CP-400型自升式鉆井平臺井控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

史楠楠，趙 娜，韓 冰，郭龍德，張興蓮，楊 豐

（1．渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧盤錦124010；2．遼寧天意實(shí)業(yè)股份有限公司，遼寧　盤錦124010）

CP-400型自升式鉆井平臺井控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

史楠楠1，趙 娜1，韓 冰1，郭龍德2，張興蓮1，楊 豐1

（1．渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧盤錦124010；2．遼寧天意實(shí)業(yè)股份有限公司，遼寧盤錦124010）

CP-400型自升式鉆井平臺的鉆井深度為9 000m，作業(yè)水深為122m。分析了該平臺配套的井控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、工作原理、關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)。經(jīng)現(xiàn)場測試，各項(xiàng)性能參數(shù)滿足規(guī)范的要求。在鉆井過程中，該井控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測、預(yù)警以及處理各種突發(fā)事故，具有較高的可靠性，確保海上鉆井作業(yè)的安全。

自升式鉆井平臺；井控系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

CP-400型自升式鉆井平臺是渤海裝備遼河重工有限公司獨(dú)立研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造的鉆井平臺之一。它適用于泥砂質(zhì)或淤泥質(zhì)海床作業(yè)，最大工作水深122m（400英尺），額定鉆井深度9 000m（30 000英尺），可鉆超深探井、大位移叢式井、水平井，具有試油輔助功能。

在海洋鉆井過程中，井控系統(tǒng)的作用是對井下作業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、預(yù)警，在地層壓力遭到破壞而發(fā)生異常情況時(shí)，利用節(jié)流或壓井等方法恢復(fù)和重建井底平衡壓力，保護(hù)鉆井人員、設(shè)備以及油氣井的生產(chǎn)安全，避免因海洋環(huán)境污染和油氣資源破壞產(chǎn)生的嚴(yán)重后果。筆者結(jié)合此平臺的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)分析了在海洋鉆井平臺井控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問題。

1 影響因素和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1） 海洋鉆井平臺設(shè)計(jì)首先應(yīng)考慮作業(yè)海域所屬國的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，滿足入級船級社的相關(guān)規(guī)范，最重要的是需要嚴(yán)格執(zhí)行行業(yè)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。井控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的規(guī)范主要有：A PI Spec 16 A《鉆井通道設(shè)備規(guī)范》，N A C Em R0175—2003《油田設(shè)備用抗硫化應(yīng)力裂紋的金屬材料》，A PI Spec 6 A《井口裝置和采油樹設(shè)備規(guī)范》，G B／T22513—2008《井口裝置和采油樹》，A PI Spec 16D《鉆井控制設(shè)備的控制系統(tǒng)》，S Y／T 5053．2—2007《鉆井井口控制設(shè)備及分流設(shè)備控制系統(tǒng)規(guī)范》和A PI R P53《鉆井用防噴器推薦標(biāo)準(zhǔn)》等。

2） 井控系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足海上處理各種鉆井突發(fā)事故的能力，有效解決鉆井過程中的密封、加壓、節(jié)流壓井問題。設(shè)備配置應(yīng)有較高的可靠性和冗余性。

3） 平臺空間尺寸和允許的可變載荷有限，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)做到結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、模塊程度高；設(shè)備操作方便，密封安全可靠，現(xiàn)場維修方便。

4） 海洋環(huán)境鹽霧大，腐蝕性強(qiáng)，要求整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備、管線、緊固件、結(jié)構(gòu)件必須符合海洋環(huán)境的作業(yè)要求，采用防腐材料或表面噴涂防護(hù)［1］。

5） 海上作業(yè)對H SE的要求更加嚴(yán)格。井控設(shè)備和管線必須有顯著的標(biāo)示，設(shè)備必須預(yù)留足夠的操作和維護(hù)的空間。

2 系統(tǒng)功能及原理

CP-400型自升式鉆井平臺井控系統(tǒng)主要由分流器系統(tǒng)、防噴器組、控制裝置、節(jié)流壓井閥門組、節(jié)流控制箱、液氣分離器和相互連接的管匯組成。通常，海洋鉆井的第1步是在海底敞口鉆井［2］，隨后安裝大口徑隔水套管，經(jīng)過水泥固井后，繼續(xù)安裝分流器、防噴器、四通、套管頭等。

