深水钻井船高压管汇设计关键因素分析

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(上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200215)

深水钻井船高压管汇设计关键因素分析

魏可可，吴富生

(上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200215)

钻井船上的泥浆立管管汇、固井管汇和节流压井管汇在钻井、固井以及油气井压力控制作业中发挥着重要的作用，其配置的合理与否直接影响到作业的顺利实施。总结了钻井船用高压管汇遵循的设计规范，分析了管汇的基本功能。结合钻井船项目设计了高压管汇的流程，并指出了管汇布置的要点，为类似钻机高压管汇的设计提供参考。

高压管汇；流程设计；管汇布置

随着陆地石油资源的日益枯竭，世界范围内的油气勘探逐渐往海洋尤其是深海方向发展。钻井船作为深海钻探的主力装备，具有移动性能好、可变载荷大、适用水深广等优点[1-2]。泥浆立管管汇、固井管汇和节流压井管汇(统称“高压管汇”)是钻井船上钻井设备的重要组成部分，其中泥浆立管管汇是汇集、输送高压钻井液的专用设备，固井管汇是实施固井作业的必要设备，节流压井管汇是实施油气井压力控制的关键设备。高压管汇配置的好坏直接影响到钻井、固井及井控等作业的顺利实施，涉及到钻井设备和操作人员的安全，甚至会对海洋环境产生影响。本文在介绍高压管汇规范及功能的基础上，开展高压管汇设计关键因素分析，重点研究了高压管汇的流程设计和结构布局。

1 标准和规范的要求

高压管汇必须遵守国际通用的技术标准与规范，首先推荐按照美国石油协会(API)的相关标准执行。涉及的API规范包括API 6A《井口设备及采油树规范》、API 16C《节流压井系统规范》和API RP53《钻井用防喷器系统推荐做法》；其他的规范、规则都依附于API标准。同时根据应用条件，在泥浆回流系统的关键路径上，材料的使用要满足美国防腐蚀工程师协会NACE MR0175《油田材料抗硫化物应力腐蚀开裂规范》关于硫化氢腐蚀方面的规定[3]。高压管汇在工艺流程和设备配置等方面，还要遵循船东根据自身的作业经验制定的要求，并根据船东的选择，取得DNV(N)证书、ABS CDS证书或者API证书等。

2 高压管汇功能概述

2.1 泥浆立管管汇

泥浆立管管汇主要由高压泥浆闸阀、阀件、压力表及压力传感器等组成，通过开启和关闭立管管汇上相应的阀门，可以引导高压钻井液的流向，实现不同工艺流程的需求。

正常钻井作业时，由钻井泵排出的高压钻井液经过高压管系送至钻台面立管管汇，然后依次通过立管、水龙带进入顶驱中心管，之后进入钻杆，到达井底，起到控制井内压力，润滑、冷却钻头，清洗井底的作用[4]。实施压井作业时，亦通过泥浆立管管汇向井筒内灌入加重钻井液，重建井内压力平衡。

2.2 固井管汇

固井管汇由旋塞阀、阀件、压力表及压力传感器等组成。固井作业时，来自固井单元的水泥浆经过固井管汇输送至水泥立管，然后经过套管头进入套管内。注完水泥浆后，由钻井泵把高压钻井液送到立管管汇，钻井液通过立管管汇进入固井管汇，之后进入套管头到达套管内，钻井液下行将水泥浆替到要求的封固段，把套管固定在井壁上。固井作业结束后，固井管汇内部要用清水进行充分清洗，防止堵塞及腐蚀。

2.3 节流压井管汇

节流压井管汇主要包括节流阀、高压闸阀、阀件、缓冲管、压力表、压力及温度传感器等。节流压井管汇的的主要功能为：①实施软关井；②在防喷器关闭的条件下，通过调节节流阀的开度大小来控制井口回压，平衡井底压力和地层压力，同时有节制地排放受污染的钻井液；③根据需要实施空井压井作业[5]。

2.3.1软关井

当钻井过程中出现溢流时，关井是控制溢流最有效的方法。软关井方式即先打开液动节流阀进行泄压，再关闭防喷器，最后关闭液动节流阀，采取软关井可以最大限度地避免“液击效应”对井口装置的影响[6]。

