險，在做好相關防護和啟動相應預案程序同時，應確保值班隊長行使現場決策指揮權的統一性。

3.4 注重關井操作程序培訓

在現場檢查和調研中發現有些井隊干部和作業班組關鍵崗位人員對啟動操作剪切閘板防噴器程序不了解，以為與操作啟動半封閘板防噴器一樣按“四·七”動作來實施關井操作程序。應積極宣貫GB/T 31033—2014《石油天然氣鉆井井控技術規范》標準，按剪切閘板防噴器在井口防噴器組中具體位置，制定相應的關井操作程序并定期培訓。

3.5 完善應急預案

對安裝有剪切閘板防噴器的井，應強化現場過程監督，通過制定完整的剪切閘板防噴器關井操作、決策指揮、配套處置程序，來完善井控應急預案。

[1]張耀明.剪切閘板在井噴失控搶險中的成功運用[J].鉆采工藝,2001,24(1)：66-71.

[2]楊永寧,趙榮軍,孟憲寧,等,液壓防噴器剪切閘板的設計[J].石油礦場機械,2002,31(5)：31-33.

[3]黃顯萍.剪切閘板防噴器工作機理分析及結構改進[D].成都：西南石油大學,2014.

[4]中國石油化工集團公司井控培訓教材編寫組.鉆井井控設備[M].北京：中國石油大學出版社,2008.

[5]全國石油天然氣標準化技術委員會.石油天然氣鉆井井控技術規范:GB/T 31033—2014[S].北京:中國標準出版社, 2015.

Based on the analysis of the particularity of the use of the ram blowout preventer,it is pointed out that in practice,some draw?backs in the position design of the ram blowout preventer will influence the reasonable use of it.In order to normatively and reasonably use the shearing ram-type blowout preventer,some improvement suggestions are put forward from well control implementation rules,en?gineering design,shut-in decision-making and command,training of shut-in operation procedure and the improvement of well control emergency plan.

shearing ram-type blowout preventer;shut-in procedure；well control design;soft shut-in

王梅

2017-04-07

汪光太（1966-），男，高級工程師，主要從事水平井技術研究、工程技術服務和監督技術管理工作。