浮式控压钻井用三段式伸缩节研制及应用

吴永良，符新涛，张 旭

（1.中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司石油工程技术研究院，上海 200120；2.中石化海洋石油工程有限公司上海钻井分公司 上海 201208；3.中石化海洋石油工程有限公司，上海 200120）

我国南海和东海海域存在许多高温高压井，地层压力系数往往超过2.0，有的高达2.38，普遍存在地层压力窗口窄，溢流和漏失同层，井控难度大，储层保护困难等难题，对海洋高温高压钻井的井筒压力控制提出了很大挑战。

控制压力钻井（Managed Pressure Drilling，MPD）技术能很好地解决上述部分难题[1]，IADC（国际钻井承包商协会）对控压钻井作出了如下定义：“控压钻井技术是一项改进的钻井程序，可以精确地控制整个井眼的环空压力剖面。其目的在于确定环空压力窗口，精确控制环空压力剖面。”[2]控压钻井与常规钻井相比有以下优点：（1）实现更精确地控制钻井液对井底的压力，消除开停泵对循环压力和井底压力的影响，减少压力波动，更好地控制高温高压油气井；（2）使钻井过程中钻井液漏失和井涌最小化，可以有效避免对地层的污染和将H2S 等危险气体留在井下，提高钻探成功率和安全性；（3）减少套管下入层数，优化钻井设计；（4）避免压差卡钻的发生；（5）降低钻井液的密度，从而降低对钻井液的要求和对钻井液循环设备的要求；（6）在不调整钻井液密度的情况下，快速应对井底压力变化，降低高难度井、高温高压井钻探难度。因此，控压钻井能够很好地解决窄密度窗口、高温高压、漏失地层、窄压力剖面等油气钻井中的疑难杂症。控压钻井在海洋钻探中将会有良好的应用前景。

目前，国内海上控压钻井技术在自升式平台上得到了良好应用，但在浮式钻井装置上还尚未进行过控压钻井施工[3]。因受浮式钻井装置的构造形式、升沉补偿能力、水下防喷器安装工艺以及平台工作空间等客观条件的制约，对浮式钻井装置需要配备的控压钻井装备提出了更高的要求。在浮式钻井装置上还需要考虑因海洋环境波浪作用造成的井筒内压力波动以及海水腐蚀对控压设备的影响。

1 三段式伸缩节研制

1.1 “勘探三号”半潜式钻井平台控压钻井改造基本方案概述

通过对“勘探三号”半潜式钻井平台控压钻井方案的优选，确定采用“将旋转控制钻井总成（Rotary controlled drilling assembly，RCD）安装在伸缩隔水管上方，并将伸缩隔水管内筒拆卸”的方案。该方案需要研制1 根三段式伸缩节和1 个三段式伸缩节卡盘、在活动门上安装和拆卸RCD 用的1 个RCD 卡盘、2套转换短接、2 根3 英尺短隔水管；改制和修理原导流器及其送入工具和原伸缩隔水管（去掉原伸缩隔水管内筒及盘根盒，在其外筒上部加工一个与普通隔水管相匹配的转换接头，在伸缩隔水管外筒上接RCD及控压管串）；控压钻井其它需要设备租用；控压钻井各种装置和设备与平台的设备和管线连接[4-6]。“勘探三号”半潜式钻井平台控压钻井安装到位示意图和隔水管柱方案示意图分别见图1 和图2。

图1 “勘探三号”平台控压钻井设备安装到位示意图Fig.1 Schematic diagram of the installation of controlled pressure drilling equipment on "Kantan 3" platform

从图1 和图2 中不难看出，三段式伸缩节是浮式钻井装置（半潜式钻井平台或钻井船）进行控压钻井需要配套的最为关键的设备之一，非常有必要对其进行国产化研制。

1.2 选择三段式伸缩节原因

为了在较小的上下空间实现更长的伸缩行程，需要采用多段式伸缩节，但由于多段式伸缩节每段之间均需要密封，而密封结构属于易损件，是伸缩隔水管的最薄弱环节，并且密封结构会占据一定的空间，导致伸缩隔水管伸缩行程并不会随着段数的增加而线性增加。通过设计计算分析和优选，确定采用三段式伸缩隔水管。

