有剪切閘板的井口防噴器組的配套及操作應(yīng)用實(shí)踐*

杜春文,李小兵

(長(zhǎng)慶培訓(xùn)中心,陜西 西安 710600)

0 引 言

閘板防噴器作為實(shí)施油氣井壓力控制的重要裝備,是保證當(dāng)出現(xiàn)井控險(xiǎn)情時(shí)能迅速控制井口的關(guān)鍵井控設(shè)備。剪切閘板防噴器在內(nèi)防噴工具失效、管柱彎曲等因素造成無(wú)法正常關(guān)井的情況下,通過(guò)剪斷井內(nèi)管柱實(shí)施關(guān)井,它是防止井控險(xiǎn)情進(jìn)一步發(fā)展的最后一道屏障。如果缺乏該道屏障,則有可能導(dǎo)致生產(chǎn)作業(yè)發(fā)生災(zāi)難性事故。2003年12月23日,在重慶開(kāi)縣發(fā)生了羅家16H井井噴事故,雖然作業(yè)班組通過(guò)關(guān)閉防噴器成功控制了環(huán)空,但由于鉆柱水眼內(nèi)未安裝鉆具回壓閥,搶裝內(nèi)防噴工具又未成功,未能控制地層流體通過(guò)鉆柱水眼噴出,井口又未配置剪切閘板防噴器,無(wú)法剪斷鉆柱實(shí)施有效關(guān)井。事故導(dǎo)致高含硫化氫氣體大量噴出,造成了243人死亡。因此,剪切閘板防噴器配置對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)作業(yè)顯得尤為重要。為了適應(yīng)不同的作業(yè)情況,井口通常安裝幾個(gè)防噴器,形成防噴器組。剪切閘板防噴器組常作為應(yīng)對(duì)危急情況的關(guān)鍵裝備,要使其能夠安全可靠地完成功能,就必須保證井口裝置正確安裝,控制裝置合理配置,操作人員能夠正確操作。筆者重點(diǎn)對(duì)帶有剪切閘板的井口防噴器組配套不到位存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了介紹,通過(guò)遠(yuǎn)控臺(tái)工作原理的分析,得出及時(shí)制備高壓液壓油的要領(lǐng),以對(duì)井控安全起到一定指導(dǎo)作用。

1 剪切閘板的結(jié)構(gòu)及類型

剪切閘板由上、下兩塊閘板組成,閘板前部有剪切刃,頂部有密封裝置,如圖1所示。閘板前部的剪切刃可以剪斷井內(nèi)管柱,也可以在井內(nèi)沒(méi)有管柱時(shí),當(dāng)全封閘板使用。剪切閘板與普通閘板的安裝位置可以互換,即普通閘板與剪切閘板可以安裝在同型號(hào)的任意一個(gè)閘板腔內(nèi)。

圖1 剪切閘板結(jié)構(gòu)

按照結(jié)構(gòu)的不同,剪切閘板分為兩種:整體式剪切閘板和分體式剪切閘板。整體式剪切閘板的閘板體和剪切刃為一體,如圖2所示。整體式剪切閘板具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn),但剪切刃一旦失效,就必須更換整個(gè)閘板。分體式剪切閘板如圖3所示,它也稱為鑲?cè)行图羟虚l板,剪切刃與閘板體分別獨(dú)立制造,剪切刃鑲裝在閘板體上。閘板體可以配裝各類剪切刃,剪切刃失效后,只需重新裝入新的剪切刃,減少了成本支出。

圖2 整體式剪切閘板 圖3 分體式剪切閘板

按照刀刃結(jié)構(gòu)的不同,剪切閘板可以分為幾種結(jié)構(gòu)形式。

(1) 雙V型刀刃剪切閘板。上下閘板均都是V形刀刃,見(jiàn)圖2。由于V型結(jié)構(gòu)在剪切時(shí),刀刃與管柱的包圍面積大,實(shí)際剪切時(shí)閉合壓力降低,剪切作用力增大。

