沙漠快速移运钻机井控系统的设计与应用

王兰，牛敏，侯文辉，张革民，李亚辉，任钢峰

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西 宝鸡 721002）

0 引言

沙漠油田的勘探和开发慢慢地朝着深井发展，对井控系统的要求也随之提高，目前国内外提供沙漠井控系统的单元产品比较多，但对整个井控系统集成设计的公司相对较少。针对中东地区对沙漠快速移运钻机井控设备的需求，2009年宝鸡石油机械有限责任公司设计开发了井控系统，已为阿联酋国家钻井公司和沙特钻井公司提供了50多套井控设备。中东地区作业条件为：环境温度为0～55 ℃, 湿度为100%，H2S体积分数≤35%，CO2体积分数≤10%，适用于油基钻井液要求[1]。因此对于防喷器及阀组等设备要求很高。控制系统要求采用电控气-气控液方式，并且控制系统在无外部动力源时储能器瓶组中的储能液能依次进行关闭整个防喷器组、打开整个防喷器组、再关闭整个防喷器组动作，即防喷器组“关-开-关”操作。宝鸡石油机械有限责任公司设计的该井控系统具有移运快速、操作简单、安全性高等特点，能实现不间断节流和压井，可作为一种典型沙漠钻机井控系统，对于应用在沙漠中的钻井系统很有价值意义。

1 技术分析

1.1 总体方案

沙漠快移钻机井控系统总体方案如图1和图2所示，本方案是以7000 m井深和阿联酋沙漠地区油田及中东地区油田情况为基础设计井控系统，采用13 5/8-70 MPa防喷器组、节流管线阀组和压井管线阀组。给13 5/8-70 MPa防喷器组在钻机底座上设计储存座和防喷器组快移装置，防喷器组快移装置由导轨、移动小车、储存架和整体吊装架等组成。防喷器组中的两个四通侧口分别安装两个节流管线阀组和两个压井管线阀组，并且两个节流管线阀组和两个压井管线阀组各自内部可互通，实现一用一备。远程控制单元采用电控气-气控液方式，设计了司钻控制箱和队长房控制箱，安装四位一体报警系统，并且在远程控制单元无外部动力源下，储能器瓶组的储能液能对防喷器组依次实现“关-开-关”操作，不间断动力系统（UPS）作为远程控制单元备用动力源，用管排和液压软管把远程控制单元和防喷器组连接在一起，管排连接处设计了集油盘，可实现零排放。

图1 防喷器组储存及移运位置示意图

图2 沙漠快移钻机井控系统方案图

防喷器组储存座设计在底座侧面，当不使用防喷器组时，防喷器组坐放在移动小车上，并储放在该处，可随钻机一起移运，当防喷器组要安装到井口时，先在此处进行防喷器组试压，试压完成后，通过导轨上的移动小车把防喷器组移运到井口侧中心处，再使用防喷器组移运装置挂上整体吊装架，把防喷器组吊装移运到井口上，进行防喷器组井口安装。当进行防喷器组井口拆卸时，按前面描述的反过程进行操作。远程控制单元底座设计为自备撬结构，当移动时，可采用拖车进行，管线槽可进行拖拉方式移运。

1.2 井控系统的结构组成

如图1和图2所示，沙漠快移钻机井控系统主要由13 5/8-70 MPa防喷器组[2～5]、节流和压井管线阀组、管排、液压软管、远程控制单元、不间断动力系统（UPS）、远程操作控制缆、队长房控制箱、司钻房控制箱、快速整体吊装架和防喷器组快移装置等组成。

13 5/8-70 MPa防喷器组包括1个单闸板防喷器、1个双闸板防喷器、1个环形防喷器，2个四通、2个四通侧口节流管线阀组和2个四通侧口压井管线阀组。闸板防喷器采用喀麦隆U形结构防喷器，此U形结构防喷器目前在全球陆上油田比较受欢迎，具有结构简单、可靠性高、维护方便等特点。环形防喷器采用GK型防喷器，该防喷器也具有可靠性高、橡胶使用寿命长等特点，并在环形防喷器本体上设计有储能器瓶，作业时钻柱接头过防喷器胶芯可进行缓冲，保护防喷器[6]，GK型环形防喷器得到了大多用户认可。节流管线阀组由液控阀门、手动阀门、检测阀和四通组成，两个节流管线阀组分别安装在两个四通侧口上，并用一个手动阀门连接在一起，压井管线阀组由液控阀门、手动阀门和四通组成，两个压井管线阀组分别安装在两个四通侧口上，同样采用一个手动阀门连接在一起。

