沙漠快速移運鉆機井控系統的設計與應用

王蘭，牛敏，侯文輝，張革民，李亞輝，任鋼峰

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

沙漠油田的勘探和開發慢慢地朝著深井發展，對井控系統的要求也隨之提高，目前國內外提供沙漠井控系統的單元產品比較多，但對整個井控系統集成設計的公司相對較少。針對中東地區對沙漠快速移運鉆機井控設備的需求，2009年寶雞石油機械有限責任公司設計開發了井控系統，已為阿聯酋國家鉆井公司和沙特鉆井公司提供了50多套井控設備。中東地區作業條件為：環境溫度為0～55 ℃, 濕度為100%，H2S體積分數≤35%，CO2體積分數≤10%，適用于油基鉆井液要求[1]。因此對于防噴器及閥組等設備要求很高。控制系統要求采用電控氣-氣控液方式，并且控制系統在無外部動力源時儲能器瓶組中的儲能液能依次進行關閉整個防噴器組、打開整個防噴器組、再關閉整個防噴器組動作，即防噴器組“關-開-關”操作。寶雞石油機械有限責任公司設計的該井控系統具有移運快速、操作簡單、安全性高等特點，能實現不間斷節流和壓井，可作為一種典型沙漠鉆機井控系統，對于應用在沙漠中的鉆井系統很有價值意義。

1 技術分析

1.1 總體方案

沙漠快移鉆機井控系統總體方案如圖1和圖2所示，本方案是以7000 m井深和阿聯酋沙漠地區油田及中東地區油田情況為基礎設計井控系統，采用13 5/8-70 MPa防噴器組、節流管線閥組和壓井管線閥組。給13 5/8-70 MPa防噴器組在鉆機底座上設計儲存座和防噴器組快移裝置，防噴器組快移裝置由導軌、移動小車、儲存架和整體吊裝架等組成。防噴器組中的兩個四通側口分別安裝兩個節流管線閥組和兩個壓井管線閥組，并且兩個節流管線閥組和兩個壓井管線閥組各自內部可互通，實現一用一備。遠程控制單元采用電控氣-氣控液方式，設計了司鉆控制箱和隊長房控制箱，安裝四位一體報警系統，并且在遠程控制單元無外部動力源下，儲能器瓶組的儲能液能對防噴器組依次實現“關-開-關”操作，不間斷動力系統（UPS）作為遠程控制單元備用動力源，用管排和液壓軟管把遠程控制單元和防噴器組連接在一起，管排連接處設計了集油盤，可實現零排放。

圖1 防噴器組儲存及移運位置示意圖

圖2 沙漠快移鉆機井控系統方案圖

防噴器組儲存座設計在底座側面，當不使用防噴器組時，防噴器組坐放在移動小車上，并儲放在該處，可隨鉆機一起移運，當防噴器組要安裝到井口時，先在此處進行防噴器組試壓，試壓完成后，通過導軌上的移動小車把防噴器組移運到井口側中心處，再使用防噴器組移運裝置掛上整體吊裝架，把防噴器組吊裝移運到井口上，進行防噴器組井口安裝。當進行防噴器組井口拆卸時，按前面描述的反過程進行操作。遠程控制單元底座設計為自備撬結構，當移動時，可采用拖車進行，管線槽可進行拖拉方式移運。

1.2 井控系統的結構組成

如圖1和圖2所示，沙漠快移鉆機井控系統主要由13 5/8-70 MPa防噴器組[2～5]、節流和壓井管線閥組、管排、液壓軟管、遠程控制單元、不間斷動力系統（UPS）、遠程操作控制纜、隊長房控制箱、司鉆房控制箱、快速整體吊裝架和防噴器組快移裝置等組成。

13 5/8-70 MPa防噴器組包括1個單閘板防噴器、1個雙閘板防噴器、1個環形防噴器，2個四通、2個四通側口節流管線閥組和2個四通側口壓井管線閥組。閘板防噴器采用喀麥隆U形結構防噴器，此U形結構防噴器目前在全球陸上油田比較受歡迎，具有結構簡單、可靠性高、維護方便等特點。環形防噴器采用GK型防噴器，該防噴器也具有可靠性高、橡膠使用壽命長等特點，并在環形防噴器本體上設計有儲能器瓶，作業時鉆柱接頭過防噴器膠芯可進行緩沖，保護防噴器[6]，GK型環形防噴器得到了大多用戶認可。節流管線閥組由液控閥門、手動閥門、檢測閥和四通組成，兩個節流管線閥組分別安裝在兩個四通側口上，并用一個手動閥門連接在一起，壓井管線閥組由液控閥門、手動閥門和四通組成，兩個壓井管線閥組分別安裝在兩個四通側口上，同樣采用一個手動閥門連接在一起。

