深水钻井防喷器选配关键因素分析.pdf

2 0 1 2年第 4 0卷第 6期 石 油机械 CHI NA P ETR0L E UM MAC HI NE RY -- 49 - 海 洋石 油装备 深水钻 井防喷器选配关键 因素分析 许亮斌 张红生 周建 良 蒋世全 盛磊祥 1 ．中海油研 究总院2 ．中国海 洋石油总公 司钻 完井技术 管理部 摘要 深水钻井防喷器组是保证海洋深水钻 井安全的最关键设备。介绍 了深水钻井防喷器组 的基本配置方法，分析 了防喷器组配置 的关键 因素，重点研 究了闸板数量和 类型、防喷器高度和 压力等级、节流压井管线、蓄能器能力 与辅助控制 系统等。最后指出，应确保 所有剪切闸板具有 剪切特定钻杆及套管 的能力，测试 闸板和管子闸板不可混用 ，万能防喷器可考虑只采用 1个 ；应 确保 R O V动作满足规范规定 的响应时间要求，不推荐声纳辅助控制系统，应对新增辅助控制 系统 进行风险分析，以确保设计能兼容并能实现相应 的功能；合适的防喷器配置有助 于保证深水钻井 安全，应该针对具体情况 ，制定统一的深水 防喷器闸板和辅助控制系统配置标准规范。 关键词 深水钻井；防喷器组；配置；关键 因素；R O V 中图分类号 T E 2 4 5 文献标识码 A文章编号 1 0 0 1 4 5 7 8 2 0 1 2 0 6 0 0 4 9 0 5 Ana l y s i s o f t h e Ke y Fa c t o r s f o r Co nfig ur i ng De e pwa t e r Dr i l l i ng BOP Xu L i a n g b i n Z h a n g Ho n g s h e n g Z h o u J i a n l i a n g J i a n g S h i q u a n S h e n g L e i x i a n g ‘ 1 ．C N O O C R e s e a r c h I n s t i t u t e 2 ．C N O O C D r i l l i n g a n d C o m p l e t i n g T e c h n o l o g y Ma n a g e m e n t D e p a r t me n t A b s t r a c t T h e d e e p w a t e r d r i l l i n g b l o w o u t p r e v e n t e r B O P s t a c k i s t h e m o s t i mp o r t a n t e q u i p m e n t f o r e n s u - r i n g o f f s h o r e d e e p wa t e r d r i l l i n g s a f e t y ． T h e b a s i c me t h o d o f c o n fig u r a t i o n o f t h e d e e p wa t e r d r i l l i n g BOP s t a c k wa s i n t r o du c e d ． Th e k e y f a c t o r s o f t h e BOP s t a c k c o n fig u r a t i o n we r e a n a l y z e d ． Th e r e s e a r c h f o c u s wa s o n t h e n u mbe r s a n d t y pe s o f r a ms，BOP h e i g h t a n d pr e s s u r e l e v e l ，t h r o t t l i n g we l l k i l l i n g p i p e l i n e，e n e r g y a c c u mu l a t o r c a p a c i t y a n d a u x i l i a r y c o n t r o l s y s t e m． F i n a l l y，i t wa s p o i n t e d o u t t h a t t h e c a p a c i t y o f c u t t e r r a m t o s h e a r s p e c i a l d r i l l p i p e a n d c a s i ng s h o u l d b e e n s u r e d ． Th e t e s t i n g r a m a nd p i p e r a m c a nn o t b e mi x e d i n u s e ． On l y o n e u ni v e r s a l BOP ma y b e c o n s i d e r e d．