深水水上防喷器钻井技术的水下断开系统及应用

韩垚堃，苏堪华，王梓航，马　凯，刘洪伟

(重庆科技学院 石油与天然气工程学院，重庆 401331)①



深水水上防喷器钻井技术的水下断开系统及应用

韩垚堃，苏堪华，王梓航，马凯，刘洪伟

(重庆科技学院 石油与天然气工程学院，重庆 401331)①

摘要：由于第五、六代钻井平台昂贵的日费以及保养成本，深水水上防喷器(Surface Blowout Preventer，SBOP)钻井技术得到了广泛应用。其中，水下断开系统(Subsea Disconnect System，SDS)是深水SBOP钻井中的关键技术之一。通过量化风险评估理论(A Quantitative Risk Assessment，QRA)对SBOP系统的现场应用进行了风险评估，并根据潜在风险的风险值来设计水下断开系统的结构尺寸，以保证钻进过程中的安全与高效。研究了水下断开系统的控制系统的工作原理、信号传递方式和现场应用情况。结果表明：控制系统是水下断开系统的核心，更加快捷和方便的信号传递方式以及处理事故方法是以后研究的关键；大尺寸的闸板可以在一定程度上保证高压隔水管不被折断以及保证井口稳定性；不同海洋环境载荷下，应使用不同尺寸的闸板。

关键词：深水；钻井；水下断开系统；SBOP

常规深水钻井时，一般选择将防喷器组(Surface Blowout Preventer，BOP)安装在海底泥线以上的井口，为了保证作业的完成，需要使用大直径的隔水管从钻井平台连接至水下BOP组，所以需要使用较为先进的第五代或者第六代钻井平台，日费约为＄20万美元。在下入BOP组的过程中，BOP组与海水之间产生压力波动，当该压力作用在BOP组时，容易引起BOP组的损坏。需要铺设几千米的压井、节流管汇，当BOP组工作时，由于管线较长，在一定程度上延长了关井时间，这就给钻井作业带来了很大的困扰，使深水钻井的作业费用大幅增加[1]。20世纪90年代末，业界提出了深水水上防喷器(Surface Blowout Preventer)的概念。该技术很好地解决了上述问题，同时降低了对平台的要求，钻同样深的井只需要第三代或者第四代井平台，平均日费为约$8万美元。由于该钻井技术的BOP组安装在水上，为了保证钻井过程的安全，该技术使用水下断开系统，在发生紧急突发状况时，快速切断隔水管与海底井口连接的通道。所以，水下断开系统的使用为增加钻深提供了可靠的保障。

1水下断开系统的控制系统及量化风险评估

1.1水下断开系统

水下断开系统(Sub Disconnect System，SDS)是深水SBOP钻井系统重要的组成部分，其作用是当海底发生紧急情况时，切断高压隔水管与井口之间的连接并密封井口，起到安全钻进的作用。典型的SDS的结构如图1所示，一般由上隔水管连接装置和下井口连接装置及U型剪切闸板组成，不同的海域、不同的海底条件适用不同的尺寸。其中，主要断开工作是由U型闸板来完成，当完成剪切工作时，下井口连接装置会密封井口并瞬间释放伸缩隔水管中的压力。

图1　水下断开系统(SDS)结构

1.2SDS控制系统及工作原理

1.2.1控制组件

只有当海底发生紧急情况时，SDS会断开高压隔水套管与井口的连接以及密封井口。由于常规的井控工作都由SBOP组来完成，因此没有铺设从海面到SDS的液压输送管线。

在水下断开系统上配置了1.64 m3(9×40加仑)活塞式液压储能器，此为动力源，可以给断开系统(SDS)提供足够的液压，以完成剪切闸板、锁紧装置以及连接装置的工作。SDS的工作通过2个操作盘并结合复合式管路、电信号、声波信号以及控制系统来操控。2个操作盘分别是：①大斜度测井房的主控板；②司钻操作台。典型的控制系统如图2所示。

图2　水下断开系统(SDS)的控制系统示意

1.2.2控制原理

操作台发出的电信号的传递有2种方式：

1)声波传递。首先是由控制中心发出指令，通过位于水上的声波发出装置发出声波，经过海水，发送到位于SDS上的接收装置(2个)，然后通过电控制箱来完成SDS的紧急断开工作，如图3所示。