遠程控制單元由拖撬單元、儲能器瓶組、油箱、電動泵、氣動泵、控制器、四位一體報警系統、壓力表、管匯、控制閥、電器和管線等組成[5]。

防噴器組內各單元部件和井液接觸通道堆焊防高濃度H2S耐腐蝕合金材料，目前在國外該工藝技術已很成熟，在國內生產也取得了很大進步，可很好地完成直通道堆焊和加工，但在相互垂直的兩通道交匯堆焊處，其質量和工藝還需要提高[6]。

圖3 節流管線閥組圖

圖4 壓井管線閥組圖

1.3 沙漠快移鉆機井控系統主要參數

防噴器組工作壓力為70 MPa，防噴器組強度試驗壓力為105 MPa，防噴器組公稱通徑為φ346 mm，防噴器組工作溫度為-29～121 ℃，防噴器組適應介質為含H2S的油、氣、水、泥漿，控制單元系統壓力為21 MPa，控制單元工作溫度為0～55 ℃。

1.4 防噴器組遠程控制單元裝置設計

根據客戶要求，遠程控制系統中的儲能器瓶組的儲能液能對防噴器組依次實現“關-開-關”操作，并且防噴器組遠程控制單元的設計不能低于API Spec 16D標準的要求[7-9]。

防噴器組遠程控制單元的設計與防噴器組的配置相關，關于蓄能器瓶組容積、各個設備能力及控制對象數量由防噴器組的配置決定，防噴器組中各個防噴器及控制閥主要數據如表1[8-11]所示。

表1 防噴器及閥控制開關液量數據表

1.4.1 蓄能器系統計算

根據API-16D標準規范及國內井控設備相關規范要求，按水上蓄能器組計算方法A計算如下：式中：FVR為功能液量要求；BV為蓄能器容積（氮氣和壓力液）；VE為容積率，即可用流體的體積與蓄能器中氣體體積的比值；VEv為在容積極限情況下的VE；VEp為在壓力極限情況下的VE。

在泵不工作、井筒壓力為零的情況下，蓄能器容積最低功能液量應滿足防噴器組從全開狀態到完全關閉所需液量的100%的要求，包括關閉一個環形防噴器和防噴器組中的所有閘板防噴器的液量，以及打開防噴器組一側的節流閥或壓井閥的液量，但根據沙漠鉆機技術要求，對環形、單閘板和雙閘板防噴器分別依次進行“關（環、單、雙）-開（環、單、雙）-關（環、單、雙）”動作3次。同時在實際使用時，控制管線中也占用液量，因此FVR=（82.5+39.7+79.4+2）+（73.8+40.5+81）+（82.5+39.7+79.4）+30=630.5 L。式中括號里的數字為表1所示的防噴器及閥對應數據，30為控制管線占用液量。

由式（1）～式（4）得：VEv=0.445，VEp=0.5。在實際應用中，容積率取VEv、VEp中較小值，所以選擇容積極限情況下的VEv=0.445，BV=FVR/VEv=630.5÷0.445=1416.8 L。

1.4.1.2 蓄能器瓶個數的確定

根據蓄能器瓶容積規格，考慮其在遠控裝置上的空間排布，選取合適的蓄能器規格，以確定蓄能器瓶的個數。選擇蓄能器瓶規格為40 L。所需瓶數≥BV÷蓄能器瓶規格=1416.8÷40=35.4個，圓整到36個。圓整蓄能器個數，最后得到圓整后總的蓄能器容積。實際的蓄能器容積BV=蓄能器瓶個數×蓄能器瓶規格=36×40=1440 L。

1.4.2 確定控制頭數量

控制頭的數量為防噴器組中各防噴器對象所需液壓管線控制油路的總和，系統配置是由環形、單閘板、雙閘板、節流閥和壓井閥組成。控制頭數量≥1（環形）+2（雙閘板）+1（單閘板）+2（節流閥）+2（壓井閥）=8，因此設計8個控制頭。

1.4.3 液箱尺寸的確定

根據行業標準規范要求，液壓液箱的有效容積至少應是蓄能器系統存儲液壓液體積的兩倍。根據波義耳（Boyle）定律（等溫條件下）得

式中：P1為蓄能器預充壓力7 MPa；V1為蓄能器初始容積，其值等于BV；P2為蓄能器最終壓力21 MPa；V2為蓄能器最終氣體體積。

由式（5）得V2=BV/3，側蓄能器系統存儲液壓液體積為2BV/3。因此油箱有效容積=4BV/3=4×1440÷3=1920 L，實際取油箱有效容積為2000 L。

