吳永良，符新濤，張 旭

（1.中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，上海 200120；2.中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司 上海 201208；3.中石化海洋石油工程有限公司，上海 200120）

我國(guó)南海和東海海域存在許多高溫高壓井，地層壓力系數(shù)往往超過(guò)2.0，有的高達(dá)2.38，普遍存在地層壓力窗口窄，溢流和漏失同層，井控難度大，儲(chǔ)層保護(hù)困難等難題，對(duì)海洋高溫高壓鉆井的井筒壓力控制提出了很大挑戰(zhàn)。

控制壓力鉆井（Managed Pressure Drilling，MPD）技術(shù)能很好地解決上述部分難題[1]，IADC（國(guó)際鉆井承包商協(xié)會(huì)）對(duì)控壓鉆井作出了如下定義：“控壓鉆井技術(shù)是一項(xiàng)改進(jìn)的鉆井程序，可以精確地控制整個(gè)井眼的環(huán)空壓力剖面。其目的在于確定環(huán)空壓力窗口，精確控制環(huán)空壓力剖面?！盵2]控壓鉆井與常規(guī)鉆井相比有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）實(shí)現(xiàn)更精確地控制鉆井液對(duì)井底的壓力，消除開(kāi)停泵對(duì)循環(huán)壓力和井底壓力的影響，減少壓力波動(dòng)，更好地控制高溫高壓油氣井；（2）使鉆井過(guò)程中鉆井液漏失和井涌最小化，可以有效避免對(duì)地層的污染和將H2S 等危險(xiǎn)氣體留在井下，提高鉆探成功率和安全性；（3）減少套管下入層數(shù)，優(yōu)化鉆井設(shè)計(jì)；（4）避免壓差卡鉆的發(fā)生；（5）降低鉆井液的密度，從而降低對(duì)鉆井液的要求和對(duì)鉆井液循環(huán)設(shè)備的要求；（6）在不調(diào)整鉆井液密度的情況下，快速應(yīng)對(duì)井底壓力變化，降低高難度井、高溫高壓井鉆探難度。因此，控壓鉆井能夠很好地解決窄密度窗口、高溫高壓、漏失地層、窄壓力剖面等油氣鉆井中的疑難雜癥。控壓鉆井在海洋鉆探中將會(huì)有良好的應(yīng)用前景。

目前，國(guó)內(nèi)海上控壓鉆井技術(shù)在自升式平臺(tái)上得到了良好應(yīng)用，但在浮式鉆井裝置上還尚未進(jìn)行過(guò)控壓鉆井施工[3]。因受浮式鉆井裝置的構(gòu)造形式、升沉補(bǔ)償能力、水下防噴器安裝工藝以及平臺(tái)工作空間等客觀條件的制約，對(duì)浮式鉆井裝置需要配備的控壓鉆井裝備提出了更高的要求。在浮式鉆井裝置上還需要考慮因海洋環(huán)境波浪作用造成的井筒內(nèi)壓力波動(dòng)以及海水腐蝕對(duì)控壓設(shè)備的影響。

1 三段式伸縮節(jié)研制

1.1 “勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)控壓鉆井改造基本方案概述

通過(guò)對(duì)“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)控壓鉆井方案的優(yōu)選，確定采用“將旋轉(zhuǎn)控制鉆井總成（Rotary controlled drilling assembly，RCD）安裝在伸縮隔水管上方，并將伸縮隔水管內(nèi)筒拆卸”的方案。該方案需要研制1 根三段式伸縮節(jié)和1 個(gè)三段式伸縮節(jié)卡盤(pán)、在活動(dòng)門(mén)上安裝和拆卸RCD 用的1 個(gè)RCD 卡盤(pán)、2套轉(zhuǎn)換短接、2 根3 英尺短隔水管；改制和修理原導(dǎo)流器及其送入工具和原伸縮隔水管（去掉原伸縮隔水管內(nèi)筒及盤(pán)根盒，在其外筒上部加工一個(gè)與普通隔水管相匹配的轉(zhuǎn)換接頭，在伸縮隔水管外筒上接RCD及控壓管串）；控壓鉆井其它需要設(shè)備租用；控壓鉆井各種裝置和設(shè)備與平臺(tái)的設(shè)備和管線連接[4-6]?！翱碧饺?hào)”半潛式鉆井平臺(tái)控壓鉆井安裝到位示意圖和隔水管柱方案示意圖分別見(jiàn)圖1 和圖2。

