超深水鉆井裝置防噴器系統(tǒng)配置可靠性分析

位于超級(jí)深水區(qū)的鉆孔裝置成本為幾十年的，大部分工作場(chǎng)所離海岸很遠(yuǎn)。該操作的海拔高度非常復(fù)雜，因此很難緊急救援、逃跑和救援。鉆井作業(yè)過(guò)程中,一旦發(fā)生井噴或在臺(tái)風(fēng)等緊急情況下臨時(shí)撤離,水下防噴器系統(tǒng)若不能安全有效地控制住井口及井內(nèi)流體,對(duì)海洋環(huán)境和油氣及生態(tài)資源的不良影響將不可估量,因此確保水下防噴器系統(tǒng)的安全可靠非常重要。自2010年“深水地平線”鉆井裝置沉沒(méi)造成海洋環(huán)境污染特大事故以來(lái),超深水鉆井作業(yè)的安全和環(huán)保問(wèn)題非常受世人矚目,防噴器系統(tǒng)的可靠性已成為首要控制指標(biāo)。目前,美國(guó)政府針對(duì)深水防噴器系統(tǒng)的可靠性做出了嚴(yán)格的規(guī)定,涉及的主要內(nèi)容有提交由獨(dú)立第3方所做的防噴器系統(tǒng)配置與待鉆井的適應(yīng)性評(píng)估報(bào)告、剪切閘板防噴器的剪切能力評(píng)估報(bào)告、防噴器組備用控制系統(tǒng)的配置說(shuō)明及其功能測(cè)試文件和防噴器組檢修記錄文件等,這對(duì)我國(guó)超深水鉆井裝置防噴器系統(tǒng)可靠性的分析研究有參考意義。本文采用多重冗余(即適當(dāng)備份或重復(fù))方法對(duì)目前中海油“海洋石油981”超深水鉆井裝置防噴器系統(tǒng)配置及功能和壓力測(cè)試進(jìn)行了可靠性分析,提出了進(jìn)一步提高該防噴器系統(tǒng)可靠性的配置方案。1閘板防噴器配置方案超深水防噴器系統(tǒng)的配置應(yīng)以安全、可靠為首選目標(biāo)。除了滿足常規(guī)的關(guān)井、井控及隔水管解脫工藝外,還應(yīng)滿足在關(guān)井過(guò)程中由于防噴器組及控制系統(tǒng)出現(xiàn)異?；蜚@井裝置突發(fā)事件的緊急情況下能夠安全有效地實(shí)施關(guān)井的特殊需求。通常超深水防噴器組的配置是在一個(gè)最基本的單環(huán)形與四閘板水下防噴器組合的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加備用設(shè)備所構(gòu)成。例如,增配套管剪切閘板防噴器以應(yīng)對(duì)下套管作業(yè)期間的關(guān)井作業(yè);選配變徑閘板以滿足井內(nèi)復(fù)合尺寸鉆桿時(shí)的關(guān)井需求;增配備用環(huán)形防噴器以應(yīng)對(duì)一個(gè)環(huán)形防噴器失效時(shí)的關(guān)井作業(yè)。“海洋石油981”超深水鉆井裝置配置了?476.250mm15000psi(1psi=6.895kPa)六閘板,以及水下防噴器組?168.275、149.225和88.900mm等3種尺寸的鉆桿(分別用于送入淺層大管徑的套管柱、正常鉆井、測(cè)試等作業(yè))。六閘板水下防噴器組合中除了鉆桿剪切密封閘板、套管剪切閘板防噴器外,其余4個(gè)閘板防噴器兼顧到上述3種尺寸鉆桿的關(guān)井需求。?149.225mm鉆桿作業(yè)周期長(zhǎng)、關(guān)井概率高,配置2個(gè)管子閘板(1個(gè)作為測(cè)試閘板),?168.275mm和?88.900mm鉆桿配置變徑閘板各1個(gè)?！昂Ｑ笫?81”防噴器組配置示意圖如圖1所示。?149.225mm鉆桿正常作業(yè)期間,長(zhǎng)期關(guān)井可首選?149.225mm管子閘板。