1.3 研制难点及关键

“勘探三号”半潜式钻井平台三段式伸缩节的设计难点：（1）垂向安装空间极小（约13 m），要求其收缩后的长度不能大于6.1 m；（2）要能通过37-1/2″（952.5 mm）转盘下放与回收，要求其外径不能大于946 mm；（3）其内要能通过RCD 旋转总成（最大外径530 mm），要求其通径必须大于530 mm。所以“勘探三号”半潜式钻井平台三段式伸缩节研制关键如下：（1）需要尽量增长伸缩行程，使平台拥有更多的升沉补偿冗余度，能够更好地适应南海和东海恶劣海洋环境条件下的控压钻井作业；（2）优化设计三段式伸缩节盘根结构；（3）在满足内外径尺寸要求的条件下，尽量增加三段式伸缩节缩进且机械插销锁住时的承载能力，使之在应急状态下，能够实现下隔水管组的应急解脱。

1.4 行程选择

首先采用调研、统计和数据查询及咨询相结合的方法来确定“勘探三号”半潜式钻井平台三段式伸缩节的初步设计行程，然后再通过设计优化来最终确定该三段式伸缩节的行程。

根据统计和数据查询，“勘探三号”半潜式钻井平台在南海西部LD 区块作业的海域，在2016 至2019 年的4 年中，年度最大潮差为2.1 m，月度最大潮差出现在2018 年12 月，为1.79 m，月度最大升沉为1 m。根据日常观察，在较为恶劣的海况下，“勘探三号”半潜式钻井平台的最大升沉不到4 m。考虑到隔水管的配长误差及平台吃水变化，增加额外安全余量1.6 m，因此，三段式伸缩节的最大行程为7.4（1.79+4+1.6） m 时，可以满足“勘探三号”半潜式钻井平台正常作业时的升沉要求。

另外，HALLIBURTON（哈里伯顿）公司提供的三段式伸缩节的最大行程为8 m，因此，也将为“勘探三号”半潜式钻井平台控压钻井配套自行研制的三段式伸缩节的行程初步设计成8 m。

1.5 设计要点

“勘探三号”半潜式钻井平台原配伸缩隔水管的盘根采用如图3 所示的双盘根结构，上部盘根为分体式（两半组合在一起）的气控盘根，下部盘根为整体式的液控盘根。最初宝鸡石油机械有限责任公司（项目协作方）也是参照这种结构来为“勘探三号”半潜式钻井平台设计三段式伸缩节的盘根，但是认为保证“勘探三号”半潜式钻井平台控压钻井作业的安全比密封可靠性更为重要，因此，决定将三段式伸缩节的盘根结构优化设计成如图4 所示的整体式液气双控的单盘根结构。该优化设计节约了三段式伸缩节2 组盘根（内筒与中间筒、中间筒与外筒之间盘根）占据的高度空间，从而能够使三段式伸缩节的行程从8 m 增加到9.5 m。三段式伸缩节盘根的液气双控模式是指：当“勘探三号”半潜式钻井平台实施控压钻井不需要导流时，使用气控模式，保证不漏钻井液即可；当“勘探三号”半潜式钻井平台使用控压钻井并需要导流时，将气控模式切换为液控模式，使盘根能够密封500 psi 的压力，这一压力值与隔水管系统的额定工作压力一致，以确保“勘探三号”半潜式钻井平台在控压钻井时的井控安全。

图3 双盘根结构Fig.3 Double disc structure

图4 三段式伸缩节的整体式液气双控单盘根Fig.4 Integral liquid-gas double control single disc of threesection telescopic joint

三段式伸缩节的冷却水和盘根控制液气接口设计见图5，将“勘探三号”半潜式钻井平台三段式伸缩节的冷却水管直接设计在盘根压盖上，与该平台原伸缩隔水管的外装冷却水管相比，不但冷却效果好，而且安装起来也更为方便快捷。为了拆装方便，将三段式伸缩节内筒与中间筒、中间筒与外筒之间的连接方式全部设计为图6 所示的机械插销式结构。

