剪切閘板防噴器合理應(yīng)用

汪光太

中國石油勘探與生產(chǎn)工程監(jiān)督中心（北京100083）

剪切閘板防噴器合理應(yīng)用

汪光太

中國石油勘探與生產(chǎn)工程監(jiān)督中心（北京100083）

在實(shí)際工作中剪切閘板防噴器的設(shè)計(jì)位置存在瑕疵，通過分析剪切閘板防噴器使用中的特殊性。對合理應(yīng)用存在的弊端，規(guī)范、合理地應(yīng)用好剪切閘板防噴器，從井控實(shí)施細(xì)則、工程設(shè)計(jì)、關(guān)井決策和指揮、關(guān)井操作程序培訓(xùn)和完善井控應(yīng)急預(yù)案等方面提出了改進(jìn)建議。

剪切閘板防噴器；關(guān)井程序；井控設(shè)計(jì)；軟關(guān)井

1999年11月，剪切閘板防噴器在國內(nèi)油田現(xiàn)場首次使用于吐孜1井，這有據(jù)可查的唯一一次現(xiàn)場操作使用是用來制服因溢流壓井過程中發(fā)生井漏而導(dǎo)致的鉆柱內(nèi)井噴，但這次使用剪切閘板并非事前安裝，而是在井噴失控后通過先關(guān)閉下半封閘板防噴器，再將上半封閘板更換成剪切閘板來實(shí)現(xiàn)的。這次在鉆井現(xiàn)場使用剪切閘板防噴器成功制服失控的井噴，并未引起人們對陸上高風(fēng)險井鉆井作業(yè)過程中安裝剪切閘板防噴器的重視[1]。

在吐孜1井中使用的是美國歇福爾(Shaffer)公司的346mm-70MPa剪切閘板，因當(dāng)時國內(nèi)產(chǎn)品仍是空白。雖在2000年年底，已由原華北石油管理局第二機(jī)械廠研發(fā)出在國產(chǎn)F35-70防噴器上兼容的國產(chǎn)第一副剪切閘板，但只有在2003年“12·23”井噴失控事件后，通過完善SY/T 5087—2005《含硫化氫油氣井安全鉆井推薦作法》等標(biāo)準(zhǔn)，修改有關(guān)鉆井、井下作業(yè)相關(guān)井控規(guī)范、規(guī)定等來強(qiáng)調(diào)鉆井井控裝置的配套和安裝，剪切閘板防噴器才首先在高含硫、高壓地層的區(qū)域探井的鉆井作業(yè)中安裝配套，后來又?jǐn)U展至存在高壓、高含硫和高危的“三高”油氣井。最近幾年隨著新《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》、新《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》的宣貫和實(shí)施，各油氣田單位更加重視安全生產(chǎn)，堅(jiān)持發(fā)展速度服從安全生產(chǎn)，成本效益服從安全質(zhì)量，在高壓、高危井中設(shè)計(jì)安裝配套剪切閘板防噴器的情況逐漸增多。

剪切閘板防噴器雖在國內(nèi)油田鉆井現(xiàn)場已有多年的安裝配套歷史，但剪切閘板防噴器在現(xiàn)場安裝后真正的操作使用則很少。正是由于現(xiàn)場操作使用機(jī)會少，在實(shí)際工作中對合理使用好剪切閘板防噴器仍存在一定的隱患。

1 剪切閘板防噴器使用的特殊性

剪切閘板防噴器在鉆井過程中遇內(nèi)防噴工具不起作用或半封閘板防噴器失效等突發(fā)緊急情況時，能強(qiáng)行將井口鉆桿柱剪斷而密封井口。在現(xiàn)場使用時與普通半封閘板防噴器存在較大區(qū)別，這些區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 使用目的不同

普通半封閘板防噴器主要用來在發(fā)生溢流、井涌、井噴時關(guān)閉密封井口；而剪切閘板防噴器要承擔(dān)高風(fēng)險井在普通半封閘板防噴器失效等突發(fā)緊急情況下的剪切和密封雙重功能。

1.2 使用熟練程度不同

鉆井作業(yè)班組每月需按不同工況進(jìn)行防噴演練，在防噴演練過程中除空井狀態(tài)外需操作、啟動半封閘板防噴器，對半封閘板防噴器的操作使用比較熟練；而剪切閘板防噴器在現(xiàn)場安裝后禁止演練時啟動使用，有些井隊(duì)干部和作業(yè)班組人員甚至都不了解整個啟動操作程序，以為與操作啟動半封閘板防噴器一樣。