1.4.4 泵系統的設計

不同的規范對泵的總排量要求不同，但根據API 16D標準規范要求，控制單元需配曲軸柱塞泵系統和氣動泵系統等兩套泵系統[7]。在不使用蓄能器的情況下，各套泵系統應能在2 min內在空井時關閉一個環形防噴器，同時打開液動節流閥，并且達到系統的最小操作壓力值。泵組的總排量應能在15 min內使整個蓄能器系統從預充壓力升至控制系統的額定壓力。蓄能器壓力由預充壓力7 MPa升至21 MPa所需液量。

通過以上計算，確定了控制系統的主要數據和控制單元型號，如表2所示。

表2 防噴器組遠程控制單元裝置計算結果

2 技術創新點

2.1 防噴器組快速移運

在移運鉆機底座上設計了防噴器組儲放臺架、液壓移動小車和導軌。防噴器組不工作時，防噴器組坐放在液壓移動小車上，并儲放在鉆機底座側面臺架上；當防噴器組要到井口工作時，開啟液壓移動小車，將防噴器組沿著導軌移動到底座側中心位置后，利用防噴器組移運裝置將防噴器組吊入到井口中心位置。對于這種結構，防噴器組儲放在臺架上，能隨鉆機一起快速移動，當防噴器組需要到井口工作時，利用小車能快速到達井口，使得安裝工作效率大大提高。

2.2 不間斷節流和壓井

在高H2S地區，高壓力下H2S對閥和防噴器破壞很快。對于這種結構設計，在防噴器組的設計中采用雙四通，每個四通側口分別裝有節流控制閥組和壓井閥組，兩個四通側口上的節流控制閥組通過一個閥相連，壓井閥組也通過一個閥連接，這樣就可以實現一用一備。在工作過程中，當一組節流閥組中有閥壞掉，就可以轉換到另一組節流閥組繼續使用，壓井閥組也是同樣，因此實現了不間斷節流和壓井，該結構已得到阿聯酋國家鉆井公司的認可，并得到廣泛應用。

2.3 控制單元多重保障技術

在控制單元設計中，控制單元中儲能器瓶組能實現對防噴器組依次動作3次，高于API 16D規范要求，對于井控系統安全性更高，也設計了2個20 L的安全氣瓶，在氣源斷氣的情況下，可對操作控制氣閥進行操作，同時控制單元配有不間斷動力系統（UPS），對于現場失去主動力源（電和氣），控制單元中的不間斷動力系統（UPS）可提供2 h以上的電力供控制單元使用。

3 現場應用情況

目前，50多套井控系統已參與鉆井作業，并且已完成幾千口井作業。現場應用情況表明，設計的井控系統結構合理、配套齊全、移運快捷。安裝防噴器組的液壓移動小車在導軌上移運時，導軌梁最大變形約為2 mm，完全在設計范圍內；采用的防噴器結構簡單，操作方便，防H2S和CO2效果好。根據國外現場反饋的信息，到現在還沒發現所使用的防噴器有腐蝕開裂現象；控制單元能夠對防噴器組和控制閥進行“關-開-關”3次操作，“關-開-關”3次操作完成后，每次蓄能器瓶組壓力表顯示壓力大于8.4 MPa，完全符合設計要求。整套井控系統性能良好，可靠性高，符合HSE（健康（Health）、安全（Safety）和環境（Environment）三位一體的管理體系）的規范，完全滿足用戶的高使用要求，并且得到用戶好評。

4 結論

1）設計的沙漠快速移運鉆機井控系統能滿足環境溫度為0～55 ℃、濕度為100%的沙漠環境條件下的鉆井作業要求，系統中的防噴器能滿足H2S體積分數為35%、CO2體積分數為10%的環境要求，并且適用于油基鉆井液要求。

圖5 現場組裝照片

2）控制系統采用電控氣-氣控液方式，并且控制系統在無外部動力源下能實現對防噴器組及閥組實現“關-開-關”3次操作，不間斷動力系統（UPS）和安全氣瓶作為備用動力源，使控制系統具有多重保障作用。

3）井控系統結構布局合理，操作方便，防噴器組能快速移運、控制管排滿足零排放要求，整個井控系統符合HSE和API（美國石油學會，American Petroleum Institute）相關規范，滿足沙漠鉆機井控設備的高要求。