浮式控壓鉆井用三段式伸縮節研制及應用

吳永良，符新濤，張 旭

（1.中國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）

我國南海和東海海域存在許多高溫高壓井，地層壓力系數往往超過2.0，有的高達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，儲層保護困難等難題，對海洋高溫高壓鉆井的井筒壓力控制提出了很大挑戰。

控制壓力鉆井（Managed Pressure Drilling，MPD）技術能很好地解決上述部分難題[1]，IADC（國際鉆井承包商協會）對控壓鉆井作出了如下定義：“控壓鉆井技術是一項改進的鉆井程序，可以精確地控制整個井眼的環空壓力剖面。其目的在于確定環空壓力窗口，精確控制環空壓力剖面?！盵2]控壓鉆井與常規鉆井相比有以下優點：（1）實現更精確地控制鉆井液對井底的壓力，消除開停泵對循環壓力和井底壓力的影響，減少壓力波動，更好地控制高溫高壓油氣井；（2）使鉆井過程中鉆井液漏失和井涌最小化，可以有效避免對地層的污染和將H2S 等危險氣體留在井下，提高鉆探成功率和安全性；（3）減少套管下入層數，優化鉆井設計；（4）避免壓差卡鉆的發生；（5）降低鉆井液的密度，從而降低對鉆井液的要求和對鉆井液循環設備的要求；（6）在不調整鉆井液密度的情況下，快速應對井底壓力變化，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?？貕恒@井在海洋鉆探中將會有良好的應用前景。

目前，國內海上控壓鉆井技術在自升式平臺上得到了良好應用，但在浮式鉆井裝置上還尚未進行過控壓鉆井施工[3]。因受浮式鉆井裝置的構造形式、升沉補償能力、水下防噴器安裝工藝以及平臺工作空間等客觀條件的制約，對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境波浪作用造成的井筒內壓力波動以及海水腐蝕對控壓設備的影響。

1 三段式伸縮節研制

1.1 “勘探三號”半潛式鉆井平臺控壓鉆井改造基本方案概述

通過對“勘探三號”半潛式鉆井平臺控壓鉆井方案的優選，確定采用“將旋轉控制鉆井總成（Rotary controlled drilling assembly，RCD）安裝在伸縮隔水管上方，并將伸縮隔水管內筒拆卸”的方案。該方案需要研制1 根三段式伸縮節和1 個三段式伸縮節卡盤、在活動門上安裝和拆卸RCD 用的1 個RCD 卡盤、2套轉換短接、2 根3 英尺短隔水管；改制和修理原導流器及其送入工具和原伸縮隔水管（去掉原伸縮隔水管內筒及盤根盒，在其外筒上部加工一個與普通隔水管相匹配的轉換接頭，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備租用；控壓鉆井各種裝置和設備與平臺的設備和管線連接[4-6]?！翱碧饺枴卑霛撌姐@井平臺控壓鉆井安裝到位示意圖和隔水管柱方案示意圖分別見圖1 和圖2。

圖1 “勘探三號”平臺控壓鉆井設備安裝到位示意圖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，三段式伸縮節是浮式鉆井裝置（半潛式鉆井平臺或鉆井船）進行控壓鉆井需要配套的最為關鍵的設備之一，非常有必要對其進行國產化研制。

1.2 選擇三段式伸縮節原因

為了在較小的上下空間實現更長的伸縮行程，需要采用多段式伸縮節，但由于多段式伸縮節每段之間均需要密封，而密封結構屬于易損件，是伸縮隔水管的最薄弱環節，并且密封結構會占據一定的空間，導致伸縮隔水管伸縮行程并不會隨著段數的增加而線性增加。通過設計計算分析和優選，確定采用三段式伸縮隔水管。

1.3 研制難點及關鍵

“勘探三號”半潛式鉆井平臺三段式伸縮節的設計難點：（1）垂向安裝空間極?。s13 m），要求其收縮后的長度不能大于6.1 m；（2）要能通過37-1/2″（952.5 mm）轉盤下放與回收，要求其外徑不能大于946 mm；（3）其內要能通過RCD 旋轉總成（最大外徑530 mm），要求其通徑必須大于530 mm。所以“勘探三號”半潛式鉆井平臺三段式伸縮節研制關鍵如下：（1）需要盡量增長伸縮行程，使平臺擁有更多的升沉補償冗余度，能夠更好地適應南海和東海惡劣海洋環境條件下的控壓鉆井作業；（2）優化設計三段式伸縮節盤根結構；（3）在滿足內外徑尺寸要求的條件下，盡量增加三段式伸縮節縮進且機械插銷鎖住時的承載能力，使之在應急狀態下，能夠實現下隔水管組的應急解脫。

1.4 行程選擇

首先采用調研、統計和數據查詢及咨詢相結合的方法來確定“勘探三號”半潛式鉆井平臺三段式伸縮節的初步設計行程，然后再通過設計優化來最終確定該三段式伸縮節的行程。

根據統計和數據查詢，“勘探三號”半潛式鉆井平臺在南海西部LD 區塊作業的海域，在2016 至2019 年的4 年中，年度最大潮差為2.1 m，月度最大潮差出現在2018 年12 月，為1.79 m，月度最大升沉為1 m。根據日常觀察，在較為惡劣的海況下，“勘探三號”半潛式鉆井平臺的最大升沉不到4 m?？紤]到隔水管的配長誤差及平臺吃水變化，增加額外安全余量1.6 m，因此，三段式伸縮節的最大行程為7.4（1.79+4+1.6） m 時，可以滿足“勘探三號”半潛式鉆井平臺正常作業時的升沉要求。