1.3 關(guān)井決策指揮程序不同

不管是防噴演練，還是溢流、井涌、井噴時應(yīng)急關(guān)井，對于使用半封閘板防噴器或全封閘板防噴器等常規(guī)關(guān)井操作，都是由司鉆統(tǒng)一決策指揮，防止誤操作；而需啟動操作剪切閘板防噴器時，經(jīng)申報批準(zhǔn)后，應(yīng)由值班隊(duì)長統(tǒng)一決策指揮。

1.4 關(guān)井前考慮因素有差異

常規(guī)關(guān)井操作關(guān)井前主要考慮的是根據(jù)不同工況情況按規(guī)定要求實(shí)施軟關(guān)井或硬關(guān)井，盡量縮短關(guān)井時間，減少溢流量；而啟動操作剪切閘板防噴器前，應(yīng)優(yōu)先采用軟關(guān)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(shè)備造成二次事故。

1.5 關(guān)井前配套工作不同

同批次的剪切閘板要在井控車間進(jìn)行剪切鉆桿抽樣試驗(yàn)，剪斷鉆桿后再按額定工作壓力進(jìn)行密封試壓，剪切閘板的刀刃無損傷和密封試壓合格后才可使用該批次剪切閘板，試驗(yàn)過的剪切閘板不再在現(xiàn)場安裝使用。

安裝剪切閘板防噴器的井,應(yīng)配備相應(yīng)鉆桿尺寸的死卡，關(guān)井操作剪切閘板前應(yīng)在轉(zhuǎn)盤面以上適當(dāng)?shù)你@桿位置上安裝相應(yīng)的鉆桿死卡，用鋼絲繩與鉆機(jī)連接固定牢固。同時確保鉆桿接頭、鉆鋌等鉆具加厚部分不在剪切閘板防噴器剪切位置。

常規(guī)關(guān)井操作講究各司其職、協(xié)同工作，且優(yōu)先選用在司控臺操作。而剪切閘板防噴器關(guān)井禁用司控臺，除隊(duì)長指揮遠(yuǎn)程控制臺操作人員外，其余人員全部撤至安全位置，同時按應(yīng)急預(yù)案要求組織布置警戒、人員疏散、放噴點(diǎn)火及其之后的應(yīng)急處理工作。

1.6 關(guān)井管匯壓力不同

待用狀態(tài)下通常將防噴器遠(yuǎn)程控制臺管匯壓力調(diào)至10.5MPa，常規(guī)關(guān)井操作時就是用10.5MPa的壓力油控制半封閘板防噴器，只有當(dāng)半封閘板嚴(yán)重砂阻用10.5MPa的壓力油不能推動半封閘板關(guān)井時，才打開旁通閥使儲能器里的高壓油進(jìn)入管匯，利用高壓油推動半封閘板關(guān)井，實(shí)現(xiàn)關(guān)井密封。

而啟動操作剪切閘板時，一般井口會帶壓，剪切閘板的推力需要克服井壓、摩阻、剪切鉆桿時的剪切應(yīng)力等綜合作用。

在關(guān)井動作過程中，剪切閘板前部有井口壓力所形成的阻力。設(shè)井口壓力為P井，MPa；活塞桿截面積為S，m2；活塞截面積為A，m2；關(guān)井油腔液壓油的壓力為P油，MPa（圖1）。如果不考慮剪切閘板關(guān)井動作過程中的各種摩擦損耗，忽略鎖緊軸的影響，那么只要油缸活塞上所受液壓油的作用力P油A超過P井S，活塞就可以將剪切閘板往井眼中心推動。即在考慮井口帶壓情況下，關(guān)井壓力油所需最低油壓P油應(yīng)滿足：

令R=A/S，則

式中：R為關(guān)閉壓力比；A與S均為剪切閘板防噴器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對于具體的剪切閘板防噴器，其A與S為定值，因此關(guān)閉壓力比固定不變。假設(shè)某型號剪切閘板防噴器的關(guān)閉壓力比為7，在井口壓力為35MPa情況下，僅僅克服井壓推動剪切閘板的壓力油所需最低油壓P油應(yīng)滿足：P油≥5MPa。

圖1 關(guān)井過程中井壓的影響

不考慮井口壓力情況下，靜態(tài)剪切鉆桿時的剪切應(yīng)力除與鉆桿材料性能有關(guān)外，還受鉆柱長度、鉆桿外徑、剪切閘板刀面傾角和刃口倒角等刀刃形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素影響。例如，文獻(xiàn)[2]以FZ28-21型防噴器進(jìn)行剪切閘板試驗(yàn)，剪切Ф127mm、29.0kg/m的E級、G級鉆桿時，通過逐漸降低操作壓力，測出剪切所需的最低操作壓力分別為11.5MPa和13.0MPa。文獻(xiàn)[3]采用FZ35-70防噴器ISR型剪切閘板剪切Ф101.6mm（4″）的S135鉆桿，兩次加壓，第一次加壓10.5MPa鉆桿未剪斷，第二次加壓14MPa成功剪斷Ф101.6 mm的S135鉆桿。而采用FZ28-105防噴器SBR型—體式剪切閘板剪切Ф101.6mm的S135鉆桿，兩次加壓，第一次加壓10.5MPa鉆桿未剪斷，第二次加壓16MPa成功剪斷Ф101.6mm的S135鉆桿。