分流器用在安裝防噴器前的淺表層鉆井。當(dāng)遇到淺層液（氣）時(shí)，分流器控制裝置指揮設(shè)備本體關(guān)閉井內(nèi)鉆桿或套管環(huán)空，打開放噴管線，將其排放到指定的地點(diǎn)。隨著鉆井加深和防噴器組的安裝，正常的井內(nèi)循環(huán)通道形成，分流器設(shè)備就充當(dāng)溢流口，壓力控制交給防噴器組。當(dāng)井內(nèi)出現(xiàn)異常情況完成封井操作后，節(jié)流壓井閥門組開始工作。如果出現(xiàn)溢流或小井涌時(shí)，使用節(jié)流管匯控制井內(nèi)流體流出井口，降低井口套管壓力，保護(hù)防噴器組，將溢流物引出。當(dāng)溢流物含有H2S氣體時(shí)，打開液氣分離器的通道，有害氣體經(jīng)液氣分離器處理后，排至天車頂部的燃燒器并點(diǎn)火燃燒成無害的氣體，液體流入泥漿處理系統(tǒng)；如果溢流物中不含H2S氣體，可以直接排放到鉆臺下面的泥漿返流槽流回至泥漿處理系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生大量井涌至井噴時(shí)，使用壓井管匯，根據(jù)地層壓力選用立管閘門組或固井閘門組向井內(nèi)強(qiáng)行泵入加重液，實(shí)現(xiàn)壓井作業(yè)。如果發(fā)生井噴及著火現(xiàn)象，可以通過壓井管匯強(qiáng)行向井內(nèi)泵入清水或滅火劑，以助滅火。鉆臺上面的節(jié)流控制箱使泥漿立管閘門組和節(jié)流壓井閥門組產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，通過電訊號及時(shí)反饋到司鉆房或隊(duì)長辦公室。實(shí)現(xiàn)在鉆井過程中對井內(nèi)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，確保井下作業(yè)安全。工作原理如圖1。

圖1 C P-400型自升式鉆井平臺井控系統(tǒng)工作原理

3 關(guān)鍵設(shè)備介紹

3．1 分流器

CP-400型自升式鉆井平臺選用m D22-500型分流器。公稱通徑711．2mm（28英寸），工作壓力3．45mPa（500psi），支撐殼體上配有6個(gè)側(cè)出口，分別承擔(dān)補(bǔ)充泥漿口、引流放噴口、溢流口和測試的功能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2。

處于表層井鉆井時(shí)，分流器的膠芯處于完全開啟狀態(tài)，其側(cè)出口溢流管上的閥處于開啟狀態(tài)，進(jìn)行正常的鉆井液循環(huán)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)溢流或淺氣層需要引流放噴時(shí)，分流器控制系統(tǒng)開啟對分流器和引流放噴口的液動球閥，分流器中的高壓油由殼體油口進(jìn)入活塞腔，將其間的橡膠擠向井口中心，實(shí)現(xiàn)密封鉆具。同時(shí)，引流放噴口（左右各一，任選其中一個(gè)）的液動球閥打開，井內(nèi)流體從引流放噴側(cè)出口經(jīng)放噴管線輸送到指定安全的地方。當(dāng)事故處理完畢時(shí)，分流器控制系統(tǒng)分流器關(guān)閉腔開關(guān)復(fù)位，分流器密封膠芯在自身彈力的作用下復(fù)位；同時(shí)液壓控制系統(tǒng)的高壓油進(jìn)入引流放噴側(cè)出口的液動球閥的關(guān)閉腔，液動球閥將引流放噴口關(guān)閉。

圖2 分流器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3．2 防噴器

防噴器是井控設(shè)備的核心組件，它的質(zhì)量和性能直接影響到油氣井壓力控制的成敗。CP-400型鉆井平臺選用1個(gè)環(huán)形防噴器（FH48-70）、2個(gè)雙閘板防噴器（2FZ48-105）的組合形式。環(huán)形防噴器采用鑄件H ydril G X型結(jié)構(gòu)，閘板防噴器采用Cameron T L型閘板結(jié)構(gòu)。閘板防噴器帶有自動液壓鎖緊結(jié)構(gòu)。

