CP-400型自升式钻井平台井控系统设计分析

史楠楠，赵 娜，韩 冰，郭龙德，张兴莲，杨 丰

（1．渤海装备辽河重工有限公司，辽宁盘锦124010；2．辽宁天意实业股份有限公司，辽宁　盘锦124010）

CP-400型自升式钻井平台井控系统设计分析

史楠楠1，赵 娜1，韩 冰1，郭龙德2，张兴莲1，杨 丰1

（1．渤海装备辽河重工有限公司，辽宁盘锦124010；2．辽宁天意实业股份有限公司，辽宁盘锦124010）

CP-400型自升式钻井平台的钻井深度为9 000m，作业水深为122m。分析了该平台配套的井控系统的设计准则、工作原理、关键部件的结构。经现场测试，各项性能参数满足规范的要求。在钻井过程中，该井控系统可以实时监测、预警以及处理各种突发事故，具有较高的可靠性，确保海上钻井作业的安全。

自升式钻井平台；井控系统；设计

CP-400型自升式钻井平台是渤海装备辽河重工有限公司独立研发、设计、制造的钻井平台之一。它适用于泥砂质或淤泥质海床作业，最大工作水深122m（400英尺），额定钻井深度9 000m（30 000英尺），可钻超深探井、大位移丛式井、水平井，具有试油辅助功能。

在海洋钻井过程中，井控系统的作用是对井下作业进行实时监测、预警，在地层压力遭到破坏而发生异常情况时，利用节流或压井等方法恢复和重建井底平衡压力，保护钻井人员、设备以及油气井的生产安全，避免因海洋环境污染和油气资源破坏产生的严重后果。笔者结合此平台的设计经验，重点分析了在海洋钻井平台井控系统的设计中应考虑的问题。

1 影响因素和设计准则

1） 海洋钻井平台设计首先应考虑作业海域所属国的相关标准，满足入级船级社的相关规范，最重要的是需要严格执行行业相关规范和标准。井控系统设计方面的规范主要有：A PI Spec 16 A《钻井通道设备规范》，N A C Em R0175—2003《油田设备用抗硫化应力裂纹的金属材料》，A PI Spec 6 A《井口装置和采油树设备规范》，G B／T22513—2008《井口装置和采油树》，A PI Spec 16D《钻井控制设备的控制系统》，S Y／T 5053．2—2007《钻井井口控制设备及分流设备控制系统规范》和A PI R P53《钻井用防喷器推荐标准》等。

2） 井控系统设计应满足海上处理各种钻井突发事故的能力，有效解决钻井过程中的密封、加压、节流压井问题。设备配置应有较高的可靠性和冗余性。

3） 平台空间尺寸和允许的可变载荷有限，系统设计应做到结构紧凑、质量轻、模块程度高；设备操作方便，密封安全可靠，现场维修方便。

4） 海洋环境盐雾大，腐蚀性强，要求整个系统的设备、管线、紧固件、结构件必须符合海洋环境的作业要求，采用防腐材料或表面喷涂防护［1］。

5） 海上作业对H SE的要求更加严格。井控设备和管线必须有显著的标示，设备必须预留足够的操作和维护的空间。

2 系统功能及原理

CP-400型自升式钻井平台井控系统主要由分流器系统、防喷器组、控制装置、节流压井阀门组、节流控制箱、液气分离器和相互连接的管汇组成。通常，海洋钻井的第1步是在海底敞口钻井［2］，随后安装大口径隔水套管，经过水泥固井后，继续安装分流器、防喷器、四通、套管头等。

