沙漠快速移運(yùn)鉆機(jī)井控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王蘭，牛敏，侯文輝，張革民，李亞輝，任鋼峰

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

沙漠油田的勘探和開發(fā)慢慢地朝著深井發(fā)展，對(duì)井控系統(tǒng)的要求也隨之提高，目前國(guó)內(nèi)外提供沙漠井控系統(tǒng)的單元產(chǎn)品比較多，但對(duì)整個(gè)井控系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的公司相對(duì)較少。針對(duì)中東地區(qū)對(duì)沙漠快速移運(yùn)鉆機(jī)井控設(shè)備的需求，2009年寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)開發(fā)了井控系統(tǒng)，已為阿聯(lián)酋國(guó)家鉆井公司和沙特鉆井公司提供了50多套井控設(shè)備。中東地區(qū)作業(yè)條件為：環(huán)境溫度為0～55 ℃, 濕度為100%，H2S體積分?jǐn)?shù)≤35%，CO2體積分?jǐn)?shù)≤10%，適用于油基鉆井液要求[1]。因此對(duì)于防噴器及閥組等設(shè)備要求很高?？刂葡到y(tǒng)要求采用電控氣-氣控液方式，并且控制系統(tǒng)在無外部動(dòng)力源時(shí)儲(chǔ)能器瓶組中的儲(chǔ)能液能依次進(jìn)行關(guān)閉整個(gè)防噴器組、打開整個(gè)防噴器組、再關(guān)閉整個(gè)防噴器組動(dòng)作，即防噴器組“關(guān)-開-關(guān)”操作。寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)的該井控系統(tǒng)具有移運(yùn)快速、操作簡(jiǎn)單、安全性高等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)不間斷節(jié)流和壓井，可作為一種典型沙漠鉆機(jī)井控系統(tǒng)，對(duì)于應(yīng)用在沙漠中的鉆井系統(tǒng)很有價(jià)值意義。

1 技術(shù)分析

1.1 總體方案

沙漠快移鉆機(jī)井控系統(tǒng)總體方案如圖1和圖2所示，本方案是以7000 m井深和阿聯(lián)酋沙漠地區(qū)油田及中東地區(qū)油田情況為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)井控系統(tǒng)，采用13 5/8-70 MPa防噴器組、節(jié)流管線閥組和壓井管線閥組。給13 5/8-70 MPa防噴器組在鉆機(jī)底座上設(shè)計(jì)儲(chǔ)存座和防噴器組快移裝置，防噴器組快移裝置由導(dǎo)軌、移動(dòng)小車、儲(chǔ)存架和整體吊裝架等組成。防噴器組中的兩個(gè)四通側(cè)口分別安裝兩個(gè)節(jié)流管線閥組和兩個(gè)壓井管線閥組，并且兩個(gè)節(jié)流管線閥組和兩個(gè)壓井管線閥組各自內(nèi)部可互通，實(shí)現(xiàn)一用一備。遠(yuǎn)程控制單元采用電控氣-氣控液方式，設(shè)計(jì)了司鉆控制箱和隊(duì)長(zhǎng)房控制箱，安裝四位一體報(bào)警系統(tǒng)，并且在遠(yuǎn)程控制單元無外部動(dòng)力源下，儲(chǔ)能器瓶組的儲(chǔ)能液能對(duì)防噴器組依次實(shí)現(xiàn)“關(guān)-開-關(guān)”操作，不間斷動(dòng)力系統(tǒng)（UPS）作為遠(yuǎn)程控制單元備用動(dòng)力源，用管排和液壓軟管把遠(yuǎn)程控制單元和防噴器組連接在一起，管排連接處設(shè)計(jì)了集油盤，可實(shí)現(xiàn)零排放。

圖1 防噴器組儲(chǔ)存及移運(yùn)位置示意圖

圖2 沙漠快移鉆機(jī)井控系統(tǒng)方案圖

防噴器組儲(chǔ)存座設(shè)計(jì)在底座側(cè)面，當(dāng)不使用防噴器組時(shí)，防噴器組坐放在移動(dòng)小車上，并儲(chǔ)放在該處，可隨鉆機(jī)一起移運(yùn)，當(dāng)防噴器組要安裝到井口時(shí)，先在此處進(jìn)行防噴器組試壓，試壓完成后，通過導(dǎo)軌上的移動(dòng)小車把防噴器組移運(yùn)到井口側(cè)中心處，再使用防噴器組移運(yùn)裝置掛上整體吊裝架，把防噴器組吊裝移運(yùn)到井口上，進(jìn)行防噴器組井口安裝。當(dāng)進(jìn)行防噴器組井口拆卸時(shí)，按前面描述的反過程進(jìn)行操作。遠(yuǎn)程控制單元底座設(shè)計(jì)為自備撬結(jié)構(gòu)，當(dāng)移動(dòng)時(shí)，可采用拖車進(jìn)行，管線槽可進(jìn)行拖拉方式移運(yùn)。