因井口壓力、剪切閘板關(guān)閉壓力比、刀刃形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)、鉆桿材料不同，剪切壓力難以精確理論計(jì)算，只能通過實(shí)測，所以在啟動剪切閘板防噴器關(guān)井操作時，需打開遠(yuǎn)程控制臺儲能器旁通閥，采用21MPa的遠(yuǎn)程控制臺管匯壓力來關(guān)閉剪切閘板防噴器。即使帶增壓器的剪切閘板防噴器，也宜這樣，以提高一次剪切成功率。

1.7 關(guān)井操作程序不同

常規(guī)關(guān)井操作是根據(jù)轉(zhuǎn)盤鉆井或頂驅(qū)鉆井的不同工況，采用“四·七”動作關(guān)井操作程序[4]。而使用剪切閘板防噴器剪斷井內(nèi)鉆桿時應(yīng)遵從GB/T 31033—2014《石油天然氣鉆井井控技術(shù)規(guī)范》要求[5]。按以下程序操作:①確保鉆桿接頭不在剪切閘板防噴器剪切位置后，鎖定鉆機(jī)剎車系統(tǒng)；②關(guān)閉剪切閘板防噴器上面的環(huán)形防噴器；③打開放噴管線閘閥泄壓；④在轉(zhuǎn)盤面上的鉆桿上適當(dāng)位置處安裝相應(yīng)的鉆具死卡，并與鉆機(jī)底座連接固定；⑤打開剪切閘板防噴器上面和下面的半封閘板防噴器；⑥打開遠(yuǎn)程控制臺儲能器旁通閥，關(guān)閉剪切閘板防噴器，直到剪斷井內(nèi)鉆桿；⑦關(guān)閉全封閘板防噴器，控制井口；⑧手動鎖緊全封閘板防噴器和剪切閘板防噴器；⑨關(guān)閉遠(yuǎn)程控制臺儲能器旁通閥，將防噴器遠(yuǎn)程控制臺管匯壓力調(diào)整至常規(guī)值。

2 與合理應(yīng)用不匹配的根源和表現(xiàn)

要能在關(guān)鍵時刻使用好剪切閘板防噴器，有效發(fā)揮其剪切功能和防止次生事故，利于后續(xù)作業(yè)，對井口防噴器的有序配套和設(shè)計(jì)合理安裝位置至關(guān)重要。

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)存在漏洞

在井控設(shè)計(jì)中井口防噴器組的選擇依據(jù)都是油田井控實(shí)施細(xì)則，雖都能根據(jù)地層壓力情況明確防噴器組合形式，根據(jù)井別、地層壓力、井口周圍危險程度、硫化氫含量大小等情況實(shí)行分級管理，確定是否配備剪切閘板防噴器，但有些井控實(shí)施細(xì)則中未明確剪切閘板防噴器的具體安裝位置，如圖2所示在需選用剪切閘板防噴器時給工程設(shè)計(jì)帶來隱患。

2.2 剪切閘板防噴器的設(shè)計(jì)位置存在瑕疵

當(dāng)井控實(shí)施細(xì)則中未明確剪切閘板防噴器的具體安裝位置時，實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)存在將剪切閘板防噴器設(shè)計(jì)安裝于四通之下情況（圖3）。這樣當(dāng)啟動操作剪切閘板防噴器關(guān)井時，只能實(shí)施硬關(guān)井，增加了剪切鉆桿所需的關(guān)井油壓，降低剪切成功率，井口高壓流體沖刺閘板，影響剪后的密封；因剪切閘板防噴器安于四通之下，使其低于地面而置于圓井中，不但維護(hù)保養(yǎng)不便，如采用手動鎖緊，安裝和操作手動鎖緊裝置都不方便；關(guān)井后，無法確定井口壓力數(shù)值，給關(guān)后壓井和及時泄壓都帶來不利。所以將剪切閘板防噴器設(shè)計(jì)安裝于這個位置，存在諸多弊端，影響剪切閘板防噴器的合理操作和使用。