远程控制单元由拖撬单元、储能器瓶组、油箱、电动泵、气动泵、控制器、四位一体报警系统、压力表、管汇、控制阀、电器和管线等组成[5]。

防喷器组内各单元部件和井液接触通道堆焊防高浓度H2S耐腐蚀合金材料，目前在国外该工艺技术已很成熟，在国内生产也取得了很大进步，可很好地完成直通道堆焊和加工，但在相互垂直的两通道交汇堆焊处，其质量和工艺还需要提高[6]。

图3 节流管线阀组图

图4 压井管线阀组图

1.3 沙漠快移钻机井控系统主要参数

防喷器组工作压力为70 MPa，防喷器组强度试验压力为105 MPa，防喷器组公称通径为φ346 mm，防喷器组工作温度为-29～121 ℃，防喷器组适应介质为含H2S的油、气、水、泥浆，控制单元系统压力为21 MPa，控制单元工作温度为0～55 ℃。

1.4 防喷器组远程控制单元装置设计

根据客户要求，远程控制系统中的储能器瓶组的储能液能对防喷器组依次实现“关-开-关”操作，并且防喷器组远程控制单元的设计不能低于API Spec 16D标准的要求[7-9]。

防喷器组远程控制单元的设计与防喷器组的配置相关，关于蓄能器瓶组容积、各个设备能力及控制对象数量由防喷器组的配置决定，防喷器组中各个防喷器及控制阀主要数据如表1[8-11]所示。

表1 防喷器及阀控制开关液量数据表

1.4.1 蓄能器系统计算

根据API-16D标准规范及国内井控设备相关规范要求，按水上蓄能器组计算方法A计算如下：式中：FVR为功能液量要求；BV为蓄能器容积（氮气和压力液）；VE为容积率，即可用流体的体积与蓄能器中气体体积的比值；VEv为在容积极限情况下的VE；VEp为在压力极限情况下的VE。

在泵不工作、井筒压力为零的情况下，蓄能器容积最低功能液量应满足防喷器组从全开状态到完全关闭所需液量的100%的要求，包括关闭一个环形防喷器和防喷器组中的所有闸板防喷器的液量，以及打开防喷器组一侧的节流阀或压井阀的液量，但根据沙漠钻机技术要求，对环形、单闸板和双闸板防喷器分别依次进行“关（环、单、双）-开（环、单、双）-关（环、单、双）”动作3次。同时在实际使用时，控制管线中也占用液量，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。式中括号里的数字为表1所示的防喷器及阀对应数据，30为控制管线占用液量。

由式（1）～式（4）得：VEv=0.445，VEp=0.5。在实际应用中，容积率取VEv、VEp中较小值，所以选择容积极限情况下的VEv=0.445，BV=FVR/VEv=630.5÷0.445=1416.8 L。

1.4.1.2 蓄能器瓶个数的确定

根据蓄能器瓶容积规格，考虑其在远控装置上的空间排布，选取合适的蓄能器规格，以确定蓄能器瓶的个数。选择蓄能器瓶规格为40 L。所需瓶数≥BV÷蓄能器瓶规格=1416.8÷40=35.4个，圆整到36个。圆整蓄能器个数，最后得到圆整后总的蓄能器容积。实际的蓄能器容积BV=蓄能器瓶个数×蓄能器瓶规格=36×40=1440 L。

1.4.2 确定控制头数量

控制头的数量为防喷器组中各防喷器对象所需液压管线控制油路的总和，系统配置是由环形、单闸板、双闸板、节流阀和压井阀组成。控制头数量≥1（环形）+2（双闸板）+1（单闸板）+2（节流阀）+2（压井阀）=8，因此设计8个控制头。

1.4.3 液箱尺寸的确定

根据行业标准规范要求，液压液箱的有效容积至少应是蓄能器系统存储液压液体积的两倍。根据波义耳（Boyle）定律（等温条件下）得

式中：P1为蓄能器预充压力7 MPa；V1为蓄能器初始容积，其值等于BV；P2为蓄能器最终压力21 MPa；V2为蓄能器最终气体体积。

由式（5）得V2=BV/3，侧蓄能器系统存储液压液体积为2BV/3。因此油箱有效容积=4BV/3=4×1440÷3=1920 L，实际取油箱有效容积为2000 L。