2)电信号传递。是通过附着在高压隔水套管的有线通讯系统管线来传递信号。

当收到信号时(电信号或者声波信号)，信号会控制阀门输出合适的液压(针对特定的工况)以保证断开系统的正常工作。

无论是有线通讯系统还是声波传递系统，“连续监测系统”可以监测钻井的整个控制流程。无论哪一个系统失效，平台都会发生警报。

当发生特殊紧急情况需要紧急断开时，司钻操作台安装了一个用于紧急断开的按钮，当启动它时，紧急断开系统会执行以下操作：

①关闭和锁紧下剪切闸板。

②关闭和锁紧上剪切闸板。

③先后解锁隔水管连接系统。

完成以上3个步骤只需要38 s[2]。

如果发生平台停电等特殊情况，发电机发出的电会优先通过UPS系统来维护控制系统。

图3　声波信号控制系统

1.3SDS量化风险评估

量化风险评估(A quantitative risk assessment)简称QRA，通过评估SBOP钻井技术的潜在风险程度，以提供SDS的U型剪切闸板等组件尺寸的设计条件，并给出工作建议从而达到安全钻进的目的。QRA认为，以下事故的连续发生就足够发生井喷事故：

1)进入超压储层。

2)由于疲劳或者锚泊系统失效而引起的隔水管断裂。

3)其他船体对钻井平台的撞击。

事故发生的频率决定于上述3点事件发生的频率，同时也和以下3种作业方式有关系：

1)用常规水下BOP组。

2)使用SBOP组。

3)使用带有水下断开系统的SBOP组[1]。

针对降低由于高压隔水套管失效引发的海底环境污染的风险，QRA清楚地强调了2点：①泥线以上必须安装可以抗最大环境载荷的井口；②泥线以上必须安装用来切断隔水管与井口连接的水下断开系统(SDS)。

在量化风险评估之前，需要进行危险识别(A Hazard Identification)，简称HAZID，主要目的是为了识别出在使用SBOP钻井技术时可能存在的危险条目。主要工作方式是依赖于SDS的声波控制系统。

2水下断开系统的应用

深水SBOP钻井系统经历了3个发展阶段，分别应用在了Sedico 601钻井平台、Sedico 602钻井平台以及Ocean baroness号钻井平台[3]。其中在第3个阶段由于应用了水下断开系统[4-5]，使下深增加到了2 400 m[6]。所以，水下断开系统的应用对深水SBOP技术的发展起到了里程碑式的作用。

2.11-SHEL-14-RJS井水下断开系统

1-SHEL-14-RJS井位于BM-C-10区块，坐落于巴西近海盆地，完井时间为2003-06-05。钻深5 200 m，水深2 887 m。该井使用水上BOP钻井技术，水下断开系统的结构由上到下为：①ø346 mm隔水管连接器；②带有刹车装置的ø346 mm U型剪切闸板(SBR)；③ø476.3 mm井口连接器。如图4所示。

图4　1-SHEL-14-RJS井水下断开装置

该U型剪切闸板(以下简称SBR)由卡梅隆公司生产，可以承受70 MPa的压力，带有提升和自锁装置，SBR的关闭和自锁装置是由MUX系统控制，或者借助ROV(Remotely Operated Vehicle)进行人工操作。在SDS的上部和下部都有SBR，这样可以保证钻杆的接头安放在两闸板之间，当进行断开工作时，至少有一个SBR可以剪到钻杆而不会剪到接头。该水下断开系统配备了自动锁紧装置。

2.2Donggala区块水下断开系统

为了实现Donggala区块的安全钻进，Total公司与Cameron公司联合开发了环境安全装置，主要用途是保证钻井过程中不发生危险以及保护环境。该环境安全装置结合前文提到的QRA风险测评的结论，得出该装置结构从上到下依次为：①ø476.3 mm反向套筒连接器；②ø476.3 mm U型剪切式闸板；③ø476.3 mm套筒连接器。如图5所示。

图5　Donggala区块水下断开系统

该装置的3个部分都可以承受70 MPa的压力，使用ø476.3 mm尺寸的主要原因有4点。

1)当波浪或海浪载荷作用在钻井平台时，钻井平台会产生偏移中心线的位移，从而产生作用于海底井口的弯矩，大尺寸的闸板可以很好地减轻弯矩的影响，防止损坏隔水管。

2)弱化集中应力对海底井口的影响，增加井口稳定性。

3)由于时间仓促，需要在现有设备上进行改造。

4)可以重复使用[1]。

2.3应用于Transocean GSF ArcticⅠ钻井平台的水下断开系统

Transocean GSF ArcticⅠ号钻井平台，当使用常规ø476.3 mm的常规水下防喷器，则最大作业水深为945 m。但是，当经过常规水下防喷器改造成水上防喷器组时，最大作业水深增加到2 250 m。该水下断开系统的结构从上到下依次为：①ø334.4 mm×10 m隔水管连接装置；②ø334.4 mm×10 m单提升闸板——剪切闸板；③193.7 mm管线；④476.3 mm×10 m液压连接装置。结构如图6所示。