分流器用在安装防喷器前的浅表层钻井。当遇到浅层液（气）时，分流器控制装置指挥设备本体关闭井内钻杆或套管环空，打开放喷管线，将其排放到指定的地点。随着钻井加深和防喷器组的安装，正常的井内循环通道形成，分流器设备就充当溢流口，压力控制交给防喷器组。当井内出现异常情况完成封井操作后，节流压井阀门组开始工作。如果出现溢流或小井涌时，使用节流管汇控制井内流体流出井口，降低井口套管压力，保护防喷器组，将溢流物引出。当溢流物含有H2S气体时，打开液气分离器的通道，有害气体经液气分离器处理后，排至天车顶部的燃烧器并点火燃烧成无害的气体，液体流入泥浆处理系统；如果溢流物中不含H2S气体，可以直接排放到钻台下面的泥浆返流槽流回至泥浆处理系统。当发生大量井涌至井喷时，使用压井管汇，根据地层压力选用立管闸门组或固井闸门组向井内强行泵入加重液，实现压井作业。如果发生井喷及着火现象，可以通过压井管汇强行向井内泵入清水或灭火剂，以助灭火。钻台上面的节流控制箱使泥浆立管闸门组和节流压井阀门组产生关联，通过电讯号及时反馈到司钻房或队长办公室。实现在钻井过程中对井内参数实时监测，确保井下作业安全。工作原理如图1。

图1 C P-400型自升式钻井平台井控系统工作原理

3 关键设备介绍

3．1 分流器

CP-400型自升式钻井平台选用m D22-500型分流器。公称通径711．2mm（28英寸），工作压力3．45mPa（500psi），支撑壳体上配有6个侧出口，分别承担补充泥浆口、引流放喷口、溢流口和测试的功能。其内部结构如图2。

处于表层井钻井时，分流器的胶芯处于完全开启状态，其侧出口溢流管上的阀处于开启状态，进行正常的钻井液循环。当发现溢流或浅气层需要引流放喷时，分流器控制系统开启对分流器和引流放喷口的液动球阀，分流器中的高压油由壳体油口进入活塞腔，将其间的橡胶挤向井口中心，实现密封钻具。同时，引流放喷口（左右各一，任选其中一个）的液动球阀打开，井内流体从引流放喷侧出口经放喷管线输送到指定安全的地方。当事故处理完毕时，分流器控制系统分流器关闭腔开关复位，分流器密封胶芯在自身弹力的作用下复位；同时液压控制系统的高压油进入引流放喷侧出口的液动球阀的关闭腔，液动球阀将引流放喷口关闭。

图2 分流器的内部结构

3．2 防喷器

防喷器是井控设备的核心组件，它的质量和性能直接影响到油气井压力控制的成败。CP-400型钻井平台选用1个环形防喷器（FH48-70）、2个双闸板防喷器（2FZ48-105）的组合形式。环形防喷器采用铸件H ydril G X型结构，闸板防喷器采用Cameron T L型闸板结构。闸板防喷器带有自动液压锁紧结构。

环形防喷器同分流器的控制原理相似。工作原理如图3。当发现井涌需要封井时，从控制系统输来的高压油从壳体上的关闭接口进入活塞下部关闭腔推动活塞向上运动，迫使胶芯向上向心运动，将锥型胶芯挤向井口中心，实现密封钻具或全封闭井口。打开时，液控压力从壳体上的开启接口进入活塞上部开启腔，推动活塞下行，胶芯在本身弹力作用下复位，将井口打开。

图3 环形防喷器工作原理

环形防喷器仅是在关井时的一个过渡设备，不允许用它长期关井作业［3］，长时间的封井应采用闸板防喷器。闸板防喷器开关动作如图4。当液控系统高压油进入左右液缸闸板关闭腔时，推动活塞带动闸板轴及左右闸板总成沿壳体闸板腔分别向井口中心移动，实现封井。当高压油进入左右液缸闸板开启腔时，推动活塞带动闸板轴及左右闸板总成向离开井口中心方向运动，打开井口。闸板开关由液控装置换向阀控制。一般在30 s内即可完成开关动作［4］。

图4 闸板防喷器工作原理

3．3 防喷器和分流器控制装置

控制装置由远控台、司控台和辅助控制台组成。远控台是制备、储存液压油并控制液压油的流动方向的装置［5］。通过操作上面的换向阀控制油路，实现防喷器或分流器的直接动作。司控台安装在钻台的司钻房内，属于远控台的遥控系统，可以间接操控防喷器和分流器。辅助控制台一般放在队长办公室，作为应急的遥控装置备用。

