海洋石油鉆井平臺防噴器剪切增壓助推裝置（SBA）升級研究

文海

中海油田服務股份有限公司鉆井事業部（河北 三河 065201）

鉆井平臺是海上油氣勘探開發的重要設施，其中防噴器是鉆完井作業中井控最關鍵的設備之一，而剪切液壓缸及控制系統的相互匹配，決定了防噴器的剪切能力。以海洋石油936鉆井平臺配備的防噴器及控制系統為例，論證在其無法滿足帶壓剪切的工況需求下，尤其是在35 MPa 工況下無法剪切S 135 級149.225 mm（″）鉆桿，缺陷尤為突出。為提高該鉆井平臺防噴器剪切系統能力，滿足鉆完井作業安全生產要求，特別是實現帶壓剪切的特殊工況，需要對該鉆井平臺配置的剪切液缸、防噴器控制系統進行升級，單獨裝配一套剪切增壓助推裝置（簡稱SBA），以滿足提高剪切閘板防噴器的能力。本文重點從海洋石油936鉆井平臺安裝剪切增壓助推裝置的原因、選型配置及工作原理等方面進行分析總結。

1 鉆井平臺升級防噴器剪切助推裝置原因

海洋石油936 平臺配置的防噴器由喀麥隆公司生產，其公稱通徑為476.25 mm（″），型號為15K TL 雙聯閘板水上防噴器，工作壓力105 MPa，雙聯閘板型號為TL 476.25 mm（″）15K DOUBLE UNIT，并配置標準剪切閘板及液缸。

該鉆井平臺配置的防噴器控制系統由喀麥隆公司生產，型號為TC8195,儲能瓶系統工作壓力21 MPa,經減壓閥減壓為105 MPa（即管匯壓力）供操作雙聯閘板使用。同時，控制系統回路配置旁通閥，可以將減壓閥旁通，為剪切閘板提供21 MPa工作壓力，從而實現最大剪切能力。

根據喀麥隆702D公告提示，對于該鉆井平臺鉆完井作業常用的S135 級鉆桿外徑尺寸149.225 mm（″），材質壁厚10.54 mm（0.415″），當井口壓力為0 時，剪斷該鉆桿所需系統壓力為19.8 MPa；當井口壓力為35 MPa 時，剪斷該鉆桿所需系統壓力為25 MPa，見表1。由此可見，該鉆井平臺防噴器配備使用的控制系統及剪切液缸無法滿足井口壓力較高時剪斷常用149.225 mm（″）鉆桿的要求。在海上油氣勘探開發中，作業者目標井位預估井內壓力常達到40.5 MPa，為保證鉆井平臺鉆完井作業安全生產，降低井控風險，需要提高防噴器剪切系統帶壓剪切能力，必須對鉆井平臺原配置的防噴器及控制系統進行升級，單獨裝配一套剪切增壓助推裝置[1-4]。

表1 防噴器剪切能力計算分析

2 剪切增壓助推裝置配置及工作原理

2.1 剪切增壓助推裝置選型決定因素

石油行業標準API Spec 16D鉆井井口控制設備及分流設備控制系統中關于公稱通徑476.25 mm（″）水上防噴器，對其控制系統要求為[5]：①控制系統應能在30 s 內關閉各個閘板防噴器，關閉環形防噴器不應超過45 s；②泵組的總排量應能在15 min 內將整個儲能器系統從預充壓力充壓至系統的額定壓力；③井筒壓力為零時，能夠提供從防噴器全開狀態到完全關閉環形防噴器和防噴器組中的所有閘板防噴器，并打開防噴器組一側的側向出口閥所需的100%功能液量要求；④該液量已考慮了壓力極限排放的容積設計系數，儲能器中剩余液體的計算壓力，應大于關閉一個環形防噴器、任一閘板防噴器（使用閘板防噴器關井比，不包括剪切閘板）及在防噴器組最大額定井筒壓力下打開一側的側向排液閥并使其保持打開狀態時所需的最小計算操作壓力。

