水下井口防腐蝕帽及其機(jī)械式取送工具的設(shè)計

張鵬舉， 袁錦紅， 馮建同， 郝偉修

（1.美鉆能源科技（上海）有限公司，上海 200943；2.中海石油深海開發(fā)有限公司，深圳 518000）

0 引言

在海洋油氣開采及生產(chǎn)過程中，因臨時棄井需要對水下井口裝置或在完井后進(jìn)行生產(chǎn)時須對水下采油樹（內(nèi)置采油樹帽）進(jìn)行保護(hù)，常用的一種裝置就是防腐蝕帽。在水下成套開采設(shè)備中，水下井口防腐蝕帽的主要功能是：防止水下井口裝置或水下采油樹受到巖屑、海洋生物的污染，同時對水下井口裝置或水下采油樹提供防腐蝕（注防腐劑）及防外物拖掛保護(hù)?？紤]到防腐蝕帽本身的防腐蝕，防腐帽也須有陰極保護(hù)。防腐蝕帽通常鎖定在井口頭的外部鎖緊型面上，取送防腐蝕帽，可用專用工具安裝在鉆桿并借助遙控ROV在水下進(jìn)行。和其它水下設(shè)備一樣，防腐蝕帽及其取送工具的設(shè)計除要滿足上述的功能外，還須具有簡單的安裝下入操作動作即能實現(xiàn)鎖緊定位可靠和回收取出操作簡便的特點。

1 傳統(tǒng)水下井口防腐蝕帽及其取送工具的結(jié)構(gòu)及功能要求

因為防腐蝕帽要求水下安裝，須設(shè)計專門的取送工具，受水下環(huán)境的限制，因而對一般水下設(shè)備及其取送工具的設(shè)計要求滿足以下條件：1）水下井口防腐蝕帽的水下安裝取送，一般借助專用工具及水下遙控ROV進(jìn)行，受水下操控條件限制，水下遙控ROV所能承擔(dān)的作業(yè)時間不能太長，同時其操控動作也相對簡單（其功能已標(biāo)準(zhǔn)化），因此要求水下設(shè)備通過取送工具在水下安裝時，其作業(yè)動作不能過于復(fù)雜（適于水下ROV操作），同時還能確保安裝到位，可靠鎖緊；2）水下設(shè)備及其取送工具設(shè)計時必須考慮到在水下安裝取送時要有一定導(dǎo)向功能，以便于在取送操作時具有一定的定位導(dǎo)向功能；3）水下設(shè)備及其取送工具設(shè)計時，在水下安裝取送時其鎖緊及解鎖操作必須簡單可靠，以方便ROV操作，同時確保在安裝及維修時能可靠地完成取送；4）水下設(shè)備為確保操控安全，往往采用備份式冗余設(shè)計，設(shè)計先用液控或電控操作，一旦前者失效，再考慮用機(jī)械式裝置來完成取送功能。因此，機(jī)械式水下取送工具往往是最終的安全解決方式。

傳統(tǒng)的水下井口防腐蝕帽結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由帽蓋、筒罩、底座組成。帽蓋主要提供取送工具安裝接口，確保取送時能可靠地與防腐蝕帽實現(xiàn)鎖緊與解鎖，同時提供腐蝕液注入通道。筒罩用以罩住井口頭部分，保證里面有一個相對封閉的空間，防止防腐液外溢。導(dǎo)向底座設(shè)計成錐形結(jié)構(gòu)，以方便和水下井口自適應(yīng)對中。

圖1 傳統(tǒng)的水下井口防腐蝕帽結(jié)構(gòu)

2 新型水下井口防腐蝕帽及其取送工具的設(shè)計結(jié)構(gòu)

針對中國南海番禺油氣田的水下采油樹項目，設(shè)計了一種新型的水下井口防腐蝕帽及取送工具。新型防腐蝕帽的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

新型防腐蝕帽取送工具的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 新型防腐蝕帽

新型防腐蝕帽及機(jī)械式取送工具的設(shè)計功能如下：

1）新設(shè)計的防腐蝕帽的水下安裝及取出通過其配套的防腐蝕帽取送工具完成。取送工具的本體上部可通過專用螺紋與鉆桿相連，以實現(xiàn)對防腐蝕帽的取送操作。

2）通過旋轉(zhuǎn)取送工具的搖桿，帶動偏心轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，因偏心轉(zhuǎn)軸上的偏心凸臺與可沿芯軸作垂直滑動的滑套的凹環(huán)槽構(gòu)成嵌入式配合，因而偏心轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，其偏心凸臺可帶動滑套沿芯軸上下滑動，進(jìn)而通過滑套底部的斜錐面配合推動各鎖緊卡牙沿周向均布的方孔作橫向移動，從而實現(xiàn)鎖緊及解鎖。