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

1.5 設計要點

“勘探三號”半潛式鉆井平臺原配伸縮隔水管的盤根采用如圖3 所示的雙盤根結構，上部盤根為分體式（兩半組合在一起）的氣控盤根，下部盤根為整體式的液控盤根。最初寶雞石油機械有限責任公司（項目協作方）也是參照這種結構來為“勘探三號”半潛式鉆井平臺設計三段式伸縮節的盤根，但是認為保證“勘探三號”半潛式鉆井平臺控壓鉆井作業的安全比密封可靠性更為重要，因此，決定將三段式伸縮節的盤根結構優化設計成如圖4 所示的整體式液氣雙控的單盤根結構。該優化設計節約了三段式伸縮節2 組盤根（內筒與中間筒、中間筒與外筒之間盤根）占據的高度空間，從而能夠使三段式伸縮節的行程從8 m 增加到9.5 m。三段式伸縮節盤根的液氣雙控模式是指：當“勘探三號”半潛式鉆井平臺實施控壓鉆井不需要導流時，使用氣控模式，保證不漏鉆井液即可；當“勘探三號”半潛式鉆井平臺使用控壓鉆井并需要導流時，將氣控模式切換為液控模式，使盤根能夠密封500 psi 的壓力，這一壓力值與隔水管系統的額定工作壓力一致，以確?！翱碧饺枴卑霛撌姐@井平臺在控壓鉆井時的井控安全。

圖3 雙盤根結構Fig.3 Double disc structure

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

三段式伸縮節的冷卻水和盤根控制液氣接口設計見圖5，將“勘探三號”半潛式鉆井平臺三段式伸縮節的冷卻水管直接設計在盤根壓蓋上，與該平臺原伸縮隔水管的外裝冷卻水管相比，不但冷卻效果好，而且安裝起來也更為方便快捷。為了拆裝方便，將三段式伸縮節內筒與中間筒、中間筒與外筒之間的連接方式全部設計為圖6 所示的機械插銷式結構。

圖5 三段式伸縮節的冷卻水和盤根控制液氣接口設計Fig.5 Design of liquid-gas interface for cooling water and disc control of three-section telescopic joint

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

通過全面地分析和不斷地優化設計，最終確定了“勘探三號”半潛式鉆井平臺三段式伸縮節的技術參數，研制出了圖6 所示的 “勘探三號”半潛式鉆井平臺控壓鉆井三段式伸縮節。

2 三段式伸縮節卡盤研制

由于“勘探三號”半潛式鉆井平臺的三段式伸縮節的外筒直徑（Φ28″）比原伸縮隔水管的外筒直徑（Φ24″）要大，而且需要坐放在轉盤上與導流器對接和解除三段式伸縮節之間的鎖銷，常規隔水管卡盤不能用于三段式伸縮節在轉盤上的坐放，因此需要專門研制用于三段式伸縮節坐放于轉盤上的卡盤，圖7 為自行設計研制的三段式伸縮節卡盤。

圖7 三段式伸縮節卡盤Fig.7 Three-section telescopic joint spider

通過全面地分析和不斷地優化設計，最終確定了“勘探三號”半潛式鉆井平臺三段式伸縮節卡盤的技術參數，“勘探三號”半潛式鉆井平臺控壓鉆井用的三段式伸縮節及卡盤已由寶雞石油機械有限責任公司（項目協作方）完成制造并通過了所有必須的FAT 試驗（如多狀態載荷試驗、多壓力下盤根多點靜密封試驗、功能試驗和接口密封連接試驗等），圖8 為研制的新設備在工廠組裝試壓圖。

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

3 應用

3.1 應用情況

2022 年11 月，國內首次在“勘探三號”半潛式鉆井平臺成功組裝了包括三段式伸縮節及卡盤在內的控壓鉆井配套設備[3]。三段式伸縮節及卡盤和其它控壓鉆井配套設備一起成功應用于2022 年11 月13 日開鉆的DF11-2-1D 和2023 年1 月17 日開鉆的DF11-2-2 井，經受了時間和實踐的雙重檢驗，現在還在LD 區塊的其他高溫高壓井中得到陸續應用。圖9 為其在“勘探三號”半潛式鉆井平臺上的使用照片。圖10為“勘探三號”半潛式鉆井平臺控壓鉆井三段式伸縮節卡盤的實際使用圖。

圖9 三段式伸縮節在“勘探三號”平臺上使用Fig.9 Three-section telescopic joint is used on the"Kantan 3" platform

圖10 K3 平臺控壓鉆井三段式伸縮節卡盤實際使用圖Fig.10 Actual usage diagram of three-section telescopic joint spider for K3 platform controlled pressure drilling

3.2 應用效果及意義

自主研制的三段式伸縮節及卡盤等浮式控壓鉆井配套設備在“勘探三號”半潛式鉆井平臺上得到了多口井的陸續應用，實際使用效果良好，很好地解決了我國南海和東海許多高溫高壓井普遍存在的地層壓力系數高，地層壓力窗口窄，溢流和漏失同層，井控難度大，儲層保護困難等部分難題，安全順利地完成了南海LD 區塊多口高溫高壓井的鉆井作業，開創了控壓鉆井在中國海洋浮式鉆井裝置上成功使用的先河，填補了我國在該領域的空白，打破了國外壟斷，增強了中國海洋油氣鉆探的能力。

4 結論與建議

（1）三段式伸縮節及卡盤的國產化研制是非常成功的，實際使用效果良好。

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

（3）繼續跟蹤三段式伸縮節的使用情況，對其設計或制造中存在的不足進行整改或完善。然后再定制1 根新的三段式伸縮節，在設計和制造時增加其在縮進和機械插銷鎖住時的承載能力，使之在應急狀態下，能夠實現下隔水管組的應急解脫。