有剪切閘板的井口防噴器組的配套及操作應用實踐*

杜春文,李小兵

(長慶培訓中心,陜西 西安 710600)

0 引 言

閘板防噴器作為實施油氣井壓力控制的重要裝備,是保證當出現井控險情時能迅速控制井口的關鍵井控設備。剪切閘板防噴器在內防噴工具失效、管柱彎曲等因素造成無法正常關井的情況下,通過剪斷井內管柱實施關井,它是防止井控險情進一步發展的最后一道屏障。如果缺乏該道屏障,則有可能導致生產作業發生災難性事故。2003年12月23日,在重慶開縣發生了羅家16H井井噴事故,雖然作業班組通過關閉防噴器成功控制了環空,但由于鉆柱水眼內未安裝鉆具回壓閥,搶裝內防噴工具又未成功,未能控制地層流體通過鉆柱水眼噴出,井口又未配置剪切閘板防噴器,無法剪斷鉆柱實施有效關井。事故導致高含硫化氫氣體大量噴出,造成了243人死亡。因此,剪切閘板防噴器配置對于高風險地區作業顯得尤為重要。為了適應不同的作業情況,井口通常安裝幾個防噴器,形成防噴器組。剪切閘板防噴器組常作為應對危急情況的關鍵裝備,要使其能夠安全可靠地完成功能,就必須保證井口裝置正確安裝,控制裝置合理配置,操作人員能夠正確操作。筆者重點對帶有剪切閘板的井口防噴器組配套不到位存在的風險進行了介紹,通過遠控臺工作原理的分析,得出及時制備高壓液壓油的要領,以對井控安全起到一定指導作用。

1 剪切閘板的結構及類型

剪切閘板由上、下兩塊閘板組成,閘板前部有剪切刃,頂部有密封裝置,如圖1所示。閘板前部的剪切刃可以剪斷井內管柱,也可以在井內沒有管柱時,當全封閘板使用。剪切閘板與普通閘板的安裝位置可以互換,即普通閘板與剪切閘板可以安裝在同型號的任意一個閘板腔內。

圖1 剪切閘板結構

按照結構的不同,剪切閘板分為兩種:整體式剪切閘板和分體式剪切閘板。整體式剪切閘板的閘板體和剪切刃為一體,如圖2所示。整體式剪切閘板具有結構簡單、維護方便的優點,但剪切刃一旦失效,就必須更換整個閘板。分體式剪切閘板如圖3所示,它也稱為鑲刃型剪切閘板,剪切刃與閘板體分別獨立制造,剪切刃鑲裝在閘板體上。閘板體可以配裝各類剪切刃,剪切刃失效后,只需重新裝入新的剪切刃,減少了成本支出。

圖2 整體式剪切閘板 圖3 分體式剪切閘板

按照刀刃結構的不同,剪切閘板可以分為幾種結構形式。

(1) 雙V型刀刃剪切閘板。上下閘板均都是V形刀刃,見圖2。由于V型結構在剪切時,刀刃與管柱的包圍面積大,實際剪切時閉合壓力降低,剪切作用力增大。

按照刀體密封結構的不同,雙V型刀刃剪切閘板又有兩種形式,其中一種稱為ISR內鎖緊剪切閘板[1],該閘板的密封由頂密封、側密封及底密封組成。底密封為主要密封。內鎖緊剪切閘板如圖4所示。剪切管柱后,下閘板刃口運動與上閘板底部密封條接觸,壓縮橡膠形成密封。但下閘板在移動過程中,刀刃對底密封橡膠條有剪切擠壓作用,容易造成橡膠的撕裂損壞。

圖4 內鎖緊剪切閘板

另一種稱為DSI剪切閘板[2],如圖5所示。該閘板的密封由頂密封,側密封,刀刃前端密封組成。上閘板存在凹槽,表面安裝有楔形密封條,下閘板刀刃能夠穿入上閘板中間凹槽內,刀刃前端表面與密封條緊貼,從而具備良好的刃前密封。

