钻井井控设计中三个不容忽视的问题及建议

陈佩华，徐鸿飞，张杰，张俊楠，王哲

钻井井控设计中三个不容忽视的问题及建议

陈佩华，徐鸿飞，张杰，张俊楠，王哲

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

为进一步优化中海石油（中国）有限公司的井控设计，使其具有更丰富的现场指导意义，结合现场巡检工作以及对井控设计内容的分析，指出井控设计中对关井能力方面缺少针对性、具体性的设计指导，从剪切闸板实际剪切能力评估、防喷单根/立柱的设计与应用以及应急操作指导三个方面给出建议，便于迭代井控设计内容，提升井控设计质量。

井控设计；剪切能力；防喷单根/立柱；应急操作

为保障国家能源安全，近年来中国海油持续加大勘探开发力度，钻完井作业量逐年增加。随着工作量大幅增加，深水、深层、新区、新领域的钻探增多，“想不到”的风险陡升，安全管理被稀释摊薄，为井控管理提升带来更多挑战。中国海油将井控工作当作“天字号”工程，持续强化管理。井控设计是井控工作的前期工作，对后期工作开展具有全局指导作用，关系到前期准备以及后期的工作开展，对井控预防与处置起到至关重要的作用。本文着重探讨目前井控设计中容易忽视的三项内容，并给出对应建议。

1 井控设计现状

目前中海石油（中国）有限公司的井控设计内容主要包括9个方面：井的基本情况、井控装置设计、特殊材料储备设计、最大允许关井套压分析、最大允许溢流量计算、波动压力计算、压井工艺及方案设计、井控风险及控制措施、救援井总体方案。这9个方面囊括了作业前准备、作业中注意事项以及发生事故时的应急措施，是一套结构相对完整的井完整性评价与控制方法。

2 井控设计中不容忽视的三个问题

井控设计中的内容相对完整，但是在关井关键点方面，笔者认为缺少针对性。

2.1 剪切闸板剪切能力缺少单独评估

剪切闸板是防喷器组中的一个重要闸板，它在紧急情况下能够剪断井内钻具实现封井，是至关重要的一道屏障。对于地面防喷器组，若剪切闸板设计剪切能力不足，将导致作业管柱不能及时脱离、封井失败等恶性后果，深水作业条件下后果更为严重[1]。在2010年的墨西哥深水地面线井喷事件中，剪切闸板未曾实现应有的剪切功能，从而导致事故恶化，进而失控。在2020年的国内某起井喷事件中，亦是由于剪切闸板未能剪切导致后续长时间的救援工作，造成巨大损失与恶劣影响。这些事件发生的原因均与剪切闸板的剪切能力相关，可能是剪切能力不匹配、剪切操作不当或者剪切环境特殊，剪切功能受限等原因，另一不可忽视的现状是中国海油目前绝大部分的剪切防喷器服役时间已不短，尽管有定期的保养维护，但剪切能力是否与出厂时一致，值得探讨。另外，中国海油使用的钻杆型号也发生变化，不在原有的剪切闸板的可剪切说明范围内，需要重新评估。因此，井控设计中应予以全面考虑并给出恰当的预防和应急措施。

2.2 防喷单根或防喷立柱缺少详细设计

防喷单根与防喷立柱是有效的内防喷工具，能够有效制止钻柱内的井喷且利于防喷器关闭环空。现有井控设计中推荐的关井方式来自标准SY/T 7453—2019[2]，标准中建议在起下钻铤和下套管过程中使用防喷单根或防喷立柱，但是没有给出防喷单根的具体组合形式。防喷单根/立柱的组合需要综合现有防喷器组条件、下入目的层位、管柱尺寸等多种因素去组合，需要考虑压井后的可能的后续作业。

现场巡检时，笔者发现大部分平台依然采用一步一步的抢接方法，先拆除提升短节，然后抢接变扣接头与钻杆，下入后再抢接考克，显然这种方式非常低效，不利于井控工作，笔者认为需要在设计之初就给出推荐的做法。

2.3 应急操作缺失原则性指导

现有的井控设计中给出了钻进、起下钻、起下钻铤、下套管、空井、测井工况下的软硬关井方式，这些都是常规的关井方式，实际作业中，肯定会有超出以上境况的关井工况，例如常规剪切、超级剪切、关套管环形调压等这些特殊情况，在井控设计中均缺少前瞻性的提醒与针对性的指导。

另外，中国海油推荐的关井程序均为硬关井程序，但是当启动操作剪切闸板防喷器前，应优先采用软关井方法，提高一次剪切成功率，同时需考虑被剪后的上部钻具在井口压力作用下上窜的危险性，避免对地面人员和设备造成二次事故[3]。因此，任何应急操作均有前提条件，井控设计中宜做出提醒说明。

