高压油气层溢流关井后井内钻具防上顶技术措施探讨与研究

余孟宸

摘要：本文旨在探讨利用井口防喷器自身具备的开关快速、承压能力高的特点作为发生险情时优先使用的钻具防上顶技术措施。快捷、高效、安全地控制井口钻具被顶出井口，避免险情进一步扩大化。

关键字：钻井井控事故、钻具上顶、液压防喷器

一、 选题背景

在钻井生产过程中，钻遇异常高压地层或钻井液密度设计偏低等因素发生溢、流关井后，环空压力不断升高，对井内钻具形成上顶力并逐渐增大，尤其在下钻初期和起钻后期钻具重量较轻时，当上顶力超过钻具自重时就会发生将钻具顶出井口的严重钻井井控事故。

二、 溢流关井后钻具上顶原因及计算

钻具上顶力的原因是当钻井液柱压力不足以平衡地层压力关井后，地层压力与钻井液柱压力差值作用在钻头截面积上或被氢脆断裂钻具断面截面上而产生的将井内钻具整体向井口方向上推的作用力。

实例：某井井底压力反算： （上顶力根据当时指重表最大减小值110t计算）

钻具组合：

Φ215.9mm牙轮钻头+双母接头+浮阀1只+Φ158.8光钻铤×9.1m+Φ158.8箭型回压阀2只+Φ158.8光钻铤×185.12m+转换接头+18°Φ127斜坡钻杆×4489.64m+下旋塞1只+箭型回压阀1只+18°Φ127mm斜坡钻杆+方保+下旋塞+Φ133mm六方钻杆。

158.8mm光钻铤重量1.367KN/m 气体中浮重 1.257KN/m

Φ127mm 斜坡钻杆 重量0.2946KN/m 气体中浮重 0.2693 KN/m

瞬时冲击上顶时截面积（按钻头截面积计算）： 0.0366m2 ，

瞬时冲击上顶时截面积（按钻铤截面积计算）： 0.0198m2

上顶力达1100KN时的井底瞬间压力（按钻头截面积计算） ： 30MPa，

上顶力达1100KN时的井底瞬间压力（按钻铤截面积计算）： 55.5 MPa

极端情况假设：

某油气田属高含硫区域，目前该区域的钻井生产过程普遍配套使用压力级别为70MPa的封井器（35-70），我们假设含硫油气已上窜至井口，关井套压达到了封井器安全工作压力上限且钻具在井口发生了氢脆断裂。我们以5”钻具在井口为例来计算上顶力：

5”钻具断面横截面积：

截面上所受到的上顶力：

由上述计算可以得知钻具在井口发生氢脆断裂的情况下（钻具重量忽略不计）环空极限压力对钻具产生的极限上顶力约为90.7T。

三、 针对用关闭防喷器来防顶现场提出两大疑虑的解释

1.防喷器自身有多大承戴能力

防喷器受力相关标准及规范GB20174-2006、钻通设备API16A 2004中：

附录C 操作性能试验程序

C 4.2 悬吊试验

C 4.2.4.4 将模拟钻杆接头提起，使其 18º 台肩紧挨在闸板的正上方。以制造商推荐的关闭压力关闭闸板抱住钻杆。

C 4.2.4.6 在 1.4 Mpa 至 2.1 MPa（200 psi 至 300 psi）和防噴器最大工作压力下进行试验。

C 4.2.4.6 将井压降至零，逐级增加载荷。对于每一次载荷增量，重复 C.2.4.5 试验，直到闸板密封出现泄漏或对于 125 mm（5 in）或更大钻杆，载荷达到 2.7 MN（600 000 lb），或对于小于125 mm（5in）的钻杆，载荷达到 2.0 MN（440 000 lb）。

C 4.2.4.6 在仅靠防喷器的锁定机构维持闸板关闭状态的情况下，重复C.2.4.5至C.2.4.6的操作

从悬吊试验对比分折 11〞以上防喷器用5〞18°斜坡钻杆，悬吊吨位可达 272 T。 11〞以下防喷器用3 1/2〞18°斜坡钻杆，悬吊200T是设备应具备的功能。虽然在钻具防顶上没有具体要求，但对于钻杆公接头上部斜坡角为35°（>18°）来说，封井器闸板反向受力也同样适用。

典型案例：某油田出现过因人员操作失误关井后将钻具（3 1/2”钻杆）提断的事故，据录井队仪器显示，提断钻具时的吨位均达到了150T左右，后经检查， 防喷器闸板密封均未受到损坏。

2. 防喷器在关闭后上下活动钻具闸板胶芯是否会损坏

防喷器活动钻具有相关标准及规范GB20174-2006、钻通设备API 16A 2004中

强行起下钻寿命试验

C 2.6.3.对于 279 mm（11 in）及更大通径的防喷器，用一根外径127 mm（5 in）（不带钻杆接头）的试验芯轴；对于228 mm（9 in）及更小通径的防喷器，用一根外径88.9 mm（3 1/2 in）（不带钻杆接头）的试验芯轴。

C 2.6.4. 井压为 6.89 MPa（1000 psi）的情况下，以制造商推荐的最小关闭压力加上 0.69 MPa（100 psi）（摩擦效应）作为初始的关闭压力。在用此压力关闭闸板抱住试验芯轴后，施加 6.89 MPa（ 1 000psi）井内压力，降低关闭压力直到防喷器渗漏率小于4 L/min（1 gal/min）（以湿润试验芯轴外壁）为止。

C 2.6.5. 使试验芯轴以 600 mm/s（2 ft/s）的速度作往复运动，直到相当于 9.1 m（30 ft）长的管子强行通过闸板密封件为止。

C 2.6.8.重复 C.2.6.4 至 C.2.6.6，直到渗漏率超过 4 L/min（1 gal/min），或相当于 15000 m（50000ft）的钻杆穿过密封元件。

从上面试验对比分折现场只对所关闭的钻杆上提几米是不会对闸板胶心造成损坏的

四、 防喷器法防钻具上顶措施的优势和推荐做法

与传统钻具死卡和钢丝绳组合预防钻具上顶措施相比，防喷器法防钻具上顶措施具有快速、高效、安全等多方面优势，操作无异于用防喷器关井且钻具被闸板封芯环抱，受力更为均匀，最大可能避免发生钻具因上顶力喷出井口的井控险情，同时还能保证作业人员的人身安全。

推荐操作程序：

1. 根据工况，按“四七”动作进行关井操作；

2. 确认防喷器半封闸板距钻台转盘面的距离；（这个距离在防喷器安装好后就应确认好并让正副司钻牢记）

3. 发生溢流关井，关闭半封后慢慢上提钻具使井口钻杆公接头的根部尽量接近闸板封芯的下端面；