圖1 “勘探三號(hào)”平臺(tái)控壓鉆井設(shè)備安裝到位示意圖Fig.1 Schematic diagram of the installation of controlled pressure drilling equipment on "Kantan 3" platform

從圖1 和圖2 中不難看出，三段式伸縮節(jié)是浮式鉆井裝置（半潛式鉆井平臺(tái)或鉆井船）進(jìn)行控壓鉆井需要配套的最為關(guān)鍵的設(shè)備之一，非常有必要對(duì)其進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研制。

1.2 選擇三段式伸縮節(jié)原因

為了在較小的上下空間實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的伸縮行程，需要采用多段式伸縮節(jié)，但由于多段式伸縮節(jié)每段之間均需要密封，而密封結(jié)構(gòu)屬于易損件，是伸縮隔水管的最薄弱環(huán)節(jié)，并且密封結(jié)構(gòu)會(huì)占據(jù)一定的空間，導(dǎo)致伸縮隔水管伸縮行程并不會(huì)隨著段數(shù)的增加而線性增加。通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算分析和優(yōu)選，確定采用三段式伸縮隔水管。

1.3 研制難點(diǎn)及關(guān)鍵

“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)三段式伸縮節(jié)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)：（1）垂向安裝空間極?。s13 m），要求其收縮后的長(zhǎng)度不能大于6.1 m；（2）要能通過(guò)37-1/2″（952.5 mm）轉(zhuǎn)盤(pán)下放與回收，要求其外徑不能大于946 mm；（3）其內(nèi)要能通過(guò)RCD 旋轉(zhuǎn)總成（最大外徑530 mm），要求其通徑必須大于530 mm。所以“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)三段式伸縮節(jié)研制關(guān)鍵如下：（1）需要盡量增長(zhǎng)伸縮行程，使平臺(tái)擁有更多的升沉補(bǔ)償冗余度，能夠更好地適應(yīng)南海和東海惡劣海洋環(huán)境條件下的控壓鉆井作業(yè)；（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)三段式伸縮節(jié)盤(pán)根結(jié)構(gòu)；（3）在滿足內(nèi)外徑尺寸要求的條件下，盡量增加三段式伸縮節(jié)縮進(jìn)且機(jī)械插銷(xiāo)鎖住時(shí)的承載能力，使之在應(yīng)急狀態(tài)下，能夠?qū)崿F(xiàn)下隔水管組的應(yīng)急解脫。

1.4 行程選擇

首先采用調(diào)研、統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)查詢(xún)及咨詢(xún)相結(jié)合的方法來(lái)確定“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)三段式伸縮節(jié)的初步設(shè)計(jì)行程，然后再通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化來(lái)最終確定該三段式伸縮節(jié)的行程。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)查詢(xún)，“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)在南海西部LD 區(qū)塊作業(yè)的海域，在2016 至2019 年的4 年中，年度最大潮差為2.1 m，月度最大潮差出現(xiàn)在2018 年12 月，為1.79 m，月度最大升沉為1 m。根據(jù)日常觀察，在較為惡劣的海況下，“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)的最大升沉不到4 m。考慮到隔水管的配長(zhǎng)誤差及平臺(tái)吃水變化，增加額外安全余量1.6 m，因此，三段式伸縮節(jié)的最大行程為7.4（1.79+4+1.6） m 時(shí)，可以滿足“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)正常作業(yè)時(shí)的升沉要求。

另外，HALLIBURTON（哈里伯頓）公司提供的三段式伸縮節(jié)的最大行程為8 m，因此，也將為“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)控壓鉆井配套自行研制的三段式伸縮節(jié)的行程初步設(shè)計(jì)成8 m。