1.2 井控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

如圖1和圖2所示，沙漠快移鉆機(jī)井控系統(tǒng)主要由13 5/8-70 MPa防噴器組[2～5]、節(jié)流和壓井管線閥組、管排、液壓軟管、遠(yuǎn)程控制單元、不間斷動(dòng)力系統(tǒng)（UPS）、遠(yuǎn)程操作控制纜、隊(duì)長(zhǎng)房控制箱、司鉆房控制箱、快速整體吊裝架和防噴器組快移裝置等組成。

13 5/8-70 MPa防噴器組包括1個(gè)單閘板防噴器、1個(gè)雙閘板防噴器、1個(gè)環(huán)形防噴器，2個(gè)四通、2個(gè)四通側(cè)口節(jié)流管線閥組和2個(gè)四通側(cè)口壓井管線閥組。閘板防噴器采用喀麥隆U形結(jié)構(gòu)防噴器，此U形結(jié)構(gòu)防噴器目前在全球陸上油田比較受歡迎，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、維護(hù)方便等特點(diǎn)。環(huán)形防噴器采用GK型防噴器，該防噴器也具有可靠性高、橡膠使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，并在環(huán)形防噴器本體上設(shè)計(jì)有儲(chǔ)能器瓶，作業(yè)時(shí)鉆柱接頭過防噴器膠芯可進(jìn)行緩沖，保護(hù)防噴器[6]，GK型環(huán)形防噴器得到了大多用戶認(rèn)可。節(jié)流管線閥組由液控閥門、手動(dòng)閥門、檢測(cè)閥和四通組成，兩個(gè)節(jié)流管線閥組分別安裝在兩個(gè)四通側(cè)口上，并用一個(gè)手動(dòng)閥門連接在一起，壓井管線閥組由液控閥門、手動(dòng)閥門和四通組成，兩個(gè)壓井管線閥組分別安裝在兩個(gè)四通側(cè)口上，同樣采用一個(gè)手動(dòng)閥門連接在一起。

遠(yuǎn)程控制單元由拖撬單元、儲(chǔ)能器瓶組、油箱、電動(dòng)泵、氣動(dòng)泵、控制器、四位一體報(bào)警系統(tǒng)、壓力表、管匯、控制閥、電器和管線等組成[5]。

防噴器組內(nèi)各單元部件和井液接觸通道堆焊防高濃度H2S耐腐蝕合金材料，目前在國(guó)外該工藝技術(shù)已很成熟，在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)也取得了很大進(jìn)步，可很好地完成直通道堆焊和加工，但在相互垂直的兩通道交匯堆焊處，其質(zhì)量和工藝還需要提高[6]。

圖3 節(jié)流管線閥組圖

圖4 壓井管線閥組圖

1.3 沙漠快移鉆機(jī)井控系統(tǒng)主要參數(shù)

防噴器組工作壓力為70 MPa，防噴器組強(qiáng)度試驗(yàn)壓力為105 MPa，防噴器組公稱通徑為φ346 mm，防噴器組工作溫度為-29～121 ℃，防噴器組適應(yīng)介質(zhì)為含H2S的油、氣、水、泥漿，控制單元系統(tǒng)壓力為21 MPa，控制單元工作溫度為0～55 ℃。

1.4 防噴器組遠(yuǎn)程控制單元裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)客戶要求，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的儲(chǔ)能器瓶組的儲(chǔ)能液能對(duì)防噴器組依次實(shí)現(xiàn)“關(guān)-開-關(guān)”操作，并且防噴器組遠(yuǎn)程控制單元的設(shè)計(jì)不能低于API Spec 16D標(biāo)準(zhǔn)的要求[7-9]。

防噴器組遠(yuǎn)程控制單元的設(shè)計(jì)與防噴器組的配置相關(guān)，關(guān)于蓄能器瓶組容積、各個(gè)設(shè)備能力及控制對(duì)象數(shù)量由防噴器組的配置決定，防噴器組中各個(gè)防噴器及控制閥主要數(shù)據(jù)如表1[8-11]所示。

表1 防噴器及閥控制開關(guān)液量數(shù)據(jù)表

1.4.1 蓄能器系統(tǒng)計(jì)算

根據(jù)API-16D標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及國(guó)內(nèi)井控設(shè)備相關(guān)規(guī)范要求，按水上蓄能器組計(jì)算方法A計(jì)算如下：式中：FVR為功能液量要求；BV為蓄能器容積（氮?dú)夂蛪毫σ海?；VE為容積率，即可用流體的體積與蓄能器中氣體體積的比值；VEv為在容積極限情況下的VE；VEp為在壓力極限情況下的VE。