圖5 DSI剪切閘板 圖6 SBR型剪切閘板

(2) 剪切全封型閘板。也稱SBR型剪切閘板,如圖6所示。

上閘板的刀刃呈 V形,下閘板的刀刃為直刃,上閘板中間有凹槽,凹槽中安裝刀刃密封條。剪斷管柱后下閘板進入上閘板的凹槽中,擠壓密封條,使刃口密封。該密封屬于靜密封。

(3) W形刀刃剪切閘板。W形刀刃剪切閘板結構示意如圖7所示。該閘板是通過增加剪切刃的寬度實現防噴器內徑全區域覆蓋。當管柱發生偏心或彎曲時,剪切刃弧型結構可快速卡住管柱,完成閘板防噴器的剪切功能。該閘板主要考慮其剪切功能,不考慮其封井的作用,因此該閘板上并無密封件。

圖7 W形刀刃剪切閘板結構示意圖

2 工作原理及剪切機理

剪切閘板防噴器的結構如圖8所示。

圖8 剪切閘板防噴器結構示意圖

它主要由閘板、殼體、側門、液缸、活塞、閘板軸、鎖緊軸等組成。實施剪切作業時,通過液控系統向左右兩個油缸內擠入一定壓力的液壓油,推動活塞及閘板軸向井口方向移動,推動上下閘板向中心移動并合攏,以實現管柱剪切或井口密封。

假設剪切管柱的阻力為R,剪切作業時井口壓力為P井,閘板軸的截面積為S,剪切時液壓油缸的油壓為P油,活塞的截面積為A,鎖緊軸的截面積為f,進行剪切時,剪切閘板的受力分析如圖9所示。

圖9 剪切作業受力分析圖

在不考慮摩擦的情況下,在平衡狀態下,由圖9的受力分析可以得出:

P油×(A-f)=R+P井×S

(1)

由式(1)可以看出,實施剪切作業所需液壓油的油壓除了受防噴器的結構參數影響外,還受井口壓力和剪切管柱阻力的影響。井口壓力越大,剪切所需液壓油油壓越高;剪切管柱的阻力R主要受管柱規格、管柱材料的性能,被剪切管柱所受懸重的大小,管柱內外壓差的情況等因素的影響。剪切管柱的阻力R越大,剪斷管柱的液壓油油壓越高。

剪切管柱的過程可分為閘板向井眼方向移動,剪切刃與管柱接觸,管柱發生彈性變形、塑性變形、斷裂幾個階段,如圖10所示。管柱在剪切刃接觸位置出現應力集中,隨后不斷擠壓管柱使其產生彈性變形,隨著閘板的進一步運動,管柱進入塑性變形階段,閘板繼續合攏,最終剪斷管柱。

圖10 剪切管柱的過程示意圖

3 井口防噴器組的配置及功用

井口防噴器組件是緊急情況下用于剪斷井內管柱、以防井控險情進一步發展的井控裝置。經過多年的生產實踐,行業內對安裝剪切閘板的情形作了規定。文獻[3]明確規定:在含硫油氣井 (地層天然氣中硫化氫含量大于75 mg/m3)、高壓井(地層壓力不小于70 MPa)、高產井(天然氣測試產量不低于50×104m3/d的氣井,油氣測試產量當量不小于500 t/d的油井)以及區域探井應安裝剪切閘板,并推薦了4種裝有剪切閘板防噴器井口裝置的組合形式,如圖11所示。

圖11 安裝剪切閘板的井口裝置組合形式

從圖11可以看出,以上4種方案中,從(a)～(d)的配置越來越豐富,井口裝置組合的高度也越來越高。顯然,方案(a)配置要求最低。但由于受投資成本、鉆臺底座高度等因素的制約,現場安裝有剪切閘板防噴器的井口裝置組合配置常常出現低于方案(a)的要求,因此存在一定作業風險。