1.4.4 泵系统的设计

不同的规范对泵的总排量要求不同，但根据API 16D标准规范要求，控制单元需配曲轴柱塞泵系统和气动泵系统等两套泵系统[7]。在不使用蓄能器的情况下，各套泵系统应能在2 min内在空井时关闭一个环形防喷器，同时打开液动节流阀，并且达到系统的最小操作压力值。泵组的总排量应能在15 min内使整个蓄能器系统从预充压力升至控制系统的额定压力。蓄能器压力由预充压力7 MPa升至21 MPa所需液量。

通过以上计算，确定了控制系统的主要数据和控制单元型号，如表2所示。

表2 防喷器组远程控制单元装置计算结果

2 技术创新点

2.1 防喷器组快速移运

在移运钻机底座上设计了防喷器组储放台架、液压移动小车和导轨。防喷器组不工作时，防喷器组坐放在液压移动小车上，并储放在钻机底座侧面台架上；当防喷器组要到井口工作时，开启液压移动小车，将防喷器组沿着导轨移动到底座侧中心位置后，利用防喷器组移运装置将防喷器组吊入到井口中心位置。对于这种结构，防喷器组储放在台架上，能随钻机一起快速移动，当防喷器组需要到井口工作时，利用小车能快速到达井口，使得安装工作效率大大提高。

2.2 不间断节流和压井

在高H2S地区，高压力下H2S对阀和防喷器破坏很快。对于这种结构设计，在防喷器组的设计中采用双四通，每个四通侧口分别装有节流控制阀组和压井阀组，两个四通侧口上的节流控制阀组通过一个阀相连，压井阀组也通过一个阀连接，这样就可以实现一用一备。在工作过程中，当一组节流阀组中有阀坏掉，就可以转换到另一组节流阀组继续使用，压井阀组也是同样，因此实现了不间断节流和压井，该结构已得到阿联酋国家钻井公司的认可，并得到广泛应用。

2.3 控制单元多重保障技术

在控制单元设计中，控制单元中储能器瓶组能实现对防喷器组依次动作3次，高于API 16D规范要求，对于井控系统安全性更高，也设计了2个20 L的安全气瓶，在气源断气的情况下，可对操作控制气阀进行操作，同时控制单元配有不间断动力系统（UPS），对于现场失去主动力源（电和气），控制单元中的不间断动力系统（UPS）可提供2 h以上的电力供控制单元使用。

3 现场应用情况

目前，50多套井控系统已参与钻井作业，并且已完成几千口井作业。现场应用情况表明，设计的井控系统结构合理、配套齐全、移运快捷。安装防喷器组的液压移动小车在导轨上移运时，导轨梁最大变形约为2 mm，完全在设计范围内；采用的防喷器结构简单，操作方便，防H2S和CO2效果好。根据国外现场反馈的信息，到现在还没发现所使用的防喷器有腐蚀开裂现象；控制单元能够对防喷器组和控制阀进行“关-开-关”3次操作，“关-开-关”3次操作完成后，每次蓄能器瓶组压力表显示压力大于8.4 MPa，完全符合设计要求。整套井控系统性能良好，可靠性高，符合HSE（健康（Health）、安全（Safety）和环境（Environment）三位一体的管理体系）的规范，完全满足用户的高使用要求，并且得到用户好评。

4 结论

1）设计的沙漠快速移运钻机井控系统能满足环境温度为0～55 ℃、湿度为100%的沙漠环境条件下的钻井作业要求，系统中的防喷器能满足H2S体积分数为35%、CO2体积分数为10%的环境要求，并且适用于油基钻井液要求。

图5 现场组装照片

2）控制系统采用电控气-气控液方式，并且控制系统在无外部动力源下能实现对防喷器组及阀组实现“关-开-关”3次操作，不间断动力系统（UPS）和安全气瓶作为备用动力源，使控制系统具有多重保障作用。

3）井控系统结构布局合理，操作方便，防喷器组能快速移运、控制管排满足零排放要求，整个井控系统符合HSE和API（美国石油学会，American Petroleum Institute）相关规范，满足沙漠钻机井控设备的高要求。