結合上述標準規范要求及該鉆井平臺原防噴器產品性能特點，從以下6個方面考慮剪切助推裝置選型：①剪切閘板液缸安裝接口尺寸，通過計算選擇合適的壓力等級和尺寸的剪切助力液缸；②新增助推裝置所需增加的儲能瓶系統與剪切助力液缸所需的最終壓力等級相匹配，所需增加儲能瓶數量與整個防噴器系統升級后實現API Spec 16D關閉響應時間所需剩余容量要求相匹配；③泵系統壓力等級，排量要求與兩項匹配要求相符；④原控制系統和新增剪切助推增壓裝置的控制兼容性和成本最優進行升級；⑤鉆井平臺可容納的剪切助力及控制系統安裝空間要求；⑥剪切能力、儲能系統容量、泵系統效能等相關計算和認證。

2.2 剪切增壓助推裝置配置

綜合以上選型考慮因素，該鉆井平臺選定的剪切增壓助推及控制裝置主要由兩個與閘板防噴器安裝尺寸相匹配的35 MPa 剪切液缸[6]、兩臺120∶1高壓（42 MPa）氣動泵、12 個容量為56.78 L（工作壓力42 MPa）的儲能瓶、壓力開關、減壓閥、溢流閥（設置壓力46 MPa）、高壓管匯、梭閥、壓力傳感器、延時器（延時17～20 s）等組成[7]。

剪切助推裝置與防噴器控制系統使用相同的液壓油箱及空氣動力源。為方便操作和維修，同時考慮在安裝時減少高壓管線及控制電纜長度，該鉆井平臺選擇將升級裝置安裝于防噴器控制系統房內，操控面板設計位置與防噴器控制系統電泵起動控制面板相鄰。

2.3 剪切增壓助推裝置工作原理

2.3.1 助推裝置液力高壓回路

兩臺高壓氣動泵將控制液增壓為42 MPa 并充至12 個儲能瓶內，儲能瓶預充氮氣壓力38 MPa，高壓控制液經減壓閥減壓至35 MPa 后依次通過三位四通閥、高壓管匯，高壓梭閥，換向閥等組成的助推裝置控制閥塊模組后進入防噴器組，如圖1 所示。

圖1 助推裝置高壓回路原理（紅色為高壓）

2.3.2 操作系統氣動控制回路

壓縮空氣（最小0.4 MPa）經進氣截止閥（常開）、氣動三聯件、壓力開關后進入兩臺高壓氣泵，為助推增壓裝置儲能瓶補充壓力。當系統壓力升至42 MPa 時，空氣回路中的壓力開關動作，使空氣回路截止，氣動泵停止動作，系統維持42 MPa 壓力；當系統壓力降至35 MPa 時，空氣回路中壓力開關動作，使空氣回路導通，實現氣泵自動為系統補壓功能?？諝饣芈分邪惭b有旁通閥（常關），可手動開啟，為系統手動補壓（手動補壓時需注意系統壓力達到42 MPa 時，需手動關閉旁通閥），如圖2所示。

圖2 操作系統氣動控制回路

2.3.3 防噴器剪切閘板助推控制方式選擇

剪切增壓助推裝置在遠程控制面板中安裝有高壓剪切投入選擇面板[8]，有“投入”及“解除”兩種選擇模式，如圖3所示。

圖3 助推控制方式選擇面板

1）當需要進行剪切功能測試時（此時不需要35 MPa高壓進入剪切閘板），剪切控制面板選擇“解除”功能，此時剪切助推裝置將不會投入使用，關閉剪切功能壓力為10.5 MPa（當選擇旁通功能時，壓力為21 MPa）。

2）當鉆完井作業中需要高壓剪切功能時，剪切控制面板選擇“投入”功能，按下剪切關閉功能按鈕，此時21 MPa壓力控制液首先進入剪切閘板。同時，氣動控制信號進入剪切助推裝置控制閥塊模組延時器，經過17～20 s延時，空氣壓力信號進入助推裝置工作投入換向閥，驅動閥塊動作，35 MPa 高壓控制液經高壓梭閥進入剪切閘板液缸，從而實現高壓剪切功能。