3.1 未配置環形防噴器

環形防噴器的主要作用是能用膠芯封閉鉆桿、油管、套管等與井口套管形成的不同尺寸的環空,也可以實現方鉆桿、取芯筒與套管所形成的不同形狀環空的封控。為了保證井控安全和井口裝置的組合形式,要保證常規作業工況能正常進行關井。未配置環形防噴器的井口裝置組合形式,存在特殊情況下無法關井的情況。例如,在起下鉆柱的過程中,如果井內鉆柱內防噴工具失效,此時需要將鉆柱坐在轉盤面上并搶接鉆具回壓閥,如果這時井內噴勢比較強烈,可能導致回壓閥無法成功搶接,從而無法掛上吊環。這種情況下,鉆柱懸掛在井口,而且無法居中。此時無論是關上半封或者下半封,關井成功的可能性都相當低。另外,用轉盤進行鉆進作業時,出現了溢流。正常情況應是將方鉆桿提出轉盤面進行關井,但如果由于某種原因無法將方鉆桿提出轉盤面,且方鉆桿正好處于閘板位置,如果井口裝置組合中無環形防噴器,則無法關井。

3.2 未配置全封閘板

全封閘板主要用于當井內無管柱時實現對井口的全封閉。盡管現場出現空井的情況比較少,但在剪切管柱后必須要有全封閘板來實現封空井。剪切全封一體式閘板防噴器原則上利用剪切閘板剪斷管柱后,可以繼續把剪切閘板當全封閘板使用,實現空井封井。但現場使用情況表明,剪切全封一體化閘板既要實現剪切功能,又要實現全封井口,其功能的可靠性不高,往往出現剪切管柱過程中的密封失效。2020年6月發生在某油田的井噴事故,在井口裝置的設計中,未要求安裝全封閘板。作業隊安裝了剪切全封一體化閘板防噴器,現場出現緊急情況后,作業隊應用剪切閘板剪斷管柱后,把剪切閘板繼續當作全封閘板使用進行關井,但未能有效關井,最后演變成井噴失控事故。事后調查發現剪斷管柱后,剪切全封一體化閘板的密封失效。

3.3 遠控臺配置不合理或安裝不到位

剪切閘板能夠進行管柱的剪切作業并通過井口防噴器組實施關井,這離不開遠控臺提供的液壓動力。遠控臺提供的液壓油壓力必須大于剪切管柱時所需的最小壓力,否則就無法剪斷管柱。文獻[4]以FZ28-21型防噴器進行剪切閘板試驗,剪切Φ127 mm、29.0 kg/m的E級、G級鉆桿時,通過逐漸降低操作壓力,測出剪切所需的最低操作壓力分別為11.5 MPa和13.0 MPa。實驗是在井口無壓,管柱無內壓,管柱基本不承受軸向載荷的情況下測定的,在實際作業現場進行剪切作業時,井口有一定的壓力,管柱受一定的軸向載荷,管柱內可能還存在一定充填物,因此實際剪切的液壓油壓一般都大于實測值。某油田在搶險作業時對Φ127 mm的篩管進行剪切作業,控制油壓達到28 MPa,才完成剪切作業。眾所周知,遠控臺的額定壓力為21 MPa。剪切管柱的控制油壓有可能超過遠控臺的額定壓力,這就需要遠控臺具有制備超高壓的能力。目前,現場作業隊伍配置比較多的FKQ遠控臺就是利用輔助泵氣泵來制備超高壓的。但有些FK型號的遠控臺輔助泵為手搖泵,無法提供超高壓,最多只能提供21 MPa的液壓油,不具備制備超高壓的能力,也就極大可能無法剪斷管柱。

即使作業隊配備的是FKQ系列的遠控臺,但由于氣泵是輔助泵,往往也存在安裝不到位,氣泵不能發生效用的情況。如氣泵未接進氣管線,或者遠控臺安裝好后未對氣泵進行試運轉。在緊急情況下,要么無法啟動氣泵,要么氣泵運轉出現泄漏,因而無法完成超高壓制備的功能。

