淺談海工裝備鉆井設(shè)備BPO

馮建新 孫宇 李丹

摘要：鉆井是一項風(fēng)險性很高的工程作業(yè)，尤其是海上鉆井，環(huán)境相對孤立。為了保證安全順利鉆井，鉆井過程中，尤其對于探井，配備性能好，操作方便靈活，可靠性高的井控裝置是十分重要的。本文主要以海上鉆井所使用的防噴器為主，對其類型、工作原理、各自特點和要求、防噴器控制系統(tǒng)，以南海東部某半潛式鉆井平臺水下防噴器為例，做了簡單的介紹和分析。對進一步了解鉆井井控設(shè)備和安全鉆井有了更深刻的認(rèn)識。

關(guān)鍵詞：鉆井;防噴器;海工鉆井裝備

隨著海洋石油勘探和開發(fā)的進程日益深入，深水鉆井漸漸成為一種主流的發(fā)展趨勢，而保證安全鉆井最關(guān)鍵的設(shè)備，便是深海防噴器組。深海防噴器也叫水下防噴器，在石油鉆井時安裝在井口套管頭上，用于控制井口壓力，是井控設(shè)備中的核心設(shè)備。是海洋石油鉆井行業(yè)水下器具的部件之一，是設(shè)置在海底用來控制和防止井噴，保證海下作業(yè)順利完成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

1.深海防噴器組國內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外對防噴器做了大量的研究工作，但是世界防噴器（BOP）的發(fā)展沒有像其它一些技術(shù)那樣發(fā)展迅速[1]。對于防噴器的研究，主要是考慮其活塞的行程和密封，對于含硫化物的油氣井，其硫化物應(yīng)力腐蝕機理研究還不是很透徹。所以，對于含H2S油氣井的環(huán)形防噴器的研究，有待加強。同時，防噴器控制系統(tǒng)的研究也是相對緩慢，新型的還處于研發(fā)中，目前廣泛使用的就是電液控制系統(tǒng)，典型的如庫美控制系統(tǒng)。目前防噴器控制系統(tǒng)主要是“開式系統(tǒng)”，既電控氣、氣控液和液控液。同時，根據(jù)API對防噴器控制系統(tǒng)的要求，其閘板防噴器關(guān)井時間不能>45s，環(huán)形防噴器不能>60s，這個對于陸地鉆井現(xiàn)在完全可以滿足，在陸地油田鉆井現(xiàn)場，環(huán)形防噴器關(guān)閉時間為30s，而閘板防噴器只需要3～8s時間。但是，對于海上鉆井，當(dāng)水深增加時，傳輸距離和控制軟管束長度也隨之增加，在海浪的沖擊下可能會斷裂，因此控制信號不能及時到達或者中途可能會出現(xiàn)故障。考慮到今后海上油田開發(fā)向深水進軍的目標(biāo)，對于浮式平臺防噴器控制系統(tǒng)的研究也應(yīng)該加強。國正式立項“3000米深海防噴器組及控制系統(tǒng)的研制”課題。2012年10月，國內(nèi)首套3000米深水防噴器組及其控制系統(tǒng)，被華北石油榮盛機械制造有限公司研制并通過國家科技部驗收。作為國家“863”計劃“南海深水油氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)與裝備”的子課題之一，該項目的成功研發(fā)，填補了我國防噴器制造方面的不足甚至空白，是我國石油鉆采作業(yè)的重大突破，具有極其深遠(yuǎn)的意義。

以目前國內(nèi)海工行業(yè)的發(fā)展水平來看，海洋工程可以以其深度劃分為海岸、淺海和深海工程。如何改善石油鉆井平臺，以便適應(yīng)深水、超深水等環(huán)境作業(yè)的安全性能要求，是未來深海防噴器設(shè)計所一直追求的目標(biāo)。目前國內(nèi)自主設(shè)計的深海防噴器，大多是在國外成熟設(shè)計的產(chǎn)品基礎(chǔ)上進行修改，一旦修改幅度過大，便會產(chǎn)生各類的問題。究其原因，缺乏創(chuàng)新，對設(shè)計理念的本質(zhì)的理解匱乏才是根本。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

美國從20世紀(jì)50年代開始研究生產(chǎn)水下防噴器，經(jīng)過三十年速度發(fā)展。90年代，Shaffer研發(fā)了以快速更換閘板為特點的NEXT 型閘板防噴器。2008年，美國JAMESI.LIVINGSTONE申請了一個井下防噴器專利，能夠與井壁形成環(huán)形空間和內(nèi)部通道的內(nèi)管。同時該防噴器還一個單向閥和球閥，分別負(fù)責(zé)關(guān)閉井下防噴器的環(huán)形通道和內(nèi)部通道。

2、深海防噴器的組成及工作原理

2.1 組成結(jié)構(gòu)

防噴器是鉆井井口裝置的主要組成部分。它是保安全、快速、優(yōu)質(zhì)鉆開高壓油、氣層的關(guān)鍵設(shè)備。海底防噴器組。具有結(jié)構(gòu)簡單，操作簡易，耐高壓耐腐蝕等特點。同時因為處在海洋環(huán)境下工作，需要耐腐蝕耐低溫，其性能必須絕對可靠。深海防噴器組通常由環(huán)形防噴器、閘板式防噴器組成，為一般防噴器的三維模型圖，由上至下分為一個環(huán)形防噴器、三個閘板防噴器和一個管道四通。深海防噴器組的性能要求隨著水下深度的增加，也變得越來越高，防噴器組的高度變化會影響下部結(jié)構(gòu)。尤其是在無導(dǎo)向繩作業(yè)的情況下，這就需要防噴器與下部結(jié)構(gòu)留下足夠的間隙。