在泵不工作、井筒壓力為零的情況下，蓄能器容積最低功能液量應(yīng)滿足防噴器組從全開狀態(tài)到完全關(guān)閉所需液量的100%的要求，包括關(guān)閉一個(gè)環(huán)形防噴器和防噴器組中的所有閘板防噴器的液量，以及打開防噴器組一側(cè)的節(jié)流閥或壓井閥的液量，但根據(jù)沙漠鉆機(jī)技術(shù)要求，對(duì)環(huán)形、單閘板和雙閘板防噴器分別依次進(jìn)行“關(guān)（環(huán)、單、雙）-開（環(huán)、單、雙）-關(guān)（環(huán)、單、雙）”動(dòng)作3次。同時(shí)在實(shí)際使用時(shí)，控制管線中也占用液量，因此FVR=（82.5+39.7+79.4+2）+（73.8+40.5+81）+（82.5+39.7+79.4）+30=630.5 L。式中括號(hào)里的數(shù)字為表1所示的防噴器及閥對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，30為控制管線占用液量。

由式（1）～式（4）得：VEv=0.445，VEp=0.5。在實(shí)際應(yīng)用中，容積率取VEv、VEp中較小值，所以選擇容積極限情況下的VEv=0.445，BV=FVR/VEv=630.5÷0.445=1416.8 L。

1.4.1.2 蓄能器瓶個(gè)數(shù)的確定

根據(jù)蓄能器瓶容積規(guī)格，考慮其在遠(yuǎn)控裝置上的空間排布，選取合適的蓄能器規(guī)格，以確定蓄能器瓶的個(gè)數(shù)。選擇蓄能器瓶規(guī)格為40 L。所需瓶數(shù)≥BV÷蓄能器瓶規(guī)格=1416.8÷40=35.4個(gè)，圓整到36個(gè)。圓整蓄能器個(gè)數(shù)，最后得到圓整后總的蓄能器容積。實(shí)際的蓄能器容積BV=蓄能器瓶個(gè)數(shù)×蓄能器瓶規(guī)格=36×40=1440 L。

1.4.2 確定控制頭數(shù)量

控制頭的數(shù)量為防噴器組中各防噴器對(duì)象所需液壓管線控制油路的總和，系統(tǒng)配置是由環(huán)形、單閘板、雙閘板、節(jié)流閥和壓井閥組成?？刂祁^數(shù)量≥1（環(huán)形）+2（雙閘板）+1（單閘板）+2（節(jié)流閥）+2（壓井閥）=8，因此設(shè)計(jì)8個(gè)控制頭。

1.4.3 液箱尺寸的確定

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，液壓液箱的有效容積至少應(yīng)是蓄能器系統(tǒng)存儲(chǔ)液壓液體積的兩倍。根據(jù)波義耳（Boyle）定律（等溫條件下）得

式中：P1為蓄能器預(yù)充壓力7 MPa；V1為蓄能器初始容積，其值等于BV；P2為蓄能器最終壓力21 MPa；V2為蓄能器最終氣體體積。

由式（5）得V2=BV/3，側(cè)蓄能器系統(tǒng)存儲(chǔ)液壓液體積為2BV/3。因此油箱有效容積=4BV/3=4×1440÷3=1920 L，實(shí)際取油箱有效容積為2000 L。

1.4.4 泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

不同的規(guī)范對(duì)泵的總排量要求不同，但根據(jù)API 16D標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，控制單元需配曲軸柱塞泵系統(tǒng)和氣動(dòng)泵系統(tǒng)等兩套泵系統(tǒng)[7]。在不使用蓄能器的情況下，各套泵系統(tǒng)應(yīng)能在2 min內(nèi)在空井時(shí)關(guān)閉一個(gè)環(huán)形防噴器，同時(shí)打開液動(dòng)節(jié)流閥，并且達(dá)到系統(tǒng)的最小操作壓力值。泵組的總排量應(yīng)能在15 min內(nèi)使整個(gè)蓄能器系統(tǒng)從預(yù)充壓力升至控制系統(tǒng)的額定壓力。蓄能器壓力由預(yù)充壓力7 MPa升至21 MPa所需液量。

通過以上計(jì)算，確定了控制系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)和控制單元型號(hào)，如表2所示。

表2 防噴器組遠(yuǎn)程控制單元裝置計(jì)算結(jié)果

2 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 防噴器組快速移運(yùn)