4 剪切管柱的操作及要求

文獻[3]明確了對管柱進行剪切作業的操作程序。①確保管柱接頭及加厚部位不在剪切閘板防噴器剪切位置后,鎖定絞車剎車系統;②關閉剪切閘板防噴器以上的半封閘板防噴器和環形防噴器,打開放噴管線泄壓;③打開剪切閘板防噴器以下的半封閘板防噴器;④打開蓄能器旁通閥,關閉剪切閘板防噴器,直至剪斷井內管柱關井;若未能剪斷管柱,應由氣動泵直接增壓,直至剪斷井內管柱關井;⑤關閉全封閘板防噴器,手動鎖緊全封閘板防噴器和剪切閘板防噴器;⑥試關井。

在實際剪切作業過程中,若在第④步的操作過程不當,將造成無法及時剪斷管柱的情形。

4.1 電泵增壓作用未充分發揮

控制剪切閘板防噴器的液壓工作原理簡圖如圖12所示。電泵啟停受壓力繼電器控制,通常壓力繼電器的調定壓力為18.5～21 MPa,當蓄能器中液壓油的壓力升高到21 MPa時,壓力繼電器控制電泵電機停止運轉,當蓄能器中液壓油的壓力降到18.5 MPa時,電機運轉,給系統補充油壓。因此,系統壓力始終維持在18.5～21 MPa。假設剪斷某管柱所需的液壓油壓為20 MPa,當打開蓄能器旁通閥,關閉剪切閘板換向閥時,如果蓄能器壓力下降到19 MPa,顯然該壓力高于用壓力繼電器控制的電泵啟動的控制壓力18.5 MPa,電泵不會給系統補壓,表面看來單獨靠電泵也就無法完成剪斷管柱的作業。

圖12 控制剪切閘板防噴器的液壓工作原理簡圖

如果此時能夠讓電泵啟動,給系統補壓,當壓力達到20 MPa時,就可以完成剪切作業。這可以通過調整遠控臺電控箱的主令開關來實現。當系統壓力降到19 MPa時,操作人員將主令開關置于“手動”位置,并按下啟動按鈕即可實現電泵的啟動并及時補壓。文獻[5]用實例驗證了此方法的可行性。

4.2 用氣泵制備超高壓操作不當

如果依靠電泵補壓仍然無法剪斷管柱,就需要通過氣泵制備超高壓(高于系統壓力21 MPa)來實現剪斷管柱作業?？刂萍羟虚l板防噴器的液壓工作原理簡圖如圖12所示。

正常情況下,氣泵的啟停受壓力繼氣器控制。一般壓力繼氣器調定壓力為20 MPa。要制備超高壓,就不能用壓力繼氣器控制氣泵啟停,必須打開壓力繼氣器旁的氣路旁通閥。由于制備的是超高壓,該壓力值往往超過蓄能器的工作壓力,此時必須關閉蓄能器進油截止閥,否則會造成蓄能器安全閥的開啟,造成氣泵無法制備超高壓的情況。

眾所周知,在氣泵功率一定的情況下,如果需要升壓的液壓油的量越多,在壓力升高值一定的情況下,所需時間越長。因此,為了能夠讓氣泵快速給系統升壓,在進行剪切作業時,可以在遠控臺上將部分執行機構的換向閥置于中位,以避免該執行機構液缸的液壓油也進行升壓。

5 結 語

文中針對剪切閘板防噴器的剪切刃結構和密封做了介紹;給出了剪切閘板防噴器的工作原理及剪切過程;對帶有剪切閘板防噴器井口防噴器組的配套及安裝存在的問題的風險進行了分析,通過對遠控臺工作原理分析得出制備高壓液壓油的操作,對實施有效剪切管柱作業,實現井控安全有一定指導意義。