3 剪切增壓助推裝置安裝及測試

剪切增壓助推裝置所有管線均使用SS316 不銹鋼管線，連接方式為氬弧焊工藝焊接，所有管線、接頭、閥門安裝前進行壓力測試，壓力測試合格后進行安裝。為防止高壓液體流經管匯時造成管線震動，所有管線均配置重型管卡固定。

3.1 剪切液缸升級及安裝

剪切液缸型號由喀麥隆廠家依據該鉆井平臺原防噴器尺寸、安裝空間等，遵照標準規范要求設計完成。鉆井平臺確定取證范圍是需要廠家發布COC（Certificates of Compliance）認證，以滿足高端作業者（油公司）對井控設備的認證要求。現場執行安裝后按照FAT（Factory Acceptance Test）進行各項測試，為后續系統測試做好準備。

3.2 氣泵管匯安裝

兩臺氣泵氣源管線使用25.4 mm（1″），SCH80 壁厚管線連接至鉆井平臺空氣動力源（空氣動力源壓力0.8 MPa，滿足最小0.4 MPa 要求），并加裝氣動三聯件，氣泵吸入口管線采用19.05 mm（3/4″），SCH80 壁厚管線連接至防噴器控制系統油箱，氣泵出口采用12.7 mm（0.5″），壁厚為2.11 mm（0.083″）SS316控制管線，氣泵出口安裝安全閥，設置壓力為46 MPa。

3.3 助推裝置儲能瓶及控制閥塊模組安裝

兩組儲能瓶（每組配備6 個56.78 L 儲能瓶）通過25.4 mm（1″）、雙加厚等級管線連接至SBA獨立控制閥塊模組高壓梭閥，通過梭閥連接至換向閥，閥塊輸出經46 MPa 壓力等級防火鎧裝管線連接至防噴器本體?？刂崎y塊模組控制氣路，先導低壓控制回路，高壓輸入、輸出回路管線用不同顏色進行標示區分，便于調試及后續使用故障診斷及維修。

3.4 系統功能測試

系統測試前，按照安裝圖紙對連接管線進行檢查核對，確保高、低壓管線連接正確，各壓力檢測點功能正常，對連接管線按試壓標準進行壓力測試，合格后按照FAT分步、分段進行測試[9-11]。系統整體測試時儲能瓶預充38 MPa氮氣（嚴禁使用氧氣及壓縮空氣），確保氣泵吸入口及排出口打開。SBA獨立控制閥塊模組出口與通往防噴器組的鎧裝管線斷開，接70 量程壓力表。打開氣泵進氣閥，為系統充壓至42 MPa，調節減壓閥使管匯壓力為35 MPa。

將控制面板開關選擇為“投入”狀態，按下剪切面板“關閉”功能按鈕，高壓梭閥處壓力表顯示為21 MPa，經過27～30 s 后，助推裝置控制閥塊換向閥動作，高壓梭閥處壓力表顯示為35 MPa。測試此過程時，如果延時時間小于27 s 或大于30 s，則需要調節延時器，再次測試，確保延時時間合適。測試完成后，按下剪切面板“打開”按鈕，壓力表壓力為0。

將控制面板開關選擇為“解除”狀態，按下剪切面板“關閉”功能按鈕，高壓梭閥處壓力表顯示為21 MPa，經過27～30 s 后，壓力顯示依然為21 MPa，且助推裝置閥塊換向閥不動作。測試完成后，按下剪切面板“打開”功能按鈕，壓力表壓力為0。整個測試過程中，需確保高壓管線區域隔離，管線無明顯震動，各接頭處無滲漏。通過上述測試，助推增壓裝置控制系統各項功能正常，可以實現剪切閘板對35 MPa控制壓力需求，達到預期要求。

4 結束語

升級防噴器剪切閘板增壓助推裝置（SBA）是一種可以提高鉆完井作業安全和效率的技術。通過升級剪切閘板液缸能力，匹配合適助推裝置控制閥塊模組，兼容防噴器原有控制系統，減少了升級成本投入，增強了剪切閘板的剪切能力，提高了防噴器的密封性能，擴大了防噴器鉆完井作業適用范圍，真正意義上滿足了105 MPa的設計工作性能，增強了海洋石油鉆井平臺在國際鉆完井市場上的競爭力。