图5 三段式伸缩节的冷却水和盘根控制液气接口设计Fig.5 Design of liquid-gas interface for cooling water and disc control of three-section telescopic joint

图6 “勘探三号”半潜式钻井平台控压钻井三段式伸缩节Fig.6 Three-section telescopic joint of controlled pressure drilling of "Kantan 3" semi-submersible drilling platform

通过全面地分析和不断地优化设计，最终确定了“勘探三号”半潜式钻井平台三段式伸缩节的技术参数，研制出了图6 所示的 “勘探三号”半潜式钻井平台控压钻井三段式伸缩节。

2 三段式伸缩节卡盘研制

由于“勘探三号”半潜式钻井平台的三段式伸缩节的外筒直径（Φ28″）比原伸缩隔水管的外筒直径（Φ24″）要大，而且需要坐放在转盘上与导流器对接和解除三段式伸缩节之间的锁销，常规隔水管卡盘不能用于三段式伸缩节在转盘上的坐放，因此需要专门研制用于三段式伸缩节坐放于转盘上的卡盘，图7 为自行设计研制的三段式伸缩节卡盘。

图7 三段式伸缩节卡盘Fig.7 Three-section telescopic joint spider

通过全面地分析和不断地优化设计，最终确定了“勘探三号”半潜式钻井平台三段式伸缩节卡盘的技术参数，“勘探三号”半潜式钻井平台控压钻井用的三段式伸缩节及卡盘已由宝鸡石油机械有限责任公司（项目协作方）完成制造并通过了所有必须的FAT 试验（如多状态载荷试验、多压力下盘根多点静密封试验、功能试验和接口密封连接试验等），图8 为研制的新设备在工厂组装试压图。

图8 研制的新设备在工厂组装试压Fig.8 The new equipment developed is assembled in the factory for pressure test

3 应用

3.1 应用情况

2022 年11 月，国内首次在“勘探三号”半潜式钻井平台成功组装了包括三段式伸缩节及卡盘在内的控压钻井配套设备[3]。三段式伸缩节及卡盘和其它控压钻井配套设备一起成功应用于2022 年11 月13 日开钻的DF11-2-1D 和2023 年1 月17 日开钻的DF11-2-2 井，经受了时间和实践的双重检验，现在还在LD 区块的其他高温高压井中得到陆续应用。图9 为其在“勘探三号”半潜式钻井平台上的使用照片。图10为“勘探三号”半潜式钻井平台控压钻井三段式伸缩节卡盘的实际使用图。

图9 三段式伸缩节在“勘探三号”平台上使用Fig.9 Three-section telescopic joint is used on the"Kantan 3" platform

图10 K3 平台控压钻井三段式伸缩节卡盘实际使用图Fig.10 Actual usage diagram of three-section telescopic joint spider for K3 platform controlled pressure drilling

3.2 应用效果及意义

自主研制的三段式伸缩节及卡盘等浮式控压钻井配套设备在“勘探三号”半潜式钻井平台上得到了多口井的陆续应用，实际使用效果良好，很好地解决了我国南海和东海许多高温高压井普遍存在的地层压力系数高，地层压力窗口窄，溢流和漏失同层，井控难度大，储层保护困难等部分难题，安全顺利地完成了南海LD 区块多口高温高压井的钻井作业，开创了控压钻井在中国海洋浮式钻井装置上成功使用的先河，填补了我国在该领域的空白，打破了国外垄断，增强了中国海洋油气钻探的能力。

4 结论与建议

（1）三段式伸缩节及卡盘的国产化研制是非常成功的，实际使用效果良好。

（2）三段式伸缩节及卡盘的设计、研制思路和方法可为我国其它浮式钻井装置的控压钻井配套提供借鉴。

（3）继续跟踪三段式伸缩节的使用情况，对其设计或制造中存在的不足进行整改或完善。然后再定制1 根新的三段式伸缩节，在设计和制造时增加其在缩进和机械插销锁住时的承载能力，使之在应急状态下，能够实现下隔水管组的应急解脱。