1.5 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)原配伸縮隔水管的盤(pán)根采用如圖3 所示的雙盤(pán)根結(jié)構(gòu)，上部盤(pán)根為分體式（兩半組合在一起）的氣控盤(pán)根，下部盤(pán)根為整體式的液控盤(pán)根。最初寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司（項(xiàng)目協(xié)作方）也是參照這種結(jié)構(gòu)來(lái)為“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)三段式伸縮節(jié)的盤(pán)根，但是認(rèn)為保證“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)控壓鉆井作業(yè)的安全比密封可靠性更為重要，因此，決定將三段式伸縮節(jié)的盤(pán)根結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)成如圖4 所示的整體式液氣雙控的單盤(pán)根結(jié)構(gòu)。該優(yōu)化設(shè)計(jì)節(jié)約了三段式伸縮節(jié)2 組盤(pán)根（內(nèi)筒與中間筒、中間筒與外筒之間盤(pán)根）占據(jù)的高度空間，從而能夠使三段式伸縮節(jié)的行程從8 m 增加到9.5 m。三段式伸縮節(jié)盤(pán)根的液氣雙控模式是指：當(dāng)“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)實(shí)施控壓鉆井不需要導(dǎo)流時(shí)，使用氣控模式，保證不漏鉆井液即可；當(dāng)“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)使用控壓鉆井并需要導(dǎo)流時(shí)，將氣控模式切換為液控模式，使盤(pán)根能夠密封500 psi 的壓力，這一壓力值與隔水管系統(tǒng)的額定工作壓力一致，以確保“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)在控壓鉆井時(shí)的井控安全。

圖3 雙盤(pán)根結(jié)構(gòu)Fig.3 Double disc structure

圖4 三段式伸縮節(jié)的整體式液氣雙控單盤(pán)根Fig.4 Integral liquid-gas double control single disc of threesection telescopic joint

三段式伸縮節(jié)的冷卻水和盤(pán)根控制液氣接口設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5，將“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)三段式伸縮節(jié)的冷卻水管直接設(shè)計(jì)在盤(pán)根壓蓋上，與該平臺(tái)原伸縮隔水管的外裝冷卻水管相比，不但冷卻效果好，而且安裝起來(lái)也更為方便快捷。為了拆裝方便，將三段式伸縮節(jié)內(nèi)筒與中間筒、中間筒與外筒之間的連接方式全部設(shè)計(jì)為圖6 所示的機(jī)械插銷(xiāo)式結(jié)構(gòu)。

圖5 三段式伸縮節(jié)的冷卻水和盤(pán)根控制液氣接口設(shè)計(jì)Fig.5 Design of liquid-gas interface for cooling water and disc control of three-section telescopic joint

圖6 “勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)控壓鉆井三段式伸縮節(jié)Fig.6 Three-section telescopic joint of controlled pressure drilling of "Kantan 3" semi-submersible drilling platform

通過(guò)全面地分析和不斷地優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定了“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)三段式伸縮節(jié)的技術(shù)參數(shù)，研制出了圖6 所示的 “勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)控壓鉆井三段式伸縮節(jié)。

2 三段式伸縮節(jié)卡盤(pán)研制

由于“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)的三段式伸縮節(jié)的外筒直徑（Φ28″）比原伸縮隔水管的外筒直徑（Φ24″）要大，而且需要坐放在轉(zhuǎn)盤(pán)上與導(dǎo)流器對(duì)接和解除三段式伸縮節(jié)之間的鎖銷(xiāo)，常規(guī)隔水管卡盤(pán)不能用于三段式伸縮節(jié)在轉(zhuǎn)盤(pán)上的坐放，因此需要專(zhuān)門(mén)研制用于三段式伸縮節(jié)坐放于轉(zhuǎn)盤(pán)上的卡盤(pán)，圖7 為自行設(shè)計(jì)研制的三段式伸縮節(jié)卡盤(pán)。