環(huán)形防噴器同分流器的控制原理相似。工作原理如圖3。當(dāng)發(fā)現(xiàn)井涌需要封井時(shí)，從控制系統(tǒng)輸來的高壓油從殼體上的關(guān)閉接口進(jìn)入活塞下部關(guān)閉腔推動活塞向上運(yùn)動，迫使膠芯向上向心運(yùn)動，將錐型膠芯擠向井口中心，實(shí)現(xiàn)密封鉆具或全封閉井口。打開時(shí)，液控壓力從殼體上的開啟接口進(jìn)入活塞上部開啟腔，推動活塞下行，膠芯在本身彈力作用下復(fù)位，將井口打開。

圖3 環(huán)形防噴器工作原理

環(huán)形防噴器僅是在關(guān)井時(shí)的一個(gè)過渡設(shè)備，不允許用它長期關(guān)井作業(yè)［3］，長時(shí)間的封井應(yīng)采用閘板防噴器。閘板防噴器開關(guān)動作如圖4。當(dāng)液控系統(tǒng)高壓油進(jìn)入左右液缸閘板關(guān)閉腔時(shí)，推動活塞帶動閘板軸及左右閘板總成沿殼體閘板腔分別向井口中心移動，實(shí)現(xiàn)封井。當(dāng)高壓油進(jìn)入左右液缸閘板開啟腔時(shí)，推動活塞帶動閘板軸及左右閘板總成向離開井口中心方向運(yùn)動，打開井口。閘板開關(guān)由液控裝置換向閥控制。一般在30 s內(nèi)即可完成開關(guān)動作［4］。

圖4 閘板防噴器工作原理

3．3 防噴器和分流器控制裝置

控制裝置由遠(yuǎn)控臺、司控臺和輔助控制臺組成。遠(yuǎn)控臺是制備、儲存液壓油并控制液壓油的流動方向的裝置［5］。通過操作上面的換向閥控制油路，實(shí)現(xiàn)防噴器或分流器的直接動作。司控臺安裝在鉆臺的司鉆房內(nèi)，屬于遠(yuǎn)控臺的遙控系統(tǒng)，可以間接操控防噴器和分流器。輔助控制臺一般放在隊(duì)長辦公室，作為應(yīng)急的遙控裝置備用。

FKDQ2240-8型防噴器控制裝置和FKDQ320-10型分流器控制裝置是為C P-400型鉆井平臺特殊定制的。二者采用電氣控液的形式。前者的蓄能器總?cè)萘繛?240 L，后者的為320 L。防噴器遠(yuǎn)控臺通過1個(gè)三位四通轉(zhuǎn)閥、7個(gè)三位四通轉(zhuǎn)閥分別控制環(huán)形防噴器、兩個(gè)雙閘板防噴器、放噴閥和壓井閥等8個(gè)開關(guān)動作；分流器控制裝置通過6個(gè)三位四通轉(zhuǎn)閥和4個(gè)二位四通轉(zhuǎn)閥控制分流器膠芯筒（關(guān)）、球閥（開／關(guān)）（注泥漿、測試口）、殼體密封環(huán)（關(guān)）、液壓鎖（開／關(guān)）等10個(gè)控制對象。遠(yuǎn)控臺和設(shè)備采用GNG高壓耐火隔熱軟管相連。如圖1。為了節(jié)省空間，2個(gè)遠(yuǎn)控臺共用1個(gè)油箱。

3．4節(jié)流壓井閥門組及節(jié)流控制箱

節(jié)流壓井閥門組集成在一個(gè)公共平臺上，為手、液動雙翼、雙聯(lián)立式結(jié)構(gòu)，配有平臺專用固定支架。節(jié)流、壓井流程可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立工作。閥門組主通徑是103．19mm（4英寸），旁通徑是77．79mm（3英寸），公稱壓力是103．5mPa（15000 psi）。

