深海石油钻井安全发展趋势及建议

深海钻井水下井控系统发展建议

一、 概况

随着世界经济的发展，能源需求不断增加，在市场需求压力和高油价的驱使下，未来全球海洋油气勘探开发将继续快速增长，投资不断增加，海上油气产量继续增长，勘探开采作业海域范围和水深不断扩大，与之相匹配的海洋石油装备需求也剧增, 而且向深水、大型化和自动化方向发展，目前全世界范围现有半潜式钻机223部、钻井船118艘，且每年各增加约10部。

二、 水下井控系统主要特点

陆地和浅水防喷器组等井控设备的设计和工艺技术以及使用经验已相当完善。与用于陆地钻井装置和非浮式钻井平台所用的防喷器不同，深水防喷器组安装于数百至数千米水深的海底井口上，由于作业环境的特殊性，不仅防喷器组本身有变化，而且控制系统、钻井作业程序以及设备的使用程序也要做相应的改动。与陆地和浅水防喷器组相比，深水防喷器组主要有4个方面的工作特点。

1.工况更加恶劣，设计、安装和使用时需要考虑的因素增多。因为在深水中使用，必须考虑外部静水压力的影响；由于要安装在海底，其安装作业的难度、成本与陆地和浅水钻井作业相比都急剧增加；一般到达300 m水深以后，就必须要考虑气体水合物的影响。

2.因为深水钻井风险和投资十分巨大，对深水防喷器性能提出了更高的要求，为适应这一点，防喷器的尺寸(壁厚、体积等)就明显增加。

3.因为使用了细长(长度一般与作业水深相同)的节流压井管线，进行井控作业时必须要考虑流体在其中流动产生的压耗；由于深水防喷器组体积的增加，就需要更多体积的流体来实现对防喷器组的控制，因此对液压控制系统的工作能力和响应时间提出了更高的要求。

4.为避免液压控制液在返回管线中产生较大压降，一般将液压控制液排放到海水中而不返至水面，这就要求使用的液压控制液是一种无腐蚀性、无污染的环保流体；另外，为保证液压控制系统有足够快的响应时间，这种工作液粘度应该尽量低，并具备很好的润滑性。

三、 水下井控系统的组成及发展

水下井控系统主要由防喷器组和控制系统组成。

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1、深水防喷器组

防喷器组的选配，因所施工的地层压力、海洋环境条件和当地法规规定，而有所不同，自井口头向上，通常包括：井口头连接器、管子闸板防喷器、套管剪切防喷器、全封剪切闸板防喷器、下环形防喷器、隔水管下部组合（LMRP）和安装于防喷器本体上的压井/节流管线及阀门。其中管子闸板防喷器通常有2和3套，以保证在井涌时能够成功地封住钻杆和井眼的环形空间，其形式多为可变径闸板，以适应不同尺寸的钻具，而无需频繁的更换闸板。多数深水防喷器组仅有一套全封剪切闸板，但是，目前也有出现了配有两套全封剪切闸板的防喷器组，这种配置与先进故障安全型应急控制系统配合使用，增加了防喷器剪断钻柱的成功率，从而提高了防喷器的可靠性。

具有足够的承压能力和关闭井眼的能力，是防喷器能够顺利实施关井的关键，深水防喷器通常具有较高的承压能力，闸板防喷器的额定承压能力通常为103.4（15000PSI）,环形防喷器的承压能力也达到69MPa(10000psi)。目前承压能力最高的闸板防喷器可承受172.4Mpa(25000psi)的高压。用于3000m水深的新型全封剪切闸板的闭合力达到8456Kn,从而保证了防喷器能够在较高的井口压力下剪断钻具、封闭井口。

2、深水防喷器控制系统

i.深水防喷器控制位置

深水防喷器平台上的控制位置分别位于防喷器控制室、司钻房的队长室，在上述控制位置上还设有应急控制操作终端。ROV操作面板位于水下防喷器的本体上，当无法从平台上对防喷器进行操作时，可以通过ROV对水下防喷器实施就地控制。对于设有声控备份系统的防喷器系统，操作人员还可能使用便携式的声波控制装置，从钻井平台上或平台附近的船上，控制水下防喷器组。设置多个控制位置是为了：在事故发生时，其中一个控制位置不可接近，甚至整个平台沉没后，仍可由其它控制位置完成对防喷器的操作。

ii.深水防喷器主控制系统

大多数深水防喷器系统为电液控制，主控制系统主要包括：控制液配制装置、液压动力装置、中央控制装置、水下控制箱和动力液及信号传输装置等。

液压动力装置中的加压泵，配有主用和备用泵，以保证单台泵发生故障时仍能为蓄能器冲压。蓄能器具有足够的可用容量和压力，以保证防喷器的操作所需。安装于水下防喷器上的水下蓄能器，大大减小了防喷器响应时间。深水防喷器的液压输送管线和控制盒均为双套，单个系统失效时，仍可以通过另

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一套系统操作防喷器。所有这些都提高了深水防喷器控制系统的可靠性。

iii.深水防喷器第二控制系统

由于井喷事故的突然性和复杂性，为了进行一步提高防喷器的可靠性，先进的深水防喷器装设了第二控制系统，以备在主控制系统不能工作时，对防喷器的主要功能进行迅速操作。这些系统主要包括：电液备份系统、应急解脱系统、声控备份系统、ROV干预系统、自动关闭系统、自动解脱系统和自动剪切系统。它们的性能对比如表1。其中后三个系统符合故障安全的设计思想。第二控制系统有些可以单独使用，有些则需要结合在一起配合使用（如自动剪切系统和自动解脱系统）。有些公司产品的应急系统，也集成了上述两个甚至多个控制系统的功能。例如：HYDRIL公司的某些产品的自动剪切系统，就是将自动关闭系统和自动剪切系统的功能合而为一了。

上述第二控制系统都具有各自的特点。自动启动的故障安全型系统，具有反应快和动作迅速的优点，但是，只有将它们设为启动状态时才可发挥作用，如果安装和调试不当会引起误操作干扰正常施工。例如，某井在进行压井/节流管线试验时，引起了挠性接头转角过大，启动了剪切系统，造成误操作。

非独立的第二控制系统与主控制系统，共用一些控制部件，这就意味着，当主控制系统的故障造成这些共用部件失效时，这些第二控制系统也不能正常工作。

在平台工作水深发生变化时，需要对声控备份系统的声波强弱进行设定。使声波不要太强而导致声波在海底水面之间产生反射干扰系统的启动；但又要

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