在移運(yùn)鉆機(jī)底座上設(shè)計(jì)了防噴器組儲(chǔ)放臺(tái)架、液壓移動(dòng)小車和導(dǎo)軌。防噴器組不工作時(shí)，防噴器組坐放在液壓移動(dòng)小車上，并儲(chǔ)放在鉆機(jī)底座側(cè)面臺(tái)架上；當(dāng)防噴器組要到井口工作時(shí)，開啟液壓移動(dòng)小車，將防噴器組沿著導(dǎo)軌移動(dòng)到底座側(cè)中心位置后，利用防噴器組移運(yùn)裝置將防噴器組吊入到井口中心位置。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，防噴器組儲(chǔ)放在臺(tái)架上，能隨鉆機(jī)一起快速移動(dòng)，當(dāng)防噴器組需要到井口工作時(shí)，利用小車能快速到達(dá)井口，使得安裝工作效率大大提高。

2.2 不間斷節(jié)流和壓井

在高H2S地區(qū)，高壓力下H2S對(duì)閥和防噴器破壞很快。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在防噴器組的設(shè)計(jì)中采用雙四通，每個(gè)四通側(cè)口分別裝有節(jié)流控制閥組和壓井閥組，兩個(gè)四通側(cè)口上的節(jié)流控制閥組通過一個(gè)閥相連，壓井閥組也通過一個(gè)閥連接，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一用一備。在工作過程中，當(dāng)一組節(jié)流閥組中有閥壞掉，就可以轉(zhuǎn)換到另一組節(jié)流閥組繼續(xù)使用，壓井閥組也是同樣，因此實(shí)現(xiàn)了不間斷節(jié)流和壓井，該結(jié)構(gòu)已得到阿聯(lián)酋國(guó)家鉆井公司的認(rèn)可，并得到廣泛應(yīng)用。

2.3 控制單元多重保障技術(shù)

在控制單元設(shè)計(jì)中，控制單元中儲(chǔ)能器瓶組能實(shí)現(xiàn)對(duì)防噴器組依次動(dòng)作3次，高于API 16D規(guī)范要求，對(duì)于井控系統(tǒng)安全性更高，也設(shè)計(jì)了2個(gè)20 L的安全氣瓶，在氣源斷氣的情況下，可對(duì)操作控制氣閥進(jìn)行操作，同時(shí)控制單元配有不間斷動(dòng)力系統(tǒng)（UPS），對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)失去主動(dòng)力源（電和氣），控制單元中的不間斷動(dòng)力系統(tǒng)（UPS）可提供2 h以上的電力供控制單元使用。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

目前，50多套井控系統(tǒng)已參與鉆井作業(yè)，并且已完成幾千口井作業(yè)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明，設(shè)計(jì)的井控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、配套齊全、移運(yùn)快捷。安裝防噴器組的液壓移動(dòng)小車在導(dǎo)軌上移運(yùn)時(shí)，導(dǎo)軌梁最大變形約為2 mm，完全在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)；采用的防噴器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，防H2S和CO2效果好。根據(jù)國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)反饋的信息，到現(xiàn)在還沒發(fā)現(xiàn)所使用的防噴器有腐蝕開裂現(xiàn)象；控制單元能夠?qū)Ψ绹娖鹘M和控制閥進(jìn)行“關(guān)-開-關(guān)”3次操作，“關(guān)-開-關(guān)”3次操作完成后，每次蓄能器瓶組壓力表顯示壓力大于8.4 MPa，完全符合設(shè)計(jì)要求。整套井控系統(tǒng)性能良好，可靠性高，符合HSE（健康（Health）、安全（Safety）和環(huán)境（Environment）三位一體的管理體系）的規(guī)范，完全滿足用戶的高使用要求，并且得到用戶好評(píng)。

4 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)的沙漠快速移運(yùn)鉆機(jī)井控系統(tǒng)能滿足環(huán)境溫度為0～55 ℃、濕度為100%的沙漠環(huán)境條件下的鉆井作業(yè)要求，系統(tǒng)中的防噴器能滿足H2S體積分?jǐn)?shù)為35%、CO2體積分?jǐn)?shù)為10%的環(huán)境要求，并且適用于油基鉆井液要求。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)組裝照片

2）控制系統(tǒng)采用電控氣-氣控液方式，并且控制系統(tǒng)在無外部動(dòng)力源下能實(shí)現(xiàn)對(duì)防噴器組及閥組實(shí)現(xiàn)“關(guān)-開-關(guān)”3次操作，不間斷動(dòng)力系統(tǒng)（UPS）和安全氣瓶作為備用動(dòng)力源，使控制系統(tǒng)具有多重保障作用。

3）井控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局合理，操作方便，防噴器組能快速移運(yùn)、控制管排滿足零排放要求，整個(gè)井控系統(tǒng)符合HSE和API（美國(guó)石油學(xué)會(huì)，American Petroleum Institute）相關(guān)規(guī)范，滿足沙漠鉆機(jī)井控設(shè)備的高要求。