2.3.2调节井口回压

常规压井时，要把加重钻井液从井口送到井底，再从井底到达井口，在这个过程中需要保持作用在井底的压力不变，使井底压力和地层压力相平衡。井底压力=环形空间静液柱压力+环形空间压力损失+节流阀压力，通过改变节流阀开度大小可以调节节流阀压力，进而补偿环形空间静液柱压力及压力损失，实现平衡地层压力下的压井。

2.3.3空井压井

当井内无钻具，或者用全封闸板封住井口时，钻井液无法通过正常循环通道进入井内，可以通过压井管线往井筒里强行灌入钻井液，实施空井压井作业。

当发生井喷时，通过压井管线往井筒强注清水，以防燃烧起火；当已经井喷着火时，通过压井管线往井筒里强注灭火剂，以助灭火。

3 流程设计

3.1 设计原则

高压管汇的流程设计首先要确保功能完备，其次要在关键线路上确保设备的可靠性，保证连续作业。

1) 功能性原则。钻井船所处自然条件恶劣，操作工况复杂，高压管汇的工艺流程应涵盖钻井、固井和完井作业中各种工况下的流体循环和井筒压力控制、调节的需求。

2) 可靠性原则。钻井船租金昂贵，支持费用高，而且远离陆地，更换设备零件不甚方便，这些特点要求钻井船上的高压管汇具有较高的可靠性，必要时配备相应的备用通道，当某个通道中的阀门或者管件出现故障时，备用通道能够立刻投入使用，确保钻井作业不中断，提高钻井效率，节省作业费用。

3.2 设计要求

目标钻井船最大作业水深为3 500 m，最大钻深为12 000 m。钻井船配备双井架，具备离线接立根能力，主井位和辅井位可同时进行可能并行的作业。泥浆立管管汇、固井管汇及节流压井管汇的设计要求如表1。

表1 高压管汇设计要求[7]

表1(续)

3.3 流程设计

针对目标高压管汇的设计要求，其流程设计如图1所示。

图1 高压管汇流程

3.3.1泥浆立管管汇

正常钻井时，来自钻井泵的高压钻井液通过N1、N2进入立管管汇，然后通过N4、N5去向位于主井口的两根立管，两根立管一用一备，设置备用的立管是由于与立管相连的软管易于损坏，避免更换软管造成停钻；N3和辅井口处的立管相连，用于辅井口的钻井作业；N8去分流器，用于定期对分流器进行压力测试；N9、N10去泥浆返回槽，在卡钻等情况下能够起到压力泄放的作用，保证设备和人员安全；N6和节流压井管汇相连，用于实施空井压井作业，当井内没有钻具，压井液无法通过钻头及时到达井底时，可以通过压井管线向井筒内输送加重钻井液；N7去固井管汇，用于固井作业时水泥浆的替换。

3.3.2固井管汇

固井作业时，来自固井泵的高压水泥浆通过N1、N2进入固井管汇，然后经过N6、N7分别通往主、辅井口固井立管，进而注入到套管内；N3连接立管管汇，实施固井作业时，钻井液依次通过立管管汇、固井管汇到达套管内，并将水泥浆挤到套管和井眼的环空中；N4和节流压井管汇相连，可以利用固井泵对节流压井管汇和BOP进行试压；N8连接冲洗管线，使固井管线和阀门都能得到充分的冲洗，有效防止残留水泥。

3.3.3节流压井管汇

节流压井管汇配备2个手动节流阀和2个液动节流阀，每个节流阀和若干闸阀构成一个独立的通道，当某个节流阀出现故障需要检修时，可将其上下游的阀门关闭，将另一个节流阀下游的阀门打开，使其投入工作。井筒内受污染的流体通过节流阀后去向液气分离器，或者直接排到舷外[5]。此外，节流压井管汇配置一路管线和节流/压井通道平行，作为试井和溢流观察时的旁通。节流压井管汇各接口的作用如下：

1) N1、N6连接BOP的低位Choke与Kill阀。

2) N2、N5连接BOP的高位Choke与Kill阀。

3) N3和泥浆立管管汇相连，来自钻井泵的加重钻井液通过立管管汇到达压井管线实施空井压井作业。

4) N4和固井管汇相连，可以使用固井泵来实施51.7 MPa(7 500 psi)以上的压井作业。

5) N7、N10去往液气分离器，用于去除钻井液中的气体，恢复气侵钻井液的密度。

6) N8、N9通往舷外，当遇到地层压力特别大或者是处理突发事件，返回的钻井液超出了泥气分离器的处理能力时，钻井液通过直排口排出舷外，降低井口套管压力，保护井口防喷器组。

