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(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部（河北 三河 065201）

鉆井平臺是海上油氣勘探開發(fā)的重要設(shè)施，其中防噴器是鉆完井作業(yè)中井控最關(guān)鍵的設(shè)備之一，而剪切液壓缸及控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)能力，滿足鉆完井作業(yè)安全生產(chǎn)要求，特別是實(shí)現(xiàn)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(tǒng)進(jìn)行升級，單獨(dú)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(diǎn)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(jìn)行分析總結(jié)。

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(chǎn)，其公稱通徑為476.25 mm（″），型號為15K TL 雙聯(lián)閘板水上防噴器，工作壓力105 MPa，雙聯(lián)閘板型號為TL 476.25 mm（″）15K DOUBLE UNIT，并配置標(biāo)準(zhǔn)剪切閘板及液缸。

該鉆井平臺配置的防噴器控制系統(tǒng)由喀麥隆公司生產(chǎn)，型號為TC8195,儲能瓶系統(tǒng)工作壓力21 MPa,經(jīng)減壓閥減壓為105 MPa（即管匯壓力）供操作雙聯(lián)閘板使用。同時，控制系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)最大剪切能力。

根據(jù)喀麥隆702D公告提示，對于該鉆井平臺鉆完井作業(yè)常用的S135 級鉆桿外徑尺寸149.225 mm（″），材質(zhì)壁厚10.54 mm（0.415″），當(dāng)井口壓力為0 時，剪斷該鉆桿所需系統(tǒng)壓力為19.8 MPa；當(dāng)井口壓力為35 MPa 時，剪斷該鉆桿所需系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)中，作業(yè)者目標(biāo)井位預(yù)估井內(nèi)壓力常達(dá)到40.5 MPa，為保證鉆井平臺鉆完井作業(yè)安全生產(chǎn)，降低井控風(fēng)險，需要提高防噴器剪切系統(tǒng)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(tǒng)進(jìn)行升級，單獨(dú)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)API Spec 16D鉆井井口控制設(shè)備及分流設(shè)備控制系統(tǒng)中關(guān)于公稱通徑476.25 mm（″）水上防噴器，對其控制系統(tǒng)要求為[5]：①控制系統(tǒng)應(yīng)能在30 s 內(nèi)關(guān)閉各個閘板防噴器，關(guān)閉環(huán)形防噴器不應(yīng)超過45 s；②泵組的總排量應(yīng)能在15 min 內(nèi)將整個儲能器系統(tǒng)從預(yù)充壓力充壓至系統(tǒng)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(tài)到完全關(guān)閉環(huán)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(cè)的側(cè)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(shè)計系數(shù)，儲能器中剩余液體的計算壓力，應(yīng)大于關(guān)閉一個環(huán)形防噴器、任一閘板防噴器（使用閘板防噴器關(guān)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(cè)的側(cè)向排液閥并使其保持打開狀態(tài)時所需的最小計算操作壓力。

結(jié)合上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求及該鉆井平臺原防噴器產(chǎn)品性能特點(diǎn)，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(tǒng)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(shù)量與整個防噴器系統(tǒng)升級后實(shí)現(xiàn)API Spec 16D關(guān)閉響應(yīng)時間所需剩余容量要求相匹配；③泵系統(tǒng)壓力等級，排量要求與兩項(xiàng)匹配要求相符；④原控制系統(tǒng)和新增剪切助推增壓裝置的控制兼容性和成本最優(yōu)進(jìn)行升級；⑤鉆井平臺可容納的剪切助力及控制系統(tǒng)安裝空間要求；⑥剪切能力、儲能系統(tǒng)容量、泵系統(tǒng)效能等相關(guān)計算和認(rèn)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(guān)、減壓閥、溢流閥（設(shè)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(tǒng)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(tǒng)房內(nèi)，操控面板設(shè)計位置與防噴器控制系統(tǒng)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(nèi)，儲能瓶預(yù)充氮?dú)鈮毫?8 MPa，高壓控制液經(jīng)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(jìn)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(tǒng)氣動控制回路