Th e ROV mo v e me n t s h o u l d be e n s u r e d t o s a t i s f y t h e r e s p o ns e t i me r e q u i r e me n t p r o v i d e d b y t he s p e c i fi c a t i o n s ．Th e s o n a r a s s i s t e d c o n t r o l s y s t e m i s no t r e c o mme n d e d ．The r i s k a n a l y s i s o f t he n e wl y a d de d a u x i l i a ry c o n t r o l s y s t e m s h o u l d be c o n d u c t e d S O a s t o e ns u r e t h e d e s i g n c o mp a t i b i l i t y a n d a c h i e v e me n t o f t h e c o r r e s p o n d i n g r u ne t i o n ． Th e s u i t a b l e BOP c o n fig u r a t i o n h e l ps t o g ua r a n t e e t h e d e e p wa t e r d r i l l i n g s a f e t y ． T he u n i fi e d s t a n d a r d s pe c i fi- c a t i o n s for c o n fig u r i n g t he d e e p wa t e r BOP r a m a nd a u x i l i a ry c o n t r o l s y s t e m s h o u l d b e ma d e a c c o r d i n g t o t h e s p e c i fic c o n d i t j o n s ． Ke y wo r d s d e e p wa t e r d r i l l i n g； BOP s t a c k； c o n f i g u r a t i o n； ke y f a c t o r ； ROV 0 引 言 随着国内外对石油天然气需求 量的不断增加 ， 油气资源勘探开发向深海进军已成必然趋势。深水 钻井是勘探开发的龙头 ，而深水防喷器组是保证钻 井作业安全 的最关键设 备 。深水钻井过 程 中防 喷器安装在井 口套管头上 ，当井 内油 、气 、水的压 基金项 目国家科 技重大专项 “ 深水 半潜式钻井平 台及配套 技术 ” 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 70 0 1 的部分研究成果 ；青年科技与管理创新项 目 “ 深水水下 防喷器液压控制 系统能力评估技术研究 ” J Z T W2 0 1 1 K J 0 6 。 一 5 2～ 石 油机械 2 0 1 2年第 4 O卷第 6期 E C D以及井筒和隔水管 的井 眼清洁非常重要 ，因 此通常使用塔式钻具 ，管子闸板的尺寸和数量 由钻 具来决定。使用塔式钻具时 ，防喷器组 的配置至少 满足如下条件的其中 1 个 1 2套用于大尺寸钻具的管子 闸板 ，1套适 用于小一点尺寸钻杆的管子闸板 ； 2 2套用于大尺寸钻具的管子 闸板 ，I套用 于可变心子闸板 ，以满足不同尺寸的钻杆 ； 3 2 套可变心子 闸板 ，以满足不同尺寸钻杆 ； 4 1套用于大尺寸钻具 的管子闸板 ，1套可 变心子闸板 ； 5 1套用于大尺寸钻具 的管子闸板 ，1套适 用于小尺寸钻具的管子闸板 ，1套可变心子闸板。 使用可变心闸板时应格外注意 ，因为这些闸板 在承受悬挂重力 的同时还在很小 的范 围 内改变直 径 ，对于动力定位作业而言 ，闸板悬挂钻具重力是 非常重要的 ，对于应急解脱很关键 ，在配置防喷器 闸板时应 当清楚实际闸板的悬挂能力 。 文献 [ 9 ]推荐在动力定位作业 下，防喷器对 主要尺寸的钻杆要具有剪切和密封能力。有些作业 者为了保证紧急解脱顺利进行使用 2套盲板 ，一套 盲板用来剪 切，另外一套 用于密封失效 时进行 密 封 ，也可 以防止在继续钻 进时发生地层 漏失。因 此 ，对于动力定位钻井装置而言，防喷器 的数量有 可能达到 6个 1套 闸板剪切套管但不密封 ，3套 管子闸板起下钻杆 ，2套万能防喷器 。 2 ． 2防喷器高度 随着水深 的增加 ，对防喷器组的要求也越来越 高。防喷器的高度变化会对下部结构造成影响 ，特 别是在无导向绳作业的情况下以及需要考虑 L MR P 的重人问题时。