按照刀體密封結(jié)構(gòu)的不同,雙V型刀刃剪切閘板又有兩種形式,其中一種稱為ISR內(nèi)鎖緊剪切閘板[1],該閘板的密封由頂密封、側(cè)密封及底密封組成。底密封為主要密封。內(nèi)鎖緊剪切閘板如圖4所示。剪切管柱后,下閘板刃口運(yùn)動(dòng)與上閘板底部密封條接觸,壓縮橡膠形成密封。但下閘板在移動(dòng)過(guò)程中,刀刃對(duì)底密封橡膠條有剪切擠壓作用,容易造成橡膠的撕裂損壞。

圖4 內(nèi)鎖緊剪切閘板

另一種稱為DSI剪切閘板[2],如圖5所示。該閘板的密封由頂密封,側(cè)密封,刀刃前端密封組成。上閘板存在凹槽,表面安裝有楔形密封條,下閘板刀刃能夠穿入上閘板中間凹槽內(nèi),刀刃前端表面與密封條緊貼,從而具備良好的刃前密封。

圖5 DSI剪切閘板 圖6 SBR型剪切閘板

(2) 剪切全封型閘板。也稱SBR型剪切閘板,如圖6所示。

上閘板的刀刃呈 V形,下閘板的刀刃為直刃,上閘板中間有凹槽,凹槽中安裝刀刃密封條。剪斷管柱后下閘板進(jìn)入上閘板的凹槽中,擠壓密封條,使刃口密封。該密封屬于靜密封。

(3) W形刀刃剪切閘板。W形刀刃剪切閘板結(jié)構(gòu)示意如圖7所示。該閘板是通過(guò)增加剪切刃的寬度實(shí)現(xiàn)防噴器內(nèi)徑全區(qū)域覆蓋。當(dāng)管柱發(fā)生偏心或彎曲時(shí),剪切刃弧型結(jié)構(gòu)可快速卡住管柱,完成閘板防噴器的剪切功能。該閘板主要考慮其剪切功能,不考慮其封井的作用,因此該閘板上并無(wú)密封件。

圖7 W形刀刃剪切閘板結(jié)構(gòu)示意圖

2 工作原理及剪切機(jī)理

剪切閘板防噴器的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 剪切閘板防噴器結(jié)構(gòu)示意圖

它主要由閘板、殼體、側(cè)門(mén)、液缸、活塞、閘板軸、鎖緊軸等組成。實(shí)施剪切作業(yè)時(shí),通過(guò)液控系統(tǒng)向左右兩個(gè)油缸內(nèi)擠入一定壓力的液壓油,推動(dòng)活塞及閘板軸向井口方向移動(dòng),推動(dòng)上下閘板向中心移動(dòng)并合攏,以實(shí)現(xiàn)管柱剪切或井口密封。

假設(shè)剪切管柱的阻力為R,剪切作業(yè)時(shí)井口壓力為P井,閘板軸的截面積為S,剪切時(shí)液壓油缸的油壓為P油,活塞的截面積為A,鎖緊軸的截面積為f,進(jìn)行剪切時(shí),剪切閘板的受力分析如圖9所示。

圖9 剪切作業(yè)受力分析圖

在不考慮摩擦的情況下,在平衡狀態(tài)下,由圖9的受力分析可以得出:

P油×(A-f)=R+P井×S

(1)

由式(1)可以看出,實(shí)施剪切作業(yè)所需液壓油的油壓除了受防噴器的結(jié)構(gòu)參數(shù)影響外,還受井口壓力和剪切管柱阻力的影響。井口壓力越大,剪切所需液壓油油壓越高;剪切管柱的阻力R主要受管柱規(guī)格、管柱材料的性能,被剪切管柱所受懸重的大小,管柱內(nèi)外壓差的情況等因素的影響。剪切管柱的阻力R越大,剪斷管柱的液壓油油壓越高。

剪切管柱的過(guò)程可分為閘板向井眼方向移動(dòng),剪切刃與管柱接觸,管柱發(fā)生彈性變形、塑性變形、斷裂幾個(gè)階段,如圖10所示。管柱在剪切刃接觸位置出現(xiàn)應(yīng)力集中,隨后不斷擠壓管柱使其產(chǎn)生彈性變形,隨著閘板的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng),管柱進(jìn)入塑性變形階段,閘板繼續(xù)合攏,最終剪斷管柱。