圖7 三段式伸縮節(jié)卡盤(pán)Fig.7 Three-section telescopic joint spider

通過(guò)全面地分析和不斷地優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定了“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)三段式伸縮節(jié)卡盤(pán)的技術(shù)參數(shù)，“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)控壓鉆井用的三段式伸縮節(jié)及卡盤(pán)已由寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司（項(xiàng)目協(xié)作方）完成制造并通過(guò)了所有必須的FAT 試驗(yàn)（如多狀態(tài)載荷試驗(yàn)、多壓力下盤(pán)根多點(diǎn)靜密封試驗(yàn)、功能試驗(yàn)和接口密封連接試驗(yàn)等），圖8 為研制的新設(shè)備在工廠組裝試壓圖。

圖8 研制的新設(shè)備在工廠組裝試壓Fig.8 The new equipment developed is assembled in the factory for pressure test

3 應(yīng)用

3.1 應(yīng)用情況

2022 年11 月，國(guó)內(nèi)首次在“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)成功組裝了包括三段式伸縮節(jié)及卡盤(pán)在內(nèi)的控壓鉆井配套設(shè)備[3]。三段式伸縮節(jié)及卡盤(pán)和其它控壓鉆井配套設(shè)備一起成功應(yīng)用于2022 年11 月13 日開(kāi)鉆的DF11-2-1D 和2023 年1 月17 日開(kāi)鉆的DF11-2-2 井，經(jīng)受了時(shí)間和實(shí)踐的雙重檢驗(yàn)，現(xiàn)在還在LD 區(qū)塊的其他高溫高壓井中得到陸續(xù)應(yīng)用。圖9 為其在“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)上的使用照片。圖10為“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)控壓鉆井三段式伸縮節(jié)卡盤(pán)的實(shí)際使用圖。

圖9 三段式伸縮節(jié)在“勘探三號(hào)”平臺(tái)上使用Fig.9 Three-section telescopic joint is used on the"Kantan 3" platform

圖10 K3 平臺(tái)控壓鉆井三段式伸縮節(jié)卡盤(pán)實(shí)際使用圖Fig.10 Actual usage diagram of three-section telescopic joint spider for K3 platform controlled pressure drilling

3.2 應(yīng)用效果及意義

自主研制的三段式伸縮節(jié)及卡盤(pán)等浮式控壓鉆井配套設(shè)備在“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)上得到了多口井的陸續(xù)應(yīng)用，實(shí)際使用效果良好，很好地解決了我國(guó)南海和東海許多高溫高壓井普遍存在的地層壓力系數(shù)高，地層壓力窗口窄，溢流和漏失同層，井控難度大，儲(chǔ)層保護(hù)困難等部分難題，安全順利地完成了南海LD 區(qū)塊多口高溫高壓井的鉆井作業(yè)，開(kāi)創(chuàng)了控壓鉆井在中國(guó)海洋浮式鉆井裝置上成功使用的先河，填補(bǔ)了我國(guó)在該領(lǐng)域的空白，打破了國(guó)外壟斷，增強(qiáng)了中國(guó)海洋油氣鉆探的能力。

4 結(jié)論與建議

（1）三段式伸縮節(jié)及卡盤(pán)的國(guó)產(chǎn)化研制是非常成功的，實(shí)際使用效果良好。

（2）三段式伸縮節(jié)及卡盤(pán)的設(shè)計(jì)、研制思路和方法可為我國(guó)其它浮式鉆井裝置的控壓鉆井配套提供借鑒。

（3）繼續(xù)跟蹤三段式伸縮節(jié)的使用情況，對(duì)其設(shè)計(jì)或制造中存在的不足進(jìn)行整改或完善。然后再定制1 根新的三段式伸縮節(jié)，在設(shè)計(jì)和制造時(shí)增加其在縮進(jìn)和機(jī)械插銷(xiāo)鎖住時(shí)的承載能力，使之在應(yīng)急狀態(tài)下，能夠?qū)崿F(xiàn)下隔水管組的應(yīng)急解脫。