由于在升沉情况下 L MR P和井 口有 可能会脱开 ，需要导 向漏斗或者其他的装置使 L M R P重新对正 ，这就要保证防喷器与下部结构之 间 有足够大的间隙。 深水 防喷器 的高度影响防喷器与井 口、L MR P 连接器的弯曲载荷 以及下部导 管和套管 的弯 曲力 矩 ，在设计防喷器组 的总高度时必须予以考虑。降 低防喷器高度 的有效方法是考虑使用 1 个环形防喷 器 ，但是 由于 A P I 规范要求 ，大多习惯采用 2个环 形防喷器。考虑使用 1个 防喷器 主要基于 2个原 因①环形防喷器的可靠性比较高；②大多数深水 井控程序要求悬挂钻杆 ，这样可以减轻对环形防喷 器 的磨损 ，也是较安全的做法。 2 ． 3防喷器压力等级 深水防喷器压力等级主要由地层压力与环境压 力 钻井液与海水静水 压力 共 同决定 ，通常选 用 6 9 MP a或更高的 1 0 3 ． 4 MP a压力等级。在深水 钻井作业进行防喷器试压时要格外注意防喷器 的压 力等级及所用的钻井液密度 ，也要考虑钻井液液柱 与海水梯度产生的压差 ，随着水深的增加 ，更应 当 引起重视。假设水深 2 4 0 0 r n ，钻 井液密度 1 ． 7 9 7 g ／ c m ，则防喷器壳 体静水压力为 I 8 ． 6 3 M P a ，如 果 防喷器的压力等级为 1 0 3 ． 4 MP a ，则最大测试压 力为 8 4 ． 8 7 M P a 。 2 ． 4 节流压井管线 节流管线和压井管线在作业过程 中互为应急情 况备份 ，以防止发生堵塞或泄漏 ，同时在深水作为 静态管线通过压力传感器监测防喷器的压力 ，以确 定需要补偿管线的摩阻。在剪切闸板关闭、悬挂钻 柱的情况下 ，2条节流压井管线可实现压井 ；在防 喷器半封 的情况下 ，2条管线可实现循环压井 另 外 ，若同时使用 2条管线 ，可以减小节流压井管线 的摩阻 5 0 ％ ～ 7 5 ％。 2 ． 5 防 喷器 蓄能 器能 力 根据蓄能器系统的工作环境和工作状态 ，可将 防喷器控制系统蓄能器分为地面蓄能器 、水下蓄能 器和应急蓄能器 3类 l 3 J 。表征蓄能器 系统控制能力 的技术参数有预压力 、蓄能器的个数和单个蓄能器 有效流体体积。不 同蓄能器系统的技术参数随水深 的变化差异较大 ，在蓄能器系统控制能力设计 与校 核时须特别注意。提高蓄能器的承压能力可以减小 控制系统的预压力 ，从而减少系统地面蓄能器的个 数 ，节省平 台空间。不同规范和做法规定的蓄能器 能力差异比较大。A P I R P 5 3规范规定 “ 开关所 有 闸板和 1个 万能蓄能器 的压力 预压力 1 ． 3 8 M P a ”；A P I S p e c 1 6 D规 范规定 ①开关所有 闸板 和 1 个万能蓄能器 5 0 ％体积余量蓄能器压力 预 压力 ；②开关所有 闸板 和 1个 万能蓄能器 压力 m a x 井 口压力最大时 ，关 闭任何一个 闸板所需要 的最小操作压力 ；井 口压力最大时 ，打开节流 、压 井 阀所需要 的最小操 作压力 ；美 国矿业局 MMS 规定 关闭所有 防喷器设备 5 0 ％ 的体积余量蓄能 器压力 预压力 1 ． 3 8 MP a ；挪威 国家石油公司规 定 关 闭 2个 管 子 闸板 1个 剪 切 闸板 解 锁 L M R P 连接器 5 0 ％体积余量 ；挪威石油工业技术 规程规 定 关 闭 打 开 关 闭所 有 防 喷器 设 备 2 5 ％关闭所有闸板体积余量。 2 ． 6 防喷器辅助控制系统 当出现意外事故 而防喷器主要控制系统失灵 时 ，防喷器辅助控制系统成为防止井喷最后的保护 2 0 1 2年 第 4 0卷第 6期 许 亮斌 等 深水钻 井防喷器选配关键 因素分析 措 施 ，辅 助 控 制 系 统 主 要 包 括 水 下 机 械 人 R O V 、自动死机系统 D e a d ma n S y s t e m一 独立 的液压系统 、自动剪切 系统 和声 纳应急控制 系统 等 。 R O V辅助控制是最简单 、最基本的 B O P辅助 控制手段 ，一般要求其具有关闭 1 套盲板或剪切闸 板防喷器 、关闭 1 套密封防喷器和锁住闸板防喷器 的功能。R O V的主要缺点是其泵能力有最大限制 ， 而关闭一个闸板需要 1 0～ 2 0 m i n ，这样密封件会 由 于井喷而被破坏 ，不 能密封井 眼；在井 喷时 R O V 可能难以接近井 口。 D e a d ma n s y s t e m也称 为应 急液 压备 用 控制 系 统 ，当失去控制液或 B O P控制 系统电力信号 时可 以自动完成以下功能 上钻杆闸板关闭 、插人头 回 收 、隔水管连接器解锁、剪切闸板关闭 、外阻流压 井阀关闭。其主要优点是 在主控制系统出现故障 且失去 B O P控制系统 电力信号或者液压信号 时能 有效控制井底压力 ，也可 以手动操作 ；其缺点是 接头盒到应急备用控制盒之间液压系统及 电控部分 同时出现故障会激活此功能 ，导致误操作 ；不能处 理 L MR P意外断开 ；要求有水下蓄能器提供动力 。 