圖3 新型防腐蝕帽取送工具結(jié)構(gòu)

3）防腐蝕帽帽蓋內(nèi)腔型面與取送工具底部外圓相配合，取送工具底部的斜錐面設(shè)計以便于工具與防腐蝕帽能自適應(yīng)對中。

4）防腐蝕帽下入操作：在平臺上先將取送工具套入防腐蝕帽帽蓋內(nèi)腔，直至帽蓋定位止口與防腐蝕帽帽蓋上部端面相接觸，然后轉(zhuǎn)動搖桿至鎖緊位置（指示為L-LOCK位置），此時卡牙已實現(xiàn)鎖緊，接著將整個裝置通過專用螺紋連接到鉆桿，然后通過鉆桿于平臺將防腐蝕帽及其取送工具下入到水下井口或水下采油樹的井口頭上，防腐蝕帽下部的錐形導(dǎo)向底座設(shè)計為方便防腐蝕帽與井口頭實現(xiàn)自適應(yīng)導(dǎo)向?qū)χ?。?dāng)防腐蝕帽罩筒內(nèi)腔頂面與井口頭頂部端面接觸時，防腐蝕帽的彈簧鎖扣自動扣緊在井口頭外部鎖緊型面上。此時防腐蝕帽已與井口頭實現(xiàn)鎖緊，接著通過ROV將取送工具的搖桿轉(zhuǎn)至解鎖位置（指示為UULOCK位置），此時提升鉆桿取送工具將隨鉆桿取出。

5）防腐蝕帽取出操作：在平臺上將取送工具與鉆桿連接，此時確保取送工具的搖桿處于解鎖位置，然后通過鉆桿下入到水下采油樹防腐蝕帽頂部帽蓋接口處，將取送工具套入防腐蝕帽帽蓋內(nèi)腔，直至帽蓋定位止口與防腐蝕帽帽蓋上部端面相接觸，此時通過ROV轉(zhuǎn)動搖桿至鎖緊位置（指示為L），然后提升鉆桿便可將防腐蝕帽隨同取送工具一塊取出。

6）陰極保護(hù)座功能：以安裝鋅塊對整個防腐蝕帽獨立提供陰極保護(hù)。

7）防腐蝕帽及取送工具采用中空式設(shè)計，以方便進(jìn)行防腐蝕液的注入。

8）防腐蝕帽取送工具對稱式扶欄結(jié)構(gòu)設(shè)計，以方便借助其它工具進(jìn)行水下定位。

圖4 新型防腐蝕帽及機(jī)械式取送工具裝配狀態(tài)

新型防腐蝕帽及機(jī)械式取送工具裝配狀態(tài)如圖4所示。

3 新型防腐蝕帽及機(jī)械式取送工具的功能特點

1）由于防腐蝕帽取送工具設(shè)計采用獨特的“曲軸滑塊式”機(jī)構(gòu)，利用偏心轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運動帶動滑塊形成垂直直線運動。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動靈活的特點使得在水下進(jìn)行防腐蝕帽取送時操作非常簡單省力，設(shè)計操作力矩小于60 N·m，并且能可靠地實現(xiàn)鎖緊與解鎖，完全適應(yīng)水下ROV工具的操作要求，同時這種設(shè)計結(jié)構(gòu)對其它的水下裝置及取送工具的設(shè)計具有很好的借鑒意義。

2）新型的彈簧式鎖緊扣設(shè)計既能保證防腐蝕帽在下入時方便地與井口頭實現(xiàn)鎖緊，同時在取出時也方便脫扣解鎖。

3）防腐蝕帽設(shè)計上增加了陰極保護(hù)座的設(shè)計以便安裝鋅塊，改善防腐蝕帽的獨立抗腐蝕能力。

4 結(jié)論

1）水下設(shè)備及其取送工具的設(shè)計必須適應(yīng)水下工作環(huán)境特點。

2）防腐蝕帽取送工具設(shè)計采用獨特的“曲軸滑塊式”結(jié)構(gòu)，完全滿足水下ROV工具操作特點。

3）類似的機(jī)構(gòu)設(shè)計完全可以應(yīng)用于其它水下設(shè)備及工具的設(shè)計。

4）水下設(shè)備及工具的設(shè)計應(yīng)在遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上具有充分防腐蝕性能。

［1］ ISO 13628-4-2011 Petroleum and natural gas industries design and operation of subsea production systems Part 4：subsea wellhead and tree equipment［S］.

［2］ ISO 13628-1-2005 Petroleum and natural gas industries design and operation of subsea production systems Part 1：General requirement and recommendations［S］.

［3］ ISO 13628-8-2002 Petroleum and natural gas industries design and operation of subsea production systems Part 8：Remotely Operated Vehicle （ROV）interfaceson subsea production systems［S］.