图6　Transocean GSF ArcticⅠ号钻井

应用于该平台的水下断开系统与以前的断开系统存在以下2点差异：①使用193.7 mm管线代替传统的下剪切闸板，优点是当发生紧急情况需要断开时，能够更好地起到密封的效果；②SDS上增加了2条动力和液压管线。优点是不需要ROV，可尽早完成水下断开工作。和SDS相关的2条管线是永久安装在船尾，与月池相临的地方。一般的控制室都是安装在船尾，这样通过控制室可以很清楚地看到2条管线的压力变化[7]。

2.4应用于加蓬和几内亚沿岸的水下断开系统

由于资金和装备的限制，该钻井公司决定放弃常规水下防喷器组而采用水上防喷器组，这样既可以保证经济的节约，又可以保证安全钻进。该水下断开系统从上到下的结构为：①ø346 mm隔水管连接装置(15 m)；②ø346 mm上剪切闸板(10 m)；③隔离短节；④ø346 mm下剪切闸板(10 m)；⑤井口连接装置。如图7所示。

图7　应用于加蓬和几内亚沿岸的水下断开系统结构

使用双闸板的主要原因是当其中一个闸板由于会作用于接头而不能工作时，另一个闸板可以提供额外的剪切力来保证钻进的安全进行。该断开系统的核心系统就是控制系统，该控制系统可以保证声波传递系统、电信号传递以及ROV的正常工作[8]。

2.5对比分析

常规深水水下防喷器组(Subsea Blowout Preventer，SSBOP)的剪切断开工作主要是由下部防喷器组的中间闸板来完成，而SBOP钻井系统主要由SDS来完成[9-12]，它们之间的对比关系如表1所示。

表1　SSBOP组和SBOP组断开系统对比分析

由表1可以看出，SDS具有结构简单、经济节约的特点，且控制系统可以采用声波控制方式，这就极大地简化了控制流程，极大地提高了深水钻井的安全性。

3结论

1)水下断开系统的应用为海洋深水钻井提供了安全保障，为深海战略的实施提供了可靠的技术支持。

2)综合断开系统的实际应用情况，水下断开作业一般是由剪切闸板来完成，所以在结构设计方面不会有太大的变化，对控制系统的优化以及管线的合理安排才是水下断开系统发展的方向。

3)在原有设备上进行改造和创新，仍然是SDS发展的主要手段。

4)对于国产化，建议在国外SDS设计的基础上，根据我国海域的实际情况，对闸板、连接装置的尺寸进行设计和优化，并且对于控制系统进行合理简化，以保证在最短时间内完成剪切工作，保证环境污染最小化和安全、经济利益最大化。

参考文献：

[1]Simondin A，MacPherson D，Touboul N，et al.A deep water well construction alternative：surface BOP drilling concept using environmental safe guard[R].IADC/SPE 87108，2004.

[2]Brander G，Magne E，Newman T，et al.Drilling In Brazil in 2887m water depth using a surface BOP system and a DP vessel[R].IADC/SPE 87113，2004.

[3]苏堪华，管志川，龙芝辉.深水SBOP钻井技术及装备发展现状[J].石油机械，2010，38(6)：11-15.

[4]Alan Whooley，MCSKenny，Jonathan Deegan，et al.Tools and Techniques for the selection and design of safe deep water riser systems for mobile offshore drilling units[R].OTC 22724，2011.

[5]候福翔，王辉，任荣全，等.海洋深水钻井关键技术及设备[J].石油矿场机械2009，38(12)：1-4.

[6]Kozicz J.Surface BOP—Recent experience and future opportunities[R].SPE/IADC 103754，2006.

[7]Tarr B A，Taklo T，A Hudson，et al.Surface BOP System operational experience oddshore brazil in 1900m of water[R].SPE/IADC 119606，2009.

[8]Jeanette Gordon，Petar Saicic，et al.Deepwater Developments：Challenging Equipment Limits[R].SPE 132516，2010.

[9]Larsen H A.Intervention System for the Perdido SPAR Wet Tree Wells[R].SPE 130534，2010.

[10]Wouter Bode，Robin Hartmann，et al.Parque das Conchas(BC10)—Delivery of Deepwater Extended Reach Wells in a Low Fracture Gradient Setting[R].OTC20608，2010.

[11]王存新，李嗣贵，王增国.深水钻井水下防喷器组配置选型研究[J].石油矿场机械，2009，38(2)：72-75.

[12]李博，张作龙.深水防喷器组控制系统的发展[J].流体传动与控制，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

中图分类号：TE951

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.001

作者简介：韩垚堃(1992-)，男，辽宁盘锦人，硕士研究生，研究方向：油气井工程，E-mail：hanyaokungreat@163.com。

收稿日期：2015-09-28

文章编号：1001-3482(2016)02-0001-05