深水水上防噴器鉆井技術的水下斷開系統及應用

韓垚堃，蘇堪華，王梓航，馬　凱，劉洪偉

(重慶科技學院 石油與天然氣工程學院，重慶 401331)①

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深水水上防噴器鉆井技術的水下斷開系統及應用

韓垚堃，蘇堪華，王梓航，馬凱，劉洪偉

(重慶科技學院 石油與天然氣工程學院，重慶 401331)①

摘要：由于第五、六代鉆井平臺昂貴的日費以及保養成本，深水水上防噴器(Surface Blowout Preventer，SBOP)鉆井技術得到了廣泛應用。其中，水下斷開系統(Subsea Disconnect System，SDS)是深水SBOP鉆井中的關鍵技術之一。通過量化風險評估理論(A Quantitative Risk Assessment，QRA)對SBOP系統的現場應用進行了風險評估，并根據潛在風險的風險值來設計水下斷開系統的結構尺寸，以保證鉆進過程中的安全與高效。研究了水下斷開系統的控制系統的工作原理、信號傳遞方式和現場應用情況。結果表明：控制系統是水下斷開系統的核心，更加快捷和方便的信號傳遞方式以及處理事故方法是以后研究的關鍵；大尺寸的閘板可以在一定程度上保證高壓隔水管不被折斷以及保證井口穩定性；不同海洋環境載荷下，應使用不同尺寸的閘板。

關鍵詞：深水；鉆井；水下斷開系統；SBOP

常規深水鉆井時，一般選擇將防噴器組(Surface Blowout Preventer，BOP)安裝在海底泥線以上的井口，為了保證作業的完成，需要使用大直徑的隔水管從鉆井平臺連接至水下BOP組，所以需要使用較為先進的第五代或者第六代鉆井平臺，日費約為＄20萬美元。在下入BOP組的過程中，BOP組與海水之間產生壓力波動，當該壓力作用在BOP組時，容易引起BOP組的損壞。需要鋪設幾千米的壓井、節流管匯，當BOP組工作時，由于管線較長，在一定程度上延長了關井時間，這就給鉆井作業帶來了很大的困擾，使深水鉆井的作業費用大幅增加[1]。20世紀90年代末，業界提出了深水水上防噴器(Surface Blowout Preventer)的概念。該技術很好地解決了上述問題，同時降低了對平臺的要求，鉆同樣深的井只需要第三代或者第四代井平臺，平均日費為約$8萬美元。由于該鉆井技術的BOP組安裝在水上，為了保證鉆井過程的安全，該技術使用水下斷開系統，在發生緊急突發狀況時，快速切斷隔水管與海底井口連接的通道。所以，水下斷開系統的使用為增加鉆深提供了可靠的保障。

1水下斷開系統的控制系統及量化風險評估

1.1水下斷開系統

水下斷開系統(Sub Disconnect System，SDS)是深水SBOP鉆井系統重要的組成部分，其作用是當海底發生緊急情況時，切斷高壓隔水管與井口之間的連接并密封井口，起到安全鉆進的作用。典型的SDS的結構如圖1所示，一般由上隔水管連接裝置和下井口連接裝置及U型剪切閘板組成，不同的海域、不同的海底條件適用不同的尺寸。其中，主要斷開工作是由U型閘板來完成，當完成剪切工作時，下井口連接裝置會密封井口并瞬間釋放伸縮隔水管中的壓力。

圖1　水下斷開系統(SDS)結構

1.2SDS控制系統及工作原理

1.2.1控制組件

只有當海底發生緊急情況時，SDS會斷開高壓隔水套管與井口的連接以及密封井口。由于常規的井控工作都由SBOP組來完成，因此沒有鋪設從海面到SDS的液壓輸送管線。

在水下斷開系統上配置了1.64 m3(9×40加侖)活塞式液壓儲能器，此為動力源，可以給斷開系統(SDS)提供足夠的液壓，以完成剪切閘板、鎖緊裝置以及連接裝置的工作。SDS的工作通過2個操作盤并結合復合式管路、電信號、聲波信號以及控制系統來操控。2個操作盤分別是：①大斜度測井房的主控板；②司鉆操作臺。典型的控制系統如圖2所示。

圖2　水下斷開系統(SDS)的控制系統示意

1.2.2控制原理

操作臺發出的電信號的傳遞有2種方式：

1)聲波傳遞。首先是由控制中心發出指令，通過位于水上的聲波發出裝置發出聲波，經過海水，發送到位于SDS上的接收裝置(2個)，然后通過電控制箱來完成SDS的緊急斷開工作，如圖3所示。