如果不能有效關(guān)井,則可關(guān)閉2個(gè)變徑閘板中的任意一個(gè);若還不能有效關(guān)井,也可關(guān)閉最下部的?149.225mm測(cè)試閘板。在這種工況下,可關(guān)閉?149.225mm鉆桿的管子閘板已經(jīng)達(dá)到了4個(gè)。由此可見(jiàn),?149.225mm鉆桿作業(yè)中,除了正常關(guān)閉的1個(gè)閘板防噴器外,還有3個(gè)閘板防噴器可供備用,可靠性已經(jīng)達(dá)到了三重冗余配置。但是,在全井段使用?88.900mm鉆桿進(jìn)行下部井段的特殊作業(yè)期間,可長(zhǎng)期關(guān)井的只有?88.900~149.225mm變徑閘板防噴器。同樣,在使用?168.275mm鉆桿送入淺層大管徑的套管柱的特殊作業(yè)期間,也只有1個(gè)?127.000~177.800mm變徑閘板可供使用。特殊情況下剪斷井內(nèi)鉆桿并封閉空井時(shí),也仍然只有鉆桿剪切密封閘板防噴器可用。送入淺層大管徑的套管柱特殊作業(yè)時(shí)大都沒(méi)有打開(kāi)儲(chǔ)層,井涌的概率極低,沒(méi)有備用配置還是可以接受的。全井段使用?88.900mm鉆桿作業(yè)和剪斷井內(nèi)鉆桿密封空井的特殊情況通常都發(fā)生在打開(kāi)儲(chǔ)層后或遇有油氣井涌的時(shí)刻,雖然這2種情況發(fā)生概率不高,但偶發(fā)一次,如果防噴器組不能有效關(guān)井,作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)將不可控,后果及損失也不堪設(shè)想?！昂Ｑ笫?81”平臺(tái)所配置的防噴器控制系統(tǒng)包括1套多元復(fù)合主控制系統(tǒng)、聲控系統(tǒng)、遙控潛水器操控系統(tǒng)以及應(yīng)急液壓備用控制系統(tǒng)。多元復(fù)合主控制系統(tǒng)是最基本的控制系統(tǒng),也是正常作業(yè)期間使用頻度最高的系統(tǒng),主要由液壓動(dòng)力裝置、控制液混配裝置、蓄能器瓶組、中控臺(tái)、司控盤(pán)、輔助遙控盤(pán)、控制盒、管纜及滾筒組成,其主要功能是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能將混合液加壓后泵送到水上、水下蓄能器瓶組內(nèi)儲(chǔ)存高壓能量,并通過(guò)固定在隔水管外緣的主供液管線將高壓控制液輸送到水下控制盒處備用;一旦水上控制盤(pán)發(fā)出控制指令,能迅速有效地操控水下防噴器組。多元復(fù)合主控制系統(tǒng)具有2套功能完全相同的水下控制盒、控制管纜及滾筒,其中1套作為備用配置,以確保水上的控制指令和控制液能夠傳送到水下控制盒處。聲控系統(tǒng)和遙控潛水器操控系統(tǒng)作為備用控制系統(tǒng),是在主控制系統(tǒng)丟失高壓控制液或先導(dǎo)控制信號(hào)條件下才使用。應(yīng)急液壓備用控制系統(tǒng)是專(zhuān)門(mén)針對(duì)動(dòng)力定位鉆井裝置以及惡劣海況作業(yè)而配置的井口安全特殊控制系統(tǒng),其啟動(dòng)條件為藍(lán)、黃2個(gè)控制盒同時(shí)失去電纜控制信號(hào)和高壓控制液,系統(tǒng)一旦啟動(dòng)就會(huì)執(zhí)行一套全自動(dòng)的關(guān)井和解脫隔水管操控程序。聲控和遙控潛水器操控2個(gè)控制系統(tǒng)作為主控制系統(tǒng)的二重冗余配置設(shè)備,而應(yīng)急液壓備用控制系統(tǒng)作為主控制系統(tǒng)的三重冗余配置設(shè)備。