鉆井井控設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

鉆井井控設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

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

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

井控設計；剪切能力；防噴單根/立柱；應急操作

為保障國家能源安全，近年來中國海油持續加大勘探開發力度，鉆完井作業量逐年增加。隨著工作量大幅增加，深水、深層、新區、新領域的鉆探增多，“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。中國海油將井控工作當作“天字號”工程，持續強化管理。井控設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重要的作用。本文著重探討目前井控設計中容易忽視的三項內容，并給出對應建議。

1 井控設計現狀

目前中海石油（中國）有限公司的井控設計內容主要包括9個方面：井的基本情況、井控裝置設計、特殊材料儲備設計、最大允許關井套壓分析、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個方面囊括了作業前準備、作業中注意事項以及發生事故時的應急措施，是一套結構相對完整的井完整性評價與控制方法。

2 井控設計中不容忽視的三個問題

井控設計中的內容相對完整，但是在關井關鍵點方面，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鉆具實現封井，是至關重要的一道屏障。對于地面防噴器組，若剪切閘板設計剪切能力不足，將導致作業管柱不能及時脫離、封井失敗等惡性后果，深水作業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，剪切閘板未曾實現應有的剪切功能，從而導致事故惡化，進而失控。在2020年的國內某起井噴事件中，亦是由于剪切閘板未能剪切導致后續長時間的救援工作，造成巨大損失與惡劣影響。這些事件發生的原因均與剪切閘板的剪切能力相關，可能是剪切能力不匹配、剪切操作不當或者剪切環境特殊，剪切功能受限等原因，另一不可忽視的現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生變化，不在原有的剪切閘板的可剪切說明范圍內，需要重新評估。因此，井控設計中應予以全面考慮并給出恰當的預防和應急措施。

2.2 防噴單根或防噴立柱缺少詳細設計

防噴單根與防噴立柱是有效的內防噴工具，能夠有效制止鉆柱內的井噴且利于防噴器關閉環空。現有井控設計中推薦的關井方式來自標準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作業。

現場巡檢時，筆者發現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，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，筆者認為需要在設計之初就給出推薦的做法。

2.3 應急操作缺失原則性指導

現有的井控設計中給出了鉆進、起下鉆、起下鉆鋌、下套管、空井、測井工況下的軟硬關井方式，這些都是常規的關井方式，實際作業中，肯定會有超出以上境況的關井工況，例如常規剪切、超級剪切、關套管環形調壓等這些特殊情況，在井控設計中均缺少前瞻性的提醒與針對性的指導。

另外，中國海油推薦的關井程序均為硬關井程序，但是當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[3]。因此，任何應急操作均有前提條件，井控設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表了看法。王旭東[4]等綜合考慮剪切閘板結構參數、鉆桿材料參數及剪切工況參數，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，符合工程數據的相對偏差要求。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據誤差在3%以內。王鵬程[6]等基于機器視覺技術和圖像處理技術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]等研究了一定結構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]等認為傳統的解析方法很難對剪切機理進行定量分析和研究，數值模擬技術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、剪切液壓壓力、井內壓力、管柱內壓力、管柱尺寸、管柱材質、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合，確保其真正具備剪切能力。驗證后得到的數據又可以進一步修正計算公式，如此良性循環，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，建議井控設計重點提示井內所用鉆鋌尺寸、防噴器組距離鉆臺面的高度。尺寸不同，現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中，能使鉆具內防噴器具有泄壓、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,關閉球閥，繼續下鉆至壓井井深；壓井功能：使用加重鉆井液循環重建井筒壓力平衡。配套工具為：帶鉆桿母扣的提升短節，這樣可以省去拆提升短節這一步驟，單根/立柱直接接到提升短節上；另外設計中需要考慮足夠長度的吊環，確保頂驅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，防止頂驅無法居中提起防噴單根。

鉆井起下鉆鋌期間理想的內防噴配置為：帶鉆桿接頭的提升短節+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。如果現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，建議設計變扣接頭避免更換吊卡。

鉆井下套管期間理想的內防噴配置為：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），井控設計中應該基于以上原則對防噴單根/立柱進行針對性設計。

當現場具備多個防噴單根/立柱時，建議現場做好醒目區分，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長度足夠、空間足以接受特制接頭進入。

為保證現場的反應迅速及時，現場必須組織好各種應急演習。通過演習增強現場人員的安全意識，避免井噴[13]。

3.3 給出應急情況下的操作建議或注意事項

井控設計中應該根據所用的防噴器控制系統，列出常規剪切作業程序，例如遵從《石油天然氣鉆井井控技術規范》（GB/T 31033—2014）要求或者廠商要求[14]。井控設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，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。剪切時井內管柱需要在靜止狀態，否則剪切成功率將大大降低[16]。根據防噴器組的配置，建議井控設計中提醒關注二次密封裝置應急密封脂的儲備與操作規程[17]。

下套管時出現溢流需要關閉環形防噴器[18]，井控設計書中需要根據套管抗外擠強度提前計算環形的關閉液壓壓力，避免擠扁套管。

4 結束語

井控設計是一項系統工程，涉及作業中的方方面面[19]，任一方面的疏忽都可能導致不可估量的損失。未來的井控設計，在數字化的加持下，一定能夠直達一線，同樣一線的反饋也能到達設計者，監管者也有跡可循，這樣形成井控設計質量的閉路循環上升，最終形成有效的、針對性極強的井控設計書，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 年畢業于中國石油大學（北京）機械設計制造及自動化專業，研究方向：油氣井井控培訓。

TE92

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1004-0935（2021）03-0416-03