2)電信號傳遞。是通過附著在高壓隔水套管的有線通訊系統管線來傳遞信號。

當收到信號時(電信號或者聲波信號)，信號會控制閥門輸出合適的液壓(針對特定的工況)以保證斷開系統的正常工作。

無論是有線通訊系統還是聲波傳遞系統，“連續監測系統”可以監測鉆井的整個控制流程。無論哪一個系統失效，平臺都會發生警報。

當發生特殊緊急情況需要緊急斷開時，司鉆操作臺安裝了一個用于緊急斷開的按鈕，當啟動它時，緊急斷開系統會執行以下操作：

①關閉和鎖緊下剪切閘板。

②關閉和鎖緊上剪切閘板。

③先后解鎖隔水管連接系統。

完成以上3個步驟只需要38 s[2]。

如果發生平臺停電等特殊情況，發電機發出的電會優先通過UPS系統來維護控制系統。

圖3　聲波信號控制系統

1.3SDS量化風險評估

量化風險評估(A quantitative risk assessment)簡稱QRA，通過評估SBOP鉆井技術的潛在風險程度，以提供SDS的U型剪切閘板等組件尺寸的設計條件，并給出工作建議從而達到安全鉆進的目的。QRA認為，以下事故的連續發生就足夠發生井噴事故：

1)進入超壓儲層。

2)由于疲勞或者錨泊系統失效而引起的隔水管斷裂。

3)其他船體對鉆井平臺的撞擊。

事故發生的頻率決定于上述3點事件發生的頻率，同時也和以下3種作業方式有關系：

1)用常規水下BOP組。

2)使用SBOP組。

3)使用帶有水下斷開系統的SBOP組[1]。

針對降低由于高壓隔水套管失效引發的海底環境污染的風險，QRA清楚地強調了2點：①泥線以上必須安裝可以抗最大環境載荷的井口；②泥線以上必須安裝用來切斷隔水管與井口連接的水下斷開系統(SDS)。

在量化風險評估之前，需要進行危險識別(A Hazard Identification)，簡稱HAZID，主要目的是為了識別出在使用SBOP鉆井技術時可能存在的危險條目。主要工作方式是依賴于SDS的聲波控制系統。

2水下斷開系統的應用

深水SBOP鉆井系統經歷了3個發展階段，分別應用在了Sedico 601鉆井平臺、Sedico 602鉆井平臺以及Ocean baroness號鉆井平臺[3]。其中在第3個階段由于應用了水下斷開系統[4-5]，使下深增加到了2 400 m[6]。所以，水下斷開系統的應用對深水SBOP技術的發展起到了里程碑式的作用。

2.11-SHEL-14-RJS井水下斷開系統

1-SHEL-14-RJS井位于BM-C-10區塊，坐落于巴西近海盆地，完井時間為2003-06-05。鉆深5 200 m，水深2 887 m。該井使用水上BOP鉆井技術，水下斷開系統的結構由上到下為：①?346 mm隔水管連接器；②帶有剎車裝置的?346 mm U型剪切閘板(SBR)；③?476.3 mm井口連接器。如圖4所示。

圖4　1-SHEL-14-RJS井水下斷開裝置

該U型剪切閘板(以下簡稱SBR)由卡梅隆公司生產，可以承受70 MPa的壓力，帶有提升和自鎖裝置，SBR的關閉和自鎖裝置是由MUX系統控制，或者借助ROV(Remotely Operated Vehicle)進行人工操作。在SDS的上部和下部都有SBR，這樣可以保證鉆桿的接頭安放在兩閘板之間，當進行斷開工作時，至少有一個SBR可以剪到鉆桿而不會剪到接頭。該水下斷開系統配備了自動鎖緊裝置。

2.2Donggala區塊水下斷開系統

為了實現Donggala區塊的安全鉆進，Total公司與Cameron公司聯合開發了環境安全裝置，主要用途是保證鉆井過程中不發生危險以及保護環境。該環境安全裝置結合前文提到的QRA風險測評的結論，得出該裝置結構從上到下依次為：①?476.3 mm反向套筒連接器；②?476.3 mm U型剪切式閘板；③?476.3 mm套筒連接器。如圖5所示。

圖5　Donggala區塊水下斷開系統

該裝置的3個部分都可以承受70 MPa的壓力，使用?476.3 mm尺寸的主要原因有4點。

1)當波浪或海浪載荷作用在鉆井平臺時，鉆井平臺會產生偏移中心線的位移，從而產生作用于海底井口的彎矩，大尺寸的閘板可以很好地減輕彎矩的影響，防止損壞隔水管。

2)弱化集中應力對海底井口的影響，增加井口穩定性。

3)由于時間倉促，需要在現有設備上進行改造。

4)可以重復使用[1]。

2.3應用于Transocean GSF ArcticⅠ鉆井平臺的水下斷開系統

Transocean GSF ArcticⅠ號鉆井平臺，當使用常規?476.3 mm的常規水下防噴器，則最大作業水深為945 m。但是，當經過常規水下防噴器改造成水上防噴器組時，最大作業水深增加到2 250 m。該水下斷開系統的結構從上到下依次為：①?334.4 mm×10 m隔水管連接裝置；②?334.4 mm×10 m單提升閘板——剪切閘板；③193.7 mm管線；④476.3 mm×10 m液壓連接裝置。結構如圖6所示。