壓井管匯部分有3個(gè)接口，兩處進(jìn)口分別接立管、壓井閥門組，出口通過壓井軟管同防噴器一側(cè)的液動閘閥相連。節(jié)流管匯部分的進(jìn)口通過節(jié)流軟管和防噴器另一側(cè)的液動閘閥相連，出口共有3個(gè)，一個(gè)與液氣分離器相連，一個(gè)為試油流程分離器（預(yù)留接口），一個(gè)進(jìn)入泥漿處理系統(tǒng)。

節(jié)流管匯控制箱是液動節(jié)流管匯上的控制裝置?？蛇h(yuǎn)程控制兩個(gè)液動節(jié)流閥的開或關(guān)?？刂葡浔P面上同時(shí)顯示系統(tǒng)壓力、氣源壓力、套管壓力、壓井壓力、節(jié)流后壓力、兩個(gè)立管壓力和兩個(gè)液動節(jié)流閥的閥位開度。另外，為方便記錄各個(gè)泥漿泵的泵沖次數(shù)及累加數(shù)，箱內(nèi)配備了一臺泵沖計(jì)數(shù)器，整機(jī)直觀簡潔，操作方便。

3．5 液氣分離器

來自節(jié)流管匯的氣侵鉆井液，通過液氣分離器的進(jìn)液管線，從罐頂注入罐中；氣侵鉆井液以較大的速度撞擊擋板，使鉆井液中含有的氣泡破碎釋放，之后鉆井液薄層流過金屬表面，流動阻力可產(chǎn)生紊流將這些氣泡帶到表面從而分離。分離出的氣體從分離器頂部排氣管線同真空除氣器排出的氣體匯聚一起，引致天車頂端點(diǎn)火排出；沉積在罐底的鉆井液則經(jīng)液出口排出并引至鉆井液凈化系統(tǒng)進(jìn)一步凈化處理。其主要技術(shù)參數(shù)為：工作壓力1．6mPa，鉆井液最大處理量800m3／d，氣體處理量14萬m3／d，分離效率85%以上。

4 調(diào)試情況

C P-400型自升式鉆井平臺即將建造完成。井控系統(tǒng)于2014年9月在建造基地完成聯(lián)機(jī)調(diào)試。測試數(shù)據(jù)如表1～2。分流器、防噴器組在做高壓密封試驗(yàn)時(shí)無泄漏和不正常情況，其上閥門在帶壓作業(yè)開關(guān)自如。節(jié)流壓井管匯在靜密封試驗(yàn)下表現(xiàn)良好。額定工作壓力下閥門無滲漏，壓力穩(wěn)定。

表1 井控設(shè)備響應(yīng)時(shí)間

表2 節(jié)流壓井管匯測試數(shù)據(jù)

經(jīng)對比，測試結(jié)果符合A PI Spec 16D《鉆井控制設(shè)備的控制系統(tǒng)》規(guī)范和A PI Spec 16C《節(jié)流壓井管匯規(guī)范》第六章的靜壓試驗(yàn)要求。整個(gè)井控系統(tǒng)具有較高的可靠性。

Design for W ell Control System of Jack Up

S HI Nannan1，Z H A O Na1，H A N Bin1，G U O Longde2，Z H A N G Xinglian1，Y A N G Feng1
（1．China PetroleumLiaohe Equipment Com pany，Panjin124010，China；2．Liaoning Tianyi Industry Co．，Ltd．，Panjin124010，China）

T he drilling depth of the 400ftjack up is 9000m．A nd operating water depth is 122m．In this article，an analysis of the design criterion，w orking theory and structure of critical component for well control system of this jack up aremade．After the commission in the site，every performance parametermeets the requirement of the specification．T his system can realize the real timemonitor，prediction and the ability of handling all kinds of emergencies during the drilling procedure．It’smore reliable．A nd it ensures the safety of offshore drilling operation．

jack up；well control system；design

T E951

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．020

2014-12-25

史楠楠（1980-），女，遼寧鞍山人，工程師，碩士，2007年畢業(yè)于西安石油大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，現(xiàn)從事石油鉆井裝備研究工作，E-mail：15942706752＠163．com。