高壓油氣層溢流關井后井內鉆具防上頂技術措施探討與研究

余孟宸

摘要：本文旨在探討利用井口防噴器自身具備的開關快速、承壓能力高的特點作為發生險情時優先使用的鉆具防上頂技術措施。快捷、高效、安全地控制井口鉆具被頂出井口，避免險情進一步擴大化。

關鍵字：鉆井井控事故、鉆具上頂、液壓防噴器

一、 選題背景

在鉆井生產過程中，鉆遇異常高壓地層或鉆井液密度設計偏低等因素發生溢、流關井后，環空壓力不斷升高，對井內鉆具形成上頂力并逐漸增大，尤其在下鉆初期和起鉆后期鉆具重量較輕時，當上頂力超過鉆具自重時就會發生將鉆具頂出井口的嚴重鉆井井控事故。

二、 溢流關井后鉆具上頂原因及計算

鉆具上頂力的原因是當鉆井液柱壓力不足以平衡地層壓力關井后，地層壓力與鉆井液柱壓力差值作用在鉆頭截面積上或被氫脆斷裂鉆具斷面截面上而產生的將井內鉆具整體向井口方向上推的作用力。

實例：某井井底壓力反算： （上頂力根據當時指重表最大減小值110t計算）

鉆具組合：

Φ215.9mm牙輪鉆頭+雙母接頭+浮閥1只+Φ158.8光鉆鋌×9.1m+Φ158.8箭型回壓閥2只+Φ158.8光鉆鋌×185.12m+轉換接頭+18°Φ127斜坡鉆桿×4489.64m+下旋塞1只+箭型回壓閥1只+18°Φ127mm斜坡鉆桿+方保+下旋塞+Φ133mm六方鉆桿。

158.8mm光鉆鋌重量1.367KN/m 氣體中浮重 1.257KN/m

Φ127mm 斜坡鉆桿 重量0.2946KN/m 氣體中浮重 0.2693 KN/m

瞬時沖擊上頂時截面積（按鉆頭截面積計算）： 0.0366m2 ，

瞬時沖擊上頂時截面積（按鉆鋌截面積計算）： 0.0198m2

上頂力達1100KN時的井底瞬間壓力（按鉆頭截面積計算） ： 30MPa，

上頂力達1100KN時的井底瞬間壓力（按鉆鋌截面積計算）： 55.5 MPa

極端情況假設：

某油氣田屬高含硫區域，目前該區域的鉆井生產過程普遍配套使用壓力級別為70MPa的封井器（35-70），我們假設含硫油氣已上竄至井口，關井套壓達到了封井器安全工作壓力上限且鉆具在井口發生了氫脆斷裂。我們以5”鉆具在井口為例來計算上頂力：

5”鉆具斷面橫截面積：

截面上所受到的上頂力：

由上述計算可以得知鉆具在井口發生氫脆斷裂的情況下（鉆具重量忽略不計）環空極限壓力對鉆具產生的極限上頂力約為90.7T。

三、 針對用關閉防噴器來防頂現場提出兩大疑慮的解釋

1.防噴器自身有多大承戴能力

防噴器受力相關標準及規范GB20174-2006、鉆通設備API16A 2004中：

附錄C 操作性能試驗程序

C 4.2 懸吊試驗

C 4.2.4.4 將模擬鉆桿接頭提起，使其 18o 臺肩緊挨在閘板的正上方。以制造商推薦的關閉壓力關閉閘板抱住鉆桿。

C 4.2.4.6 在 1.4 Mpa 至 2.1 MPa（200 psi 至 300 psi）和防噴器最大工作壓力下進行試驗。

C 4.2.4.6 將井壓降至零，逐級增加載荷。對于每一次載荷增量，重復 C.2.4.5 試驗，直到閘板密封出現泄漏或對于 125 mm（5 in）或更大鉆桿，載荷達到 2.7 MN（600 000 lb），或對于小于125 mm（5in）的鉆桿，載荷達到 2.0 MN（440 000 lb）。

C 4.2.4.6 在僅靠防噴器的鎖定機構維持閘板關閉狀態的情況下，重復C.2.4.5至C.2.4.6的操作

從懸吊試驗對比分折 11〞以上防噴器用5〞18°斜坡鉆桿，懸吊噸位可達 272 T。 11〞以下防噴器用3 1/2〞18°斜坡鉆桿，懸吊200T是設備應具備的功能。雖然在鉆具防頂上沒有具體要求，但對于鉆桿公接頭上部斜坡角為35°（>18°）來說，封井器閘板反向受力也同樣適用。

典型案例：某油田出現過因人員操作失誤關井后將鉆具（3 1/2”鉆桿）提斷的事故，據錄井隊儀器顯示，提斷鉆具時的噸位均達到了150T左右，后經檢查， 防噴器閘板密封均未受到損壞。

2. 防噴器在關閉后上下活動鉆具閘板膠芯是否會損壞

防噴器活動鉆具有相關標準及規范GB20174-2006、鉆通設備API 16A 2004中

強行起下鉆壽命試驗

C 2.6.3.對于 279 mm（11 in）及更大通徑的防噴器，用一根外徑127 mm（5 in）（不帶鉆桿接頭）的試驗芯軸；對于228 mm（9 in）及更小通徑的防噴器，用一根外徑88.9 mm（3 1/2 in）（不帶鉆桿接頭）的試驗芯軸。

C 2.6.4. 井壓為 6.89 MPa（1000 psi）的情況下，以制造商推薦的最小關閉壓力加上 0.69 MPa（100 psi）（摩擦效應）作為初始的關閉壓力。在用此壓力關閉閘板抱住試驗芯軸后，施加 6.89 MPa（ 1 000psi）井內壓力，降低關閉壓力直到防噴器滲漏率小于4 L/min（1 gal/min）（以濕潤試驗芯軸外壁）為止。

C 2.6.5. 使試驗芯軸以 600 mm/s（2 ft/s）的速度作往復運動，直到相當于 9.1 m（30 ft）長的管子強行通過閘板密封件為止。

C 2.6.8.重復 C.2.6.4 至 C.2.6.6，直到滲漏率超過 4 L/min（1 gal/min），或相當于 15000 m（50000ft）的鉆桿穿過密封元件。

從上面試驗對比分折現場只對所關閉的鉆桿上提幾米是不會對閘板膠心造成損壞的

四、 防噴器法防鉆具上頂措施的優勢和推薦做法

與傳統鉆具死卡和鋼絲繩組合預防鉆具上頂措施相比，防噴器法防鉆具上頂措施具有快速、高效、安全等多方面優勢，操作無異于用防噴器關井且鉆具被閘板封芯環抱，受力更為均勻，最大可能避免發生鉆具因上頂力噴出井口的井控險情，同時還能保證作業人員的人身安全。

推薦操作程序：

1. 根據工況，按“四七”動作進行關井操作；

2. 確認防噴器半封閘板距鉆臺轉盤面的距離；（這個距離在防噴器安裝好后就應確認好并讓正副司鉆牢記）

3. 發生溢流關井，關閉半封后慢慢上提鉆具使井口鉆桿公接頭的根部盡量接近閘板封芯的下端面；