3 建议措施

3.1 对剪切闸板剪切能力做评估

对于剪切闸板的剪切能力评估已有多名作者发表了看法。王旭东[4]等综合考虑剪切闸板结构参数、钻杆材料参数及剪切工况参数，建立起剪切闸板剪切力预测模型。预测模型与剪切试验的相对偏差在10%左右，符合工程数据的相对偏差要求。赵维 青[5]提出的水下防喷器组剪切闸板剪切能力评估方法，得到的计算值与厂家提供的数据误差在3%以内。王鹏程[6]等基于机器视觉技术和图像处理技术建立了一套剪切闸板量化评价方法，能够满足评价测试精度要求。杨永宁[7]等研究了一定结构下的剪切闸板的剪切力计算，剪切Ø127 mm E级、29 kg·m-1钻杆实际剪切操作压力与计算剪切操作压力误差为-7.8%，剪切Ø127 mm G级、29 kg·m-1钻杆实际剪切操作压力与计算剪切操作压力误差为21.5%。 韩传军[8]等认为传统的解析方法很难对剪切机理进行定量分析和研究，数值模拟技术ABAQUS更加有效。 笔者认为，上述作者均是从某个角度进行衡量，而剪切能力需要综合衡量。因为对于地面防喷器组来说，剪切能力受到剪切刀刃形状、刀刃倾角角度、刀体材质、剪切液压压力、井内压力、管柱内压力、管柱尺寸、管柱材质、管柱壁厚等因素影响；对于深水防喷器组，还会受水深、隔水管内钻井液密度等因素影响，就论文中提及的准确性与中国海油的适用性而言，赵维青的计算公式相对适用，因而建议在井控设计中按照此公式进行理论评估。此外，笔者建议在井控车间，在动员前对剪切闸板做实物试验，做到理论评估与实际试验相结合，确保其真正具备剪切能力。验证后得到的数据又可以进一步修正计算公式，如此良性循环，进一步巩固评估的有效性[9]。

3.2 给出推荐的防喷单根/立柱的组合形式

在起下钻铤期间，建议井控设计重点提示井内所用钻铤尺寸、防喷器组距离钻台面的高度。尺寸不同，现场就要配置多种防喷单根或立柱；高度不同就需要配置短钻杆配长从而确保防喷器关在钻杆本体上。防喷单根/立柱组合形式从下至上的配置为：单根/立柱+钻井防喷压井接头[10]，钻井防喷压井接头在井控作业中，能使钻具内防喷器具有泄压、防喷、压井三重功能。泄压功能：其在井口与钻铤螺纹连接时球阀开启；防喷功能：其与钻铤连接后,关闭球阀，继续下钻至压井井深；压井功能：使用加重钻井液循环重建井筒压力平衡。配套工具为：带钻杆母扣的提升短节，这样可以省去拆提升短节这一步骤，单根/立柱直接接到提升短节上；另外设计中需要考虑足够长度的吊环，确保顶驱喇叭口与吊卡之间的距离大于防喷单根/立柱上部接头长度，防止顶驱无法居中提起防喷单根。

钻井起下钻铤期间理想的内防喷配置为：带钻杆接头的提升短节+适合长度与尺寸的钻杆 +钻井防喷压井接头+合适长度的吊环。如果现场没有钻井防喷压井接头，建议使用旋塞阀代替。在其上接上回压凡尔，可以实现强行下钻功能。

中国海油在自升式平台一般不配备套管闸 板[11]，下套管期间需要配置防喷单根/立柱，抢接单根/立柱时需要考虑吊卡的更换，建议设计变扣接头避免更换吊卡。

钻井下套管期间理想的内防喷配置为：变扣接头（套管变钻杆）+适合长度与尺寸的钻杆+钻井防喷压井接头+变扣接头（钻杆变套管），井控设计中应该基于以上原则对防喷单根/立柱进行针对性设计。

当现场具备多个防喷单根/立柱时，建议现场做好醒目区分，便于第一时间取用正确的防喷单 根/立柱[12]。同样，下套管期间要考虑吊环长度足够、空间足以接受特制接头进入。

为保证现场的反应迅速及时，现场必须组织好各种应急演习。通过演习增强现场人员的安全意识，避免井喷[13]。

3.3 给出应急情况下的操作建议或注意事项

井控设计中应该根据所用的防喷器控制系统，列出常规剪切作业程序，例如遵从《石油天然气钻井井控技术规范》（GB/T 31033—2014）要求或者厂商要求[14]。井控设计书中需要着重对剪切位置、剪切前的泄压、上部钻杆的固定做重点提醒[15]；对于具备气泵超级剪切功能的控制系统，需要着重提示蓄能器的高压隔离，其他闸板的高压隔离，电泵的停止与隔离。剪切时井内管柱需要在静止状态，否则剪切成功率将大大降低[16]。根据防喷器组的配置，建议井控设计中提醒关注二次密封装置应急密封脂的储备与操作规程[17]。

下套管时出现溢流需要关闭环形防喷器[18]，井控设计书中需要根据套管抗外挤强度提前计算环形的关闭液压压力，避免挤扁套管。

4 结束语

井控设计是一项系统工程，涉及作业中的方方面面[19]，任一方面的疏忽都可能导致不可估量的损失。未来的井控设计，在数字化的加持下，一定能够直达一线，同样一线的反馈也能到达设计者，监管者也有迹可循，这样形成井控设计质量的闭路循环上升，最终形成有效的、针对性极强的井控设计书，切实指导工作，让井控工作绝无一失[20]。

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Three Problems and Suggestions in the Design of Drilling Well Control

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（CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co., Tianjin 300452, China）

In order to further optimize the well control design of CNOOC (China) Co., Ltd. and make it more meaningful for on-site guidance, combined with the on-site audit work and the analysis of the well control design content, it was pointed out that the well control design lacked targeted and specific design guidance for the shut-in capacity. In this paper,from three aspects of the evaluation of the actual shear capacity of the shear ram, the design and implementation of the anti-blowout single joint/stand and emergency operation guidance, some suggestions were given from these, so as to iterate well control design content and improve well control design quality.

Well control design; Shear ability; Anti-blowout single joint/stand; Emergency operation

2021-03-09

陈佩华（1984-），男，江苏省泰州市人，中级工程师， 2011 年毕业于中国石油大学（北京）机械设计制造及自动化专业，研究方向：油气井井控培训。

TE92

A

1004-0935（2021）03-0416-03