2.2環(huán)形防噴器（ABOP）

環(huán)形防噴器按照膠芯形狀和結(jié)構(gòu)可分為錐形膠芯、球形膠芯和組合膠芯三種。環(huán)形防噴器的主要作用是為空井時，可封整個的井口;井不為空井時，可封環(huán)形空間;在封井的情況下，可向井里多下入鉆具，但是使用的鉆具必須有18°坡度的對焊鉆桿接頭。環(huán)形防噴器能夠封閉不同鉆柱的不同部位;能關(guān)閉試油抽子、電纜、空井和各種井下工具。膠芯一般都具有抗H2S應(yīng)力腐蝕的特點。環(huán)形防噴器試壓，試壓介質(zhì)清水。一般不做封零實驗，只按規(guī)定做封管子的實驗;根據(jù)海洋石油鉆井規(guī)范要求，試壓要求低壓300～500psi，穩(wěn)壓5min;高壓試壓按照額定工作壓力的70% 進行，或者按照套管最小抗內(nèi)壓強度的70% 進行，兩者取其最小值進行，穩(wěn)壓15min。先進行低壓試壓，再進行高壓試壓，其主要目的是防止鉆井液高壓壓實而密封，而低壓更容易發(fā)現(xiàn)漏失。液控油壓不能過大，最大不許>15MPa。通常液控油壓在8.5～10.5MPa范圍內(nèi);關(guān)井狀態(tài)起下鉆作業(yè)，只能通過18°。

2.3 閘板防噴器（RBOP）

閘板防噴器是最主要的井控設(shè)備。目前，海上主要使用的是HYDRIL， SHAFFER和CAMERON三家公司的閘板防噴器。閘板防噴器按照閘板的數(shù)量可以分為單閘板、雙閘板和三閘板防噴器;按照閘板形狀可以分為全封閘板防噴器、半封閘板防噴器、變徑閘板防噴器和剪切閘板防噴器。閘板防噴器安裝時不能倒置，因為閘板只能承受向上的壓力，但是也有雙面能夠承受壓力的閘板;芯軸有二次密封的作用，注入密封脂等可進行密封;閘板前部密封鉆柱的橡膠有自封的作用;有自動清砂槽，維修和保養(yǎng)很方便。閘板的密封性能很重要，直接關(guān)系到是否能夠?qū)崿F(xiàn)順利安全關(guān)井的目的。閘板防噴器地面試壓，試壓介質(zhì)為清水。低壓300～500psi，穩(wěn)壓5min，高壓要達到100%額定工作壓力，穩(wěn)壓15min。安裝好后試壓，要達到70%額定工作壓力，或要低于套管最小抗

2.4 工作原理

鉆井過程中地層流體壓力大于井液密度，液控系統(tǒng)的高壓油進入左右液缸關(guān)閉腔，推動其活塞帶動左右的閘板沿閘板室限定的軌道同時向井口中心移動。閘板防噴器的閘板有四種，包括全封式和半封式。其中全封式閘板可以封住整個井口，而當(dāng)有鉆桿存在的時候，半封式可以封住井口的環(huán)形斷面。根據(jù)閘板防噴器傳遞的信號源，系統(tǒng)性地由下至上，一層一層實現(xiàn)防噴器的封井動作。

3 結(jié)論

在國外的深水防噴器組已用于工程實踐多年的同時，我國關(guān)于在防噴器領(lǐng)域的研究卻處于一個正在起步的階段。我國防噴器組的密封件質(zhì)量不夠過硬，且用于防噴器產(chǎn)品的材料種類單一，甚至有些技術(shù)性材料需要引進。隨著對鉆油作業(yè)中的安全性能和可靠性越來越重視，國內(nèi)的深水防噴器組正在漸漸向高可靠性、智能化、高系統(tǒng)壓力、三重冗余等方向發(fā)展。

隨著深水防噴器技術(shù)的不斷研究，深海防噴器不斷向安全化、海洋化發(fā)展，同時鉆油作業(yè)的水深也不會僅僅停留在水下三千米得程度。為降低深海油井勘探開發(fā)的風(fēng)險、確保我國海洋鉆井作業(yè)的施工安全、促進深海防噴器組技術(shù)的突破與跨越，關(guān)于防噴器組及其控制系統(tǒng)的研究勢在必行。

目前，我國石油鉆井作業(yè)中的深水、超深水防噴器組的相關(guān)研究仍然遵循著其領(lǐng)域內(nèi)的基本原理，遠(yuǎn)沒有其他領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展迅速。我國防噴器行業(yè)想要增強自身的競爭，必須在核心技術(shù)的研發(fā)動向、工藝設(shè)備、技術(shù)應(yīng)用及趨勢等方面做出突破。只有了解國內(nèi)外防噴器生產(chǎn)核心技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展動向，逐步提升企業(yè)產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格、提高自身的競爭力，這樣才能逐漸領(lǐng)先于國外同行業(yè)的競爭者。

參考文獻：

[1]侯國慶.水下防噴器組節(jié)流壓井管線插接器研究現(xiàn)狀[J].石油機械，2016（06）.

[2]巴魯軍.防噴器試壓快速增壓裝置的研制及應(yīng)用[J].石油機械，2016（01）.