自动剪切系统在 L MR P连接器意外解脱时可 以 剪切 闸板 、自动关闭井 口。其优点是在 L MR P脱离 时能探测到并 自动剪切钻杆保护油井 ，缺点是隔水 管损坏而 L MR P没有脱离时不起作用 ，需要海底安 装蓄能器 ，同时要求防喷器有附加控制功能。 声纳应急控制 系统 主要 包括地面声纳控制 系 统 、水下声纳控制盒 、备用 电池和储能器 ，通过地 面声 纳遥 控装 置 及水 下 声纳 控 制 系 统来 实 现对 B O P应急功能 的控制。地 面声纳遥控装 置发 出指 令 ，水下声纳传感器接收到信号并给电磁 阀信号指 令 ，控制 S P M 阀操作 ，完成功 能控制。备用 电池 给声纳控制系统提供能量。声纳应急控制系统的优 点是系统独立 、可选择控制和反应迅速 ；缺点是 有气 、钻井 液泄漏时不起作 用 ，受环境 噪声影 响 大 ，要有独立的水下 蓄能器提供充足的液压动力 ， 系统复杂 ，价格昂贵。 3 结 论 1 应确保所有剪切 闸板具有剪切特定钻杆 及套管的能力 ，测试闸板和管子闸板不可混用 ，万 能防喷器可考虑只采用 1 个。 2 R O V作为辅助控制手段应确保其 动作满 足规范规定的响应时问要求 ，不推荐声纳辅助控制 系统 ，新增辅助控制系统应该进行风险分析 ，以确 保设计能兼容并能实现相应的功能。 3 合适 的防喷器配置 有利于保证深水钻井 安全 ，应该针对具体情况 ，制定统一的深水防喷器 闸板和辅助控制系统配置标准规范。 4 深水 防喷器组及其 控制系统技术 目前在 国内还是空 白，研制具有 自主知识产权的深水防喷 器组及其控制系统可以打破国外对产品的技术和市 场垄断 ，为国家节约大量采购资金 ，填补国内海洋 石油水下设备的空 白，提高我国石油钻采设备技术 水平和国际市场竞争力 。 参考文献 李博 ，张 作龙 ．深水 防喷 器组 控 制系 统 的发 展 [ J ]．流体传动与控制 ， 2 0 0 8 4 3 9 4 2 ． 王存新 ，李嗣贵 ，王增 国 ．深水 钻井水 下防喷器组 配置 选 型 研 究[ J ]．石 油 矿 场 机 械 ，2 0 0 9 ，3 8 27 27 5 ． 盛磊祥 ，许亮斌 ，蒋世 全 ，等 ．深 水水下 防喷器 控 制系统蓄能 器能力 分析[ J ]．中国海上 油气， 2 0 1 0，2 2 53 2 63 2 9 ． 李博 ．深水海底防喷器组液压控制系统设计研究 [ D]．东营中国石油大学，2 0 0 8 ． Ame r i c a n Pe t r o l e um I n s t i t u t e ．API 1 6D S p e c i fi c a t i o n f o r c o n t r o l s y s t e ms f o r dr i l l i ng we l l c o n t r o l e q ui p me nt a n d c o n t r o l s y s t e m s fo r d i v e r t e r e q u i p me n t[ s ]． 2 0 0 5 ． 李诚铭 ．新 编石 油钻井 工程 实用 技术 手册[ M]． 北京 中国知识 出版社 ， 2 0 0 6 7 3 7 7 3 8 ． 海洋钻井手册编审组 ．海洋钻井手册 下册 [ M] ． 北京 中国海洋石油总公 司，1 9 9 6 4 05 2 ． C h i l d e r s M A． B u c k l e y M．C u r t i s s J P ． F a s t r e s p o n s e r e t r o fi t t a b l e u l t r a d e e p w a t e r B O P c o n t r o l s y s t e m [ R]． I ADC ／ S P E 8 7 1 5 6， 2 0 0 4 ． I nt e r n a t i o n a l As s o c i a t i o n o f Dr i l l i n g Co n t r a c t o r s ． I ADC d e e p w a t e r w e l l c o n t r o l g u i d e l i n e s [ M] ． H o u s t o n I ADC．20 0 2． 第一作者简介许亮斌 ，高级 程师，2 0 0 4年毕业于 中国石油大学 华 东 ，获 博士 学位 ，现从 事深 水钻 井技 术及装备的研究_T作。地址 1 0 0 0 2 7 北京市东城区。E ma i l x u l b c fl o o e ．e o m．c n。 收稿 日期 2 0 1 2 0 3 0 8 本文编辑丁莉萍 1J]J] ]J] J 1j]J l一