2功能測(cè)試的測(cè)試方法防噴器系統(tǒng)配置從設(shè)備數(shù)量方面提升系統(tǒng)可靠性,而系統(tǒng)測(cè)試從設(shè)備發(fā)揮功效方面保障系統(tǒng)可靠性,二者相輔相成不可分割。相比之下,后者強(qiáng)調(diào)人為主觀意識(shí)因素。“海洋石油981”平臺(tái)水下防噴器系統(tǒng)的測(cè)試包括試壓樁和水下井口頭2處的測(cè)試,每處測(cè)試通常包括功能測(cè)試和壓力測(cè)試。試壓樁上的防噴器組功能測(cè)試要分別使用主控系統(tǒng)的藍(lán)、黃2個(gè)水下控制盒及各個(gè)控制盤(pán)交替進(jìn)行測(cè)試,并且還要對(duì)備用控制系統(tǒng)的控制盤(pán)進(jìn)行功能測(cè)試;但應(yīng)急液壓備用控制系統(tǒng)的功能測(cè)試現(xiàn)階段只能采用模擬事故信號(hào)的方式啟動(dòng)系統(tǒng)中的控制閥,以此證明其能夠?qū)崿F(xiàn)既定的功能。試壓樁上的防噴器組壓力測(cè)試數(shù)值可選取額定工作壓力的80%~100%。水下井口頭上的功能測(cè)試與試壓樁上的基本相同。水下井口頭上的壓力測(cè)試有試壓塞法和測(cè)試閘板法2種,配有測(cè)試閘板的組合可采用測(cè)試閘板法。水下井口頭上的防噴器組的初次壓力測(cè)試數(shù)值通常為額定工作壓力的80%,以后每下完1層套管后的測(cè)試壓力數(shù)值可根據(jù)待鉆井段的預(yù)測(cè)最高地層壓力數(shù)值確定,但要控制鉆桿剪切密封閘板防噴器的測(cè)試壓力不得高于套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的80%。除此之外,正常鉆井作業(yè)期間還要定期(不超過(guò)14d)進(jìn)行功能和壓力測(cè)試,通過(guò)入水前試壓樁處、入水后初次安裝到水下井口頭處以及正常鉆井作業(yè)過(guò)程中的定期測(cè)試,可及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處置相關(guān)問(wèn)題,從而保障防噴器系統(tǒng)的可靠性。3高效系統(tǒng)配置方案通過(guò)以上分析和探討,筆者認(rèn)為“海洋石油981”平臺(tái)所配置的防噴器控制系統(tǒng)和?149.225mm鉆桿正常作業(yè)時(shí)管子閘板屬于一個(gè)三重冗余的配置,有足夠的可靠性;目前防噴器系統(tǒng)的測(cè)試程序也能夠從入水前、初次裝在井口頭、下套管后及正常作業(yè)期間幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)保障系統(tǒng)的有效工作,可靠性也是有保障的;但在全井段使用?88.900mm鉆桿作業(yè)和剪切鉆桿的工況下,閘板的配置尚處于一個(gè)無(wú)冗余配置狀態(tài),雖基本滿足了現(xiàn)階段南海超深水鉆井常規(guī)作業(yè)的井控需求,但可靠性不足,如能再進(jìn)一步優(yōu)化閘板配置,使得?88.900mm鉆桿作業(yè)和剪切鉆桿的工況下具有一重冗余配置閘板,系統(tǒng)可靠性將會(huì)進(jìn)一步得到提升。基于目前的認(rèn)識(shí)程度,“海洋石油981”平臺(tái)現(xiàn)階段更好的超深水防噴器系統(tǒng)可靠性配置方案應(yīng)該是由一重冗余的剪切閘板配置、二重冗余的管子閘板配置(圖2)及三重冗余的控制系統(tǒng)配置構(gòu)成,這種配置的優(yōu)點(diǎn)是所增加的超級(jí)剪切閘板是其余2個(gè)剪切閘板的一重冗余配置,這種剪切能力極強(qiáng)的剪切閘板能夠剪斷入井的鉆桿接頭、加重鉆桿管體等管柱。當(dāng)鉆桿剪切