圖10 剪切管柱的過(guò)程示意圖

3 井口防噴器組的配置及功用

井口防噴器組件是緊急情況下用于剪斷井內(nèi)管柱、以防井控險(xiǎn)情進(jìn)一步發(fā)展的井控裝置。經(jīng)過(guò)多年的生產(chǎn)實(shí)踐,行業(yè)內(nèi)對(duì)安裝剪切閘板的情形作了規(guī)定。文獻(xiàn)[3]明確規(guī)定:在含硫油氣井 (地層天然氣中硫化氫含量大于75 mg/m3)、高壓井(地層壓力不小于70 MPa)、高產(chǎn)井(天然氣測(cè)試產(chǎn)量不低于50×104m3/d的氣井,油氣測(cè)試產(chǎn)量當(dāng)量不小于500 t/d的油井)以及區(qū)域探井應(yīng)安裝剪切閘板,并推薦了4種裝有剪切閘板防噴器井口裝置的組合形式,如圖11所示。

圖11 安裝剪切閘板的井口裝置組合形式

從圖11可以看出,以上4種方案中,從(a)～(d)的配置越來(lái)越豐富,井口裝置組合的高度也越來(lái)越高。顯然,方案(a)配置要求最低。但由于受投資成本、鉆臺(tái)底座高度等因素的制約,現(xiàn)場(chǎng)安裝有剪切閘板防噴器的井口裝置組合配置常常出現(xiàn)低于方案(a)的要求,因此存在一定作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 未配置環(huán)形防噴器

環(huán)形防噴器的主要作用是能用膠芯封閉鉆桿、油管、套管等與井口套管形成的不同尺寸的環(huán)空,也可以實(shí)現(xiàn)方鉆桿、取芯筒與套管所形成的不同形狀環(huán)空的封控。為了保證井控安全和井口裝置的組合形式,要保證常規(guī)作業(yè)工況能正常進(jìn)行關(guān)井。未配置環(huán)形防噴器的井口裝置組合形式,存在特殊情況下無(wú)法關(guān)井的情況。例如,在起下鉆柱的過(guò)程中,如果井內(nèi)鉆柱內(nèi)防噴工具失效,此時(shí)需要將鉆柱坐在轉(zhuǎn)盤(pán)面上并搶接鉆具回壓閥,如果這時(shí)井內(nèi)噴勢(shì)比較強(qiáng)烈,可能導(dǎo)致回壓閥無(wú)法成功搶接,從而無(wú)法掛上吊環(huán)。這種情況下,鉆柱懸掛在井口,而且無(wú)法居中。此時(shí)無(wú)論是關(guān)上半封或者下半封,關(guān)井成功的可能性都相當(dāng)?shù)汀Ａ硗?用轉(zhuǎn)盤(pán)進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)時(shí),出現(xiàn)了溢流。正常情況應(yīng)是將方鉆桿提出轉(zhuǎn)盤(pán)面進(jìn)行關(guān)井,但如果由于某種原因無(wú)法將方鉆桿提出轉(zhuǎn)盤(pán)面,且方鉆桿正好處于閘板位置,如果井口裝置組合中無(wú)環(huán)形防噴器,則無(wú)法關(guān)井。

3.2 未配置全封閘板

全封閘板主要用于當(dāng)井內(nèi)無(wú)管柱時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)井口的全封閉。盡管現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)空井的情況比較少,但在剪切管柱后必須要有全封閘板來(lái)實(shí)現(xiàn)封空井。剪切全封一體式閘板防噴器原則上利用剪切閘板剪斷管柱后,可以繼續(xù)把剪切閘板當(dāng)全封閘板使用,實(shí)現(xiàn)空井封井。但現(xiàn)場(chǎng)使用情況表明,剪切全封一體化閘板既要實(shí)現(xiàn)剪切功能,又要實(shí)現(xiàn)全封井口,其功能的可靠性不高,往往出現(xiàn)剪切管柱過(guò)程中的密封失效。2020年6月發(fā)生在某油田的井噴事故,在井口裝置的設(shè)計(jì)中,未要求安裝全封閘板。作業(yè)隊(duì)安裝了剪切全封一體化閘板防噴器,現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)緊急情況后,作業(yè)隊(duì)?wèi)?yīng)用剪切閘板剪斷管柱后,把剪切閘板繼續(xù)當(dāng)作全封閘板使用進(jìn)行關(guān)井,但未能有效關(guān)井,最后演變成井噴失控事故。事后調(diào)查發(fā)現(xiàn)剪斷管柱后,剪切全封一體化閘板的密封失效。

