井下防噴系統及其操作工藝

張偉南　苗強　孟珍

摘 要：隨著深層油氣田的開發利用，在鉆井過程中，發生井涌，井噴概率最大的是鉆進過程，很容易出現著火等重大事故。2010年墨西哥灣石油泄漏就是因為深水地平線的防噴閥未能正常啟動，造成了巨大的經濟損失和環境污染。所以在鉆井過程中，研發出一套能有效進行油氣井壓力及溢流控制系統迫在眉睫。而我們的井下防噴系統，集壓力監測與聲波發生裝置，井下環空防噴器，信號接收與報警發生裝置于一體，可以達到早發現、早處理的井控指導原則，并且較常規的井控操作更容易進行。

關鍵詞：防噴器；系統整合；結構創新

目前，井口控制，井下鉆柱內防噴問題已基本解決。但井下鉆柱外及環空的防噴問題等卻沒能得到有效解決。經計算，井下防噴系統及操作工藝從發現到控制整個過程用時不超過30S，目前世界上還處于研究探索階段。因此，開發一整套監測、預警、傳輸、接收與處理系統，能夠有效地預防井涌和井噴事故的發生。

一、防噴工藝的發展概況

中國的防噴裝置的發展，可以概括為四個階段：第一是“60仿蘇型”，由于其現實可操作性很差，不適合當時的生產力發展，很快被接下來的“70仿羅型”所取代，但是這種型號的防噴工藝密封性和可操作性依舊很差，所以后面陸續研究出來的就是“85型”和“U型”，這兩種防噴工藝都可以達到遠程控制和良好的可操作性。而目前我國的防噴工藝的現狀主要有五個特點：承壓較高/規格很全/結構較新/可靠性差/設備老舊；近年來，隨著淺層油氣田資源被開發殆盡和化石燃料的大量需求，深層陸地和海洋油氣田的開發迫在眉睫，但是目前的防噴工藝不能滿足當前的社會生產力的需求，且一些由于防噴閥未能及時打開而發生重大安全事故致使造成經濟和生態破壞的例子頻出不窮，所以研發一套能有效進行油氣井壓力及溢流控制系統顯得至關重要。

二、井下防噴系統及操作工藝

（一）系統組成

此井下防噴系統由“信號接收與報警發生裝置”“井下環空防噴器”“壓力監測與聲波發生裝置”三個部分組成。“信號接收與報警發生裝置”主要是接收井下傳上來的信號并判斷是否為異常信號從而報警來達到及時封井的作用；“井下環空防噴器”主要是系統接到下方鉆柱坐封的信號之后擠壓防噴器膠筒和環空內止回閥從而有效封隔油井，從而避免井下壓力大于地表壓力造成的井噴和井涌事故。“壓力監測與聲波發生裝置”主要是隨鉆柱下放用來監測鉆頭附近壓力是否為異常值，之后將壓力信號通過兩次爆炸的方式傳到井上的信號接收并做出判斷。

（二）工作原理

在鉆柱本體上安裝有井下環空防噴器，在鉆柱本體鄰近鉆頭的一端設置有至少一個壓力監測與信號發生裝置，頂部的部設置有信號接收及警報發生裝置，且該信號接收及警報發生裝置同壓力監測與信號發生裝置相匹配。防噴器位于中和點以上的位置，處于受拉狀態，，能傳遞較大扭矩，能多次重復使用，實現下放管柱坐封，上提管柱解封，坐封后鉆桿內與環空聯通，利于替重泥漿壓井作業。

（三）井下防噴系統及其操作工藝流程

在鉆井的過程中，當當鉆到油氣層的溶洞或空坑時，若井底的壓力明顯大于當地的地層壓力時，就有可能出現地層流體進入井眼的情況，當大量的地層流體進入井眼時，如果不能及時有效的進行封井作業，就很有可能出現井噴等重大安全事故的發生。我們的井下防噴系統及操作工藝就可以及時有效的避免這種情況的發生。其具體的操作工藝流程：鉆頭鉆進到高壓流體時，壓力監測與聲波發生裝置監測井下壓力值并將該信號與預定程序進行對比，判斷是否為異常值。如果正常，不做處理。如果為異常值，則壓力監測與聲波發生裝置再次發出信號，信號接收與報警發生裝置收到信號，判斷溢流嚴重程度并發出報警信號。接收到信號后，啟動應急響應，自動啟動井控設置，之后下放鉆柱坐封，并打開防噴器導通口，再次將壓力監測信號傳到井口。此時替重泥漿進行壓井作業，將被污染的泥漿壓出。待井底壓力與底層壓力一致時，上提鉆柱解封，繼續鉆進或進行其他動作。

三、與傳統井控工藝的對比

1）將傳統的井口防噴技術移植到井下，將“信號接收與報警發生裝置”“井下環空防噴器”“壓力監測與聲波發生裝置”三個部分按照上中下空間布局，有機地形成一套系統，第一時間發現井底溢流，將信號傳遞到地面，能夠起到早發現，早控制的作用。

2）信號傳輸方式采用雙向傳輸。信號由下到上采用爆炸的方式，而由上到下則采用下放鉆柱作為信號傳輸媒介及動力傳輸的方式。這種方式可以達到快速準確地將井下壓力值傳遞到井上，從發現到控制的整個過程不超過30s。由爆炸替換聲波的優點主要有傳輸功率強大，傳播速度快，傳播距離遠，抗噪能力強，可靠性高等。

3）結構創新。其上下鉆桿間的扭矩傳遞是通過防噴器上下接頭間的花鍵副傳遞，因此能夠承受較大的扭矩，該環空防噴器各部件受力合理，有很高的可靠性。

4）便于重泥漿替換，上提鉆柱解封，建立環空循環通道，即可直接繼續鉆進，且無需更換，可以多次重復利用，極大的節約成本。重新建立新的循環通道，便于后續壓井作業的進行。在重泥漿替換之后，可以快速解封，繼續鉆井。

5）不與常規的鉆井作業工藝相沖突。

四、經濟效益

1）市場價值。隨著淺層油氣田資源的枯竭，深層油氣田陸地和海洋開發市場潛力巨大。目前整套井下防噴系統價值約500萬元。我國在西部地區鉆井，每年以至少200口速度增長，而井深超過5000m的井數約80口，若80口井中有一半需要使用井下防噴器系統，即40口井每年，若每口井使用井下防噴器系統的凈利潤為80萬，則純利潤為3200萬元/年。

2）社會價值。近幾年，鉆井安全防控意識逐步加強，但是井噴事故依舊層出不窮，溢流壓井延誤鉆井工期和井噴失控著火事故頻發，造成巨大的經濟損失和生態破壞。2003年12月23日21時57分，重慶市開縣高橋鎮，由中國石油天然氣集團公司四川石油管理局川東鉆探公司鉆井二公司川鉆12隊承鉆的中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司川東北氣礦羅家16井發生一起井噴特大事故，造成243人死亡（職工2人，當地群眾241人），直接經濟損失9262.71萬元，而導致的間接損失則數以億計。

五、思考與建議

由于雷管爆炸具有不可恢復性，所以導致在使用一段時間后需要更換聲波發生裝置的部分零件。

作者簡介：張偉南（1996-），男，漢族，安徽淮北人，學生，本科，研究方向：海洋石油裝備；苗強（1994-），男，漢族，四川巴中人，學生，本科，研究方向：海洋石油裝備；孟珍（1997-），女，漢族，河南安陽人，學生，本科。