圖6　Transocean GSF ArcticⅠ號鉆井

應用于該平臺的水下斷開系統與以前的斷開系統存在以下2點差異：①使用193.7 mm管線代替傳統的下剪切閘板，優點是當發生緊急情況需要斷開時，能夠更好地起到密封的效果；②SDS上增加了2條動力和液壓管線。優點是不需要ROV，可盡早完成水下斷開工作。和SDS相關的2條管線是永久安裝在船尾，與月池相臨的地方。一般的控制室都是安裝在船尾，這樣通過控制室可以很清楚地看到2條管線的壓力變化[7]。

2.4應用于加蓬和幾內亞沿岸的水下斷開系統

由于資金和裝備的限制，該鉆井公司決定放棄常規水下防噴器組而采用水上防噴器組，這樣既可以保證經濟的節約，又可以保證安全鉆進。該水下斷開系統從上到下的結構為：①?346 mm隔水管連接裝置(15 m)；②?346 mm上剪切閘板(10 m)；③隔離短節；④?346 mm下剪切閘板(10 m)；⑤井口連接裝置。如圖7所示。

圖7　應用于加蓬和幾內亞沿岸的水下斷開系統結構

使用雙閘板的主要原因是當其中一個閘板由于會作用于接頭而不能工作時，另一個閘板可以提供額外的剪切力來保證鉆進的安全進行。該斷開系統的核心系統就是控制系統，該控制系統可以保證聲波傳遞系統、電信號傳遞以及ROV的正常工作[8]。

2.5對比分析

常規深水水下防噴器組(Subsea Blowout Preventer，SSBOP)的剪切斷開工作主要是由下部防噴器組的中間閘板來完成，而SBOP鉆井系統主要由SDS來完成[9-12]，它們之間的對比關系如表1所示。

表1　SSBOP組和SBOP組斷開系統對比分析

由表1可以看出，SDS具有結構簡單、經濟節約的特點，且控制系統可以采用聲波控制方式，這就極大地簡化了控制流程，極大地提高了深水鉆井的安全性。

3結論

1)水下斷開系統的應用為海洋深水鉆井提供了安全保障，為深海戰略的實施提供了可靠的技術支持。

2)綜合斷開系統的實際應用情況，水下斷開作業一般是由剪切閘板來完成，所以在結構設計方面不會有太大的變化，對控制系統的優化以及管線的合理安排才是水下斷開系統發展的方向。

3)在原有設備上進行改造和創新，仍然是SDS發展的主要手段。

4)對于國產化，建議在國外SDS設計的基礎上，根據我國海域的實際情況，對閘板、連接裝置的尺寸進行設計和優化，并且對于控制系統進行合理簡化，以保證在最短時間內完成剪切工作，保證環境污染最小化和安全、經濟利益最大化。

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[3]蘇堪華，管志川，龍芝輝.深水SBOP鉆井技術及裝備發展現狀[J].石油機械，2010，38(6)：11-15.

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[12]李博，張作龍.深水防噴器組控制系統的發展[J].流體傳動與控制，2008(4)：39-41.

Sub Disconnect System of Surface Blowout Preventer and Application

HAN Yaokun，SU Kanhua，WANG Zihang，MA Kai，LIU Hongwei

(CollegeofPetroleum&GasEgineering，ChongqingUniversityofScienceandTechnology，Chongqing401331，China)

Abstract：The surface blowout preventer (SBOP) has been widely applied due to the expensive and maintain cost of fifth or sixth generation rig.Among them，Subsea Disconnect System (SDS) is one of the key technologies of deepwater drilling.To ensuring the safety and efficiency in the process of drilling，designing size through A Quantitative Risk Assessment (QRA) which used in risk assessment on field application of SBOP and the potential risk value；researching the operating principle，signal transmission mode and field applications about control system of Subsea Disconnect System.It turns out that，control system is the core of SDS.More fast and convenient way of signal transmission and processing method of accident is the key to the future research.Large size of the ram can guarantee that the high pressure marine riser is not broken and the stability of the wellhead；Different size of ram should be used in different ocean environment loads.

Keywords：deep water；drilling；subsea disconnect system；SBOP

中圖分類號：TE951

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.001

作者簡介：韓垚堃(1992-)，男，遼寧盤錦人，碩士研究生，研究方向：油氣井工程，E-mail：hanyaokungreat@163.com。

收稿日期：2015-09-28

文章編號：1001-3482(2016)02-0001-05