3.3 遠(yuǎn)控臺(tái)配置不合理或安裝不到位

剪切閘板能夠進(jìn)行管柱的剪切作業(yè)并通過(guò)井口防噴器組實(shí)施關(guān)井,這離不開(kāi)遠(yuǎn)控臺(tái)提供的液壓動(dòng)力。遠(yuǎn)控臺(tái)提供的液壓油壓力必須大于剪切管柱時(shí)所需的最小壓力,否則就無(wú)法剪斷管柱。文獻(xiàn)[4]以FZ28-21型防噴器進(jìn)行剪切閘板試驗(yàn),剪切Φ127 mm、29.0 kg/m的E級(jí)、G級(jí)鉆桿時(shí),通過(guò)逐漸降低操作壓力,測(cè)出剪切所需的最低操作壓力分別為11.5 MPa和13.0 MPa。實(shí)驗(yàn)是在井口無(wú)壓,管柱無(wú)內(nèi)壓,管柱基本不承受軸向載荷的情況下測(cè)定的,在實(shí)際作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行剪切作業(yè)時(shí),井口有一定的壓力,管柱受一定的軸向載荷,管柱內(nèi)可能還存在一定充填物,因此實(shí)際剪切的液壓油壓一般都大于實(shí)測(cè)值。某油田在搶險(xiǎn)作業(yè)時(shí)對(duì)Φ127 mm的篩管進(jìn)行剪切作業(yè),控制油壓達(dá)到28 MPa,才完成剪切作業(yè)。眾所周知,遠(yuǎn)控臺(tái)的額定壓力為21 MPa。剪切管柱的控制油壓有可能超過(guò)遠(yuǎn)控臺(tái)的額定壓力,這就需要遠(yuǎn)控臺(tái)具有制備超高壓的能力。目前,現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)隊(duì)伍配置比較多的FKQ遠(yuǎn)控臺(tái)就是利用輔助泵氣泵來(lái)制備超高壓的。但有些FK型號(hào)的遠(yuǎn)控臺(tái)輔助泵為手搖泵,無(wú)法提供超高壓,最多只能提供21 MPa的液壓油,不具備制備超高壓的能力,也就極大可能無(wú)法剪斷管柱。

即使作業(yè)隊(duì)配備的是FKQ系列的遠(yuǎn)控臺(tái),但由于氣泵是輔助泵,往往也存在安裝不到位,氣泵不能發(fā)生效用的情況。如氣泵未接進(jìn)氣管線,或者遠(yuǎn)控臺(tái)安裝好后未對(duì)氣泵進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)。在緊急情況下,要么無(wú)法啟動(dòng)氣泵,要么氣泵運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)泄漏,因而無(wú)法完成超高壓制備的功能。

4 剪切管柱的操作及要求

文獻(xiàn)[3]明確了對(duì)管柱進(jìn)行剪切作業(yè)的操作程序。①確保管柱接頭及加厚部位不在剪切閘板防噴器剪切位置后,鎖定絞車剎車系統(tǒng);②關(guān)閉剪切閘板防噴器以上的半封閘板防噴器和環(huán)形防噴器,打開(kāi)放噴管線泄壓;③打開(kāi)剪切閘板防噴器以下的半封閘板防噴器;④打開(kāi)蓄能器旁通閥,關(guān)閉剪切閘板防噴器,直至剪斷井內(nèi)管柱關(guān)井;若未能剪斷管柱,應(yīng)由氣動(dòng)泵直接增壓,直至剪斷井內(nèi)管柱關(guān)井;⑤關(guān)閉全封閘板防噴器,手動(dòng)鎖緊全封閘板防噴器和剪切閘板防噴器;⑥試關(guān)井。

