水上井口井噴搶