圖2 剪切閘板防噴器安裝位置不明確

圖3 硬關(guān)剪切閘板防噴器

3 規(guī)范剪切閘板防噴器合理應(yīng)用的對策

合理應(yīng)用好剪切閘板防噴器是多方參與、涉及多環(huán)節(jié)的系統(tǒng)工程，必須從系統(tǒng)觀點(diǎn)出發(fā)，堅(jiān)持以標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，以規(guī)范、細(xì)則為準(zhǔn)繩，按井控設(shè)計(jì)、應(yīng)急預(yù)案的要求強(qiáng)化監(jiān)督管理，把控好合理應(yīng)用剪切閘板防噴器的本質(zhì)安全操作關(guān)。

3.1 細(xì)化井控實(shí)施細(xì)則

為避免井口防噴器組中剪切閘板防噴器安裝位置的隨意性，應(yīng)細(xì)化井口防噴器組合，根據(jù)油田實(shí)際和剪切閘板防噴器的特殊操作要求，明確規(guī)定好剪切閘板防噴器的具體安裝位置，避免井控設(shè)計(jì)時不合理的應(yīng)用帶來安全隱患。如圖4所示是一種剪切閘板防噴典型的合理安裝位置。

3.2 優(yōu)化井控工程設(shè)計(jì)

井控設(shè)計(jì)是鉆井工程設(shè)計(jì)的重要組成部分。井控設(shè)計(jì)應(yīng)遵從GB/T 31033—2014《石油天然氣鉆井井控技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，按照鉆井井控規(guī)范、井控實(shí)施細(xì)則要求和剪切閘板防噴器的特殊操作規(guī)程，以軟關(guān)井為手段，以能提高啟動剪切閘板防噴器時的剪切成功率和密封性能為首要目標(biāo)，優(yōu)化剪切閘板防噴器在井口防噴器組中的最佳位置，同時對相應(yīng)鉆桿尺寸的死卡提出配套要求。

圖4 剪切閘板防噴器典型安裝位置

3.3 明確決策和指揮程序

因啟動操作剪切閘板防噴器后，被剪后的上部鉆具在井口壓力作用下存在上竄危險，在做好相關(guān)防護(hù)和啟動相應(yīng)預(yù)案程序同時，應(yīng)確保值班隊(duì)長行使現(xiàn)場決策指揮權(quán)的統(tǒng)一性。

3.4 注重關(guān)井操作程序培訓(xùn)

在現(xiàn)場檢查和調(diào)研中發(fā)現(xiàn)有些井隊(duì)干部和作業(yè)班組關(guān)鍵崗位人員對啟動操作剪切閘板防噴器程序不了解，以為與操作啟動半封閘板防噴器一樣按“四·七”動作來實(shí)施關(guān)井操作程序。應(yīng)積極宣貫GB/T 31033—2014《石油天然氣鉆井井控技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，按剪切閘板防噴器在井口防噴器組中具體位置，制定相應(yīng)的關(guān)井操作程序并定期培訓(xùn)。

3.5 完善應(yīng)急預(yù)案

對安裝有剪切閘板防噴器的井，應(yīng)強(qiáng)化現(xiàn)場過程監(jiān)督，通過制定完整的剪切閘板防噴器關(guān)井操作、決策指揮、配套處置程序，來完善井控應(yīng)急預(yù)案。

[1]張耀明.剪切閘板在井噴失控?fù)岆U中的成功運(yùn)用[J].鉆采工藝,2001,24(1)：66-71.

[2]楊永寧,趙榮軍,孟憲寧,等,液壓防噴器剪切閘板的設(shè)計(jì)[J].石油礦場機(jī)械,2002,31(5)：31-33.

[3]黃顯萍.剪切閘板防噴器工作機(jī)理分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)[D].成都：西南石油大學(xué),2014.

[4]中國石油化工集團(tuán)公司井控培訓(xùn)教材編寫組.鉆井井控設(shè)備[M].北京：中國石油大學(xué)出版社,2008.

[5]全國石油天然氣標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.石油天然氣鉆井井控技術(shù)規(guī)范:GB/T 31033—2014[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2015.

Based on the analysis of the particularity of the use of the ram blowout preventer,it is pointed out that in practice,some draw?backs in the position design of the ram blowout preventer will influence the reasonable use of it.In order to normatively and reasonably use the shearing ram-type blowout preventer,some improvement suggestions are put forward from well control implementation rules,en?gineering design,shut-in decision-making and command,training of shut-in operation procedure and the improvement of well control emergency plan.

shearing ram-type blowout preventer;shut-in procedure；well control design;soft shut-in

王梅

2017-04-07

汪光太（1966-），男，高級工程師，主要從事水平井技術(shù)研究、工程技術(shù)服務(wù)和監(jiān)督技術(shù)管理工作。