在實(shí)際剪切作業(yè)過(guò)程中,若在第④步的操作過(guò)程不當(dāng),將造成無(wú)法及時(shí)剪斷管柱的情形。

4.1 電泵增壓作用未充分發(fā)揮

控制剪切閘板防噴器的液壓工作原理簡(jiǎn)圖如圖12所示。電泵啟停受壓力繼電器控制,通常壓力繼電器的調(diào)定壓力為18.5～21 MPa,當(dāng)蓄能器中液壓油的壓力升高到21 MPa時(shí),壓力繼電器控制電泵電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn),當(dāng)蓄能器中液壓油的壓力降到18.5 MPa時(shí),電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),給系統(tǒng)補(bǔ)充油壓。因此,系統(tǒng)壓力始終維持在18.5～21 MPa。假設(shè)剪斷某管柱所需的液壓油壓為20 MPa,當(dāng)打開(kāi)蓄能器旁通閥,關(guān)閉剪切閘板換向閥時(shí),如果蓄能器壓力下降到19 MPa,顯然該壓力高于用壓力繼電器控制的電泵啟動(dòng)的控制壓力18.5 MPa,電泵不會(huì)給系統(tǒng)補(bǔ)壓,表面看來(lái)單獨(dú)靠電泵也就無(wú)法完成剪斷管柱的作業(yè)。

圖12 控制剪切閘板防噴器的液壓工作原理簡(jiǎn)圖

如果此時(shí)能夠讓電泵啟動(dòng),給系統(tǒng)補(bǔ)壓,當(dāng)壓力達(dá)到20 MPa時(shí),就可以完成剪切作業(yè)。這可以通過(guò)調(diào)整遠(yuǎn)控臺(tái)電控箱的主令開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)壓力降到19 MPa時(shí),操作人員將主令開(kāi)關(guān)置于“手動(dòng)”位置,并按下啟動(dòng)按鈕即可實(shí)現(xiàn)電泵的啟動(dòng)并及時(shí)補(bǔ)壓。文獻(xiàn)[5]用實(shí)例驗(yàn)證了此方法的可行性。

4.2 用氣泵制備超高壓操作不當(dāng)

如果依靠電泵補(bǔ)壓仍然無(wú)法剪斷管柱,就需要通過(guò)氣泵制備超高壓(高于系統(tǒng)壓力21 MPa)來(lái)實(shí)現(xiàn)剪斷管柱作業(yè)?？刂萍羟虚l板防噴器的液壓工作原理簡(jiǎn)圖如圖12所示。

正常情況下,氣泵的啟停受壓力繼氣器控制。一般壓力繼氣器調(diào)定壓力為20 MPa。要制備超高壓,就不能用壓力繼氣器控制氣泵啟停,必須打開(kāi)壓力繼氣器旁的氣路旁通閥。由于制備的是超高壓,該壓力值往往超過(guò)蓄能器的工作壓力,此時(shí)必須關(guān)閉蓄能器進(jìn)油截止閥,否則會(huì)造成蓄能器安全閥的開(kāi)啟,造成氣泵無(wú)法制備超高壓的情況。

眾所周知,在氣泵功率一定的情況下,如果需要升壓的液壓油的量越多,在壓力升高值一定的情況下,所需時(shí)間越長(zhǎng)。因此,為了能夠讓氣泵快速給系統(tǒng)升壓,在進(jìn)行剪切作業(yè)時(shí),可以在遠(yuǎn)控臺(tái)上將部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)的換向閥置于中位,以避免該執(zhí)行機(jī)構(gòu)液缸的液壓油也進(jìn)行升壓。

5 結(jié) 語(yǔ)

文中針對(duì)剪切閘板防噴器的剪切刃結(jié)構(gòu)和密封做了介紹;給出了剪切閘板防噴器的工作原理及剪切過(guò)程;對(duì)帶有剪切閘板防噴器井口防噴器組的配套及安裝存在的問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析,通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)控臺(tái)工作原理分析得出制備高壓液壓油的操作,對(duì)實(shí)施有效剪切管柱作業(yè),實(shí)現(xiàn)井控安全有一定指導(dǎo)意義。