7) N11去往精计量罐，用于溢流观察。

8) N12连接试油单元，当钻到油层，有油气从井口返回时，连接去测井单元及燃烧臂。

4 管汇布置

高压管汇通常布置在钻台面上的易观察位置，由于钻井船上空间有限，其允许的可变载荷有一定的限制，要求高压管汇在满足作业安全的前提下，尽量结构紧凑，质量轻便，且易于维护[8]，主要遵循如下原则：

1) 结构紧凑。高压管汇尽可能呈立面空间布置，节约钻台空间，高度方向上要留有维修眼板吊装所需的空间，便于设备维护。

2) 仪表便于观察。显示压力和温度的仪表布置在人员目视的高度和方位。

3) 方便操作和维修。阀门和阀件周围要留有足够的维护空间，对于高度超出人员操作范围的阀门，要配置维护平台。如图2中高度为1 707 mm的手动节流阀，其手轮高度大于1 800 mm，为便于紧急情况下的操作，需要在此处设置维护平台。还有一种方法是在设计阶段就考虑到旋转阀门的可能性，例如将阀门旋转至手轮朝下，降低操作高度。

4) 防止空间干涉。注意接口处管子的走向，避免管子和钻台面结构及其背面的加强筋板干涉，避开梯子平台入口。如图3中的管子，由于管汇维护平台在设计阶段未考虑到管子的走向，待建模时才发现梯子入口被管子遮挡，此时若再修改管汇接口工作量较大，比较折中的办法是修改梯子的位置。

图2 阀门操作高度示意

图3 管汇布置示意

5 结论

1) 工艺流程和结构布局是高压管汇设计的关键，其中工艺流程决定了高压管汇的功能能否实现，结构布局影响管汇操作的便利性。

2) 根据目标钻井船的技术文件给出了高压管汇的流程设计，总结了管汇布置中的要点，可供管汇的设计及集成人员参考。

3) 在实际操作中，用户通常会根据自身的作业习惯及经验对流程设计和结构布局提出不同的要求，设计时要充分考虑用户的需求，不断优化高压管汇的流程及结构布局。

[1] 麻翠荣.深水钻井船船型开发及总体性能分析[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

[2] 孙宝江，曹式敬，李昊，等.深水钻井技术装备现状及发展趋势[J].石油钻探技术，2011，39(2)：8-10.

[3] 董庆辉. 海洋钻井泥浆系统研究[J].中国造船，2009(50)：981-983.

[4] 王臣，聂永坤，马永恒，等.70 MPa钻井液循环管汇设计与应用[J].石油矿场机械，2013，42(9)：77.

[5] 王华.井控装置实用手册[M].北京：石油工业出版社，2008：147-148.

[6] 董星亮.海洋钻井手册[M].北京：石油工业出版社，2011：488-491.

[7] API Specification 6A，Wellhead and Christmas Tree Equipment[S].2010.

[8] 冯利杰，薛苏玲，杜渊，等.DSJ300-1海洋钻井平台节流压井管汇设计[J].石油机械，2013(41)：54-56.

AnalysisofKeyFactorsinDesignofHighPressureManifoldsforDeepwaterDrillship

WEI Keke，WU Fusheng

(ShanghaiZhenhuaHeavyIndustryCo.，Ltd.，Shanghai200215，China)

Mud standpipe manifolds，cement manifolds and choke & kill manifolds play an important role in drilling，cementing and well control process，rationality of manifolds’ configuration has direct impact on their operation.The design standards of high pressure manifolds for deepwater drillship is summarized，manifolds’ basic function is analyzed and an example of process design based on aimed drillship project is given.It also points out key factors in manifolds layout which can provide reference for manifolds’ design for similar rig.

high pressure manifolds；process design；layout

1001-3482(2017)06-0032-04

2017-6-11

上海市科学技术委员会科研计划项目(15DZ1201901，16XD1424000)

魏可可(1989-)，女，安徽亳州人，工程师，现从事海洋石油装备的设计开发工作。

TE951

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.007