FKDQ2240-8型防喷器控制装置和FKDQ320-10型分流器控制装置是为C P-400型钻井平台特殊定制的。二者采用电气控液的形式。前者的蓄能器总容量为2240 L，后者的为320 L。防喷器远控台通过1个三位四通转阀、7个三位四通转阀分别控制环形防喷器、两个双闸板防喷器、放喷阀和压井阀等8个开关动作；分流器控制装置通过6个三位四通转阀和4个二位四通转阀控制分流器胶芯筒（关）、球阀（开／关）（注泥浆、测试口）、壳体密封环（关）、液压锁（开／关）等10个控制对象。远控台和设备采用GNG高压耐火隔热软管相连。如图1。为了节省空间，2个远控台共用1个油箱。

3．4节流压井阀门组及节流控制箱

节流压井阀门组集成在一个公共平台上，为手、液动双翼、双联立式结构，配有平台专用固定支架。节流、压井流程可实现独立工作。阀门组主通径是103．19mm（4英寸），旁通径是77．79mm（3英寸），公称压力是103．5mPa（15000 psi）。

压井管汇部分有3个接口，两处进口分别接立管、压井阀门组，出口通过压井软管同防喷器一侧的液动闸阀相连。节流管汇部分的进口通过节流软管和防喷器另一侧的液动闸阀相连，出口共有3个，一个与液气分离器相连，一个为试油流程分离器（预留接口），一个进入泥浆处理系统。

节流管汇控制箱是液动节流管汇上的控制装置。可远程控制两个液动节流阀的开或关。控制箱盘面上同时显示系统压力、气源压力、套管压力、压井压力、节流后压力、两个立管压力和两个液动节流阀的阀位开度。另外，为方便记录各个泥浆泵的泵冲次数及累加数，箱内配备了一台泵冲计数器，整机直观简洁，操作方便。

3．5 液气分离器

来自节流管汇的气侵钻井液，通过液气分离器的进液管线，从罐顶注入罐中；气侵钻井液以较大的速度撞击挡板，使钻井液中含有的气泡破碎释放，之后钻井液薄层流过金属表面，流动阻力可产生紊流将这些气泡带到表面从而分离。分离出的气体从分离器顶部排气管线同真空除气器排出的气体汇聚一起，引致天车顶端点火排出；沉积在罐底的钻井液则经液出口排出并引至钻井液净化系统进一步净化处理。其主要技术参数为：工作压力1．6mPa，钻井液最大处理量800m3／d，气体处理量14万m3／d，分离效率85%以上。

4 调试情况

C P-400型自升式钻井平台即将建造完成。井控系统于2014年9月在建造基地完成联机调试。测试数据如表1～2。分流器、防喷器组在做高压密封试验时无泄漏和不正常情况，其上阀门在带压作业开关自如。节流压井管汇在静密封试验下表现良好。额定工作压力下阀门无渗漏，压力稳定。

表1 井控设备响应时间

表2 节流压井管汇测试数据

经对比，测试结果符合A PI Spec 16D《钻井控制设备的控制系统》规范和A PI Spec 16C《节流压井管汇规范》第六章的静压试验要求。整个井控系统具有较高的可靠性。

Design for W ell Control System of Jack Up

S HI Nannan1，Z H A O Na1，H A N Bin1，G U O Longde2，Z H A N G Xinglian1，Y A N G Feng1
（1．China PetroleumLiaohe Equipment Com pany，Panjin124010，China；2．Liaoning Tianyi Industry Co．，Ltd．，Panjin124010，China）

T he drilling depth of the 400ftjack up is 9000m．A nd operating water depth is 122m．In this article，an analysis of the design criterion，w orking theory and structure of critical component for well control system of this jack up aremade．After the commission in the site，every performance parametermeets the requirement of the specification．T his system can realize the real timemonitor，prediction and the ability of handling all kinds of emergencies during the drilling procedure．It’smore reliable．A nd it ensures the safety of offshore drilling operation．

jack up；well control system；design

T E951

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．020

2014-12-25

史楠楠（1980-），女，辽宁鞍山人，工程师，硕士，2007年毕业于西安石油大学机械设计及理论专业，现从事石油钻井装备研究工作，E-mail：15942706752＠163．com。