壓縮空氣（最小0.4 MPa）經(jīng)進(jìn)氣截止閥（常開）、氣動三聯(lián)件、壓力開關(guān)后進(jìn)入兩臺高壓氣泵，為助推增壓裝置儲能瓶補(bǔ)充壓力。當(dāng)系統(tǒng)壓力升至42 MPa 時，空氣回路中的壓力開關(guān)動作，使空氣回路截止，氣動泵停止動作，系統(tǒng)維持42 MPa 壓力；當(dāng)系統(tǒng)壓力降至35 MPa 時，空氣回路中壓力開關(guān)動作，使空氣回路導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)氣泵自動為系統(tǒng)補(bǔ)壓功能?？諝饣芈分邪惭b有旁通閥（常關(guān)），可手動開啟，為系統(tǒng)手動補(bǔ)壓（手動補(bǔ)壓時需注意系統(tǒng)壓力達(dá)到42 MPa 時，需手動關(guān)閉旁通閥），如圖2所示。

圖2 操作系統(tǒng)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(yuǎn)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(dāng)需要進(jìn)行剪切功能測試時（此時不需要35 MPa高壓進(jìn)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(guān)閉剪切功能壓力為10.5 MPa（當(dāng)選擇旁通功能時，壓力為21 MPa）。

2）當(dāng)鉆完井作業(yè)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(guān)閉功能按鈕，此時21 MPa壓力控制液首先進(jìn)入剪切閘板。同時，氣動控制信號進(jìn)入剪切助推裝置控制閥塊模組延時器，經(jīng)過17～20 s延時，空氣壓力信號進(jìn)入助推裝置工作投入換向閥，驅(qū)動閥塊動作，35 MPa 高壓控制液經(jīng)高壓梭閥進(jìn)入剪切閘板液缸，從而實(shí)現(xiàn)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(jìn)行壓力測試，壓力測試合格后進(jìn)行安裝。為防止高壓液體流經(jīng)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(jù)該鉆井平臺原防噴器尺寸、安裝空間等，遵照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求設(shè)計完成。鉆井平臺確定取證范圍是需要廠家發(fā)布COC（Certificates of Compliance）認(rèn)證，以滿足高端作業(yè)者（油公司）對井控設(shè)備的認(rèn)證要求?，F(xiàn)場執(zhí)行安裝后按照FAT（Factory Acceptance Test）進(jìn)行各項(xiàng)測試，為后續(xù)系統(tǒng)測試做好準(zhǔn)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(lián)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(tǒng)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(shè)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(dú)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(jīng)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(dǎo)低壓控制回路，高壓輸入、輸出回路管線用不同顏色進(jìn)行標(biāo)示區(qū)分，便于調(diào)試及后續(xù)使用故障診斷及維修。

3.4 系統(tǒng)功能測試

系統(tǒng)測試前，按照安裝圖紙對連接管線進(jìn)行檢查核對，確保高、低壓管線連接正確，各壓力檢測點(diǎn)功能正常，對連接管線按試壓標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓力測試，合格后按照FAT分步、分段進(jìn)行測試[9-11]。系統(tǒng)整體測試時儲能瓶預(yù)充38 MPa氮?dú)猓▏?yán)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(dú)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(jìn)氣閥，為系統(tǒng)充壓至42 MPa，調(diào)節(jié)減壓閥使管匯壓力為35 MPa。

將控制面板開關(guān)選擇為“投入”狀態(tài)，按下剪切面板“關(guān)閉”功能按鈕，高壓梭閥處壓力表顯示為21 MPa，經(jīng)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(diào)節(jié)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(guān)選擇為“解除”狀態(tài)，按下剪切面板“關(guān)閉”功能按鈕，高壓梭閥處壓力表顯示為21 MPa，經(jīng)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(qū)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(tǒng)各項(xiàng)功能正常，可以實(shí)現(xiàn)剪切閘板對35 MPa控制壓力需求，達(dá)到預(yù)期要求。

4 結(jié)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(yè)安全和效率的技術(shù)。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(tǒng)，減少了升級成本投入，增強(qiáng)了剪切閘板的剪切能力，提高了防噴器的密封性能，擴(kuò)大了防噴器鉆完井作業(yè)適用范圍，真正意義上滿足了105 MPa的設(shè)計工作性能，增強(qiáng)了海洋石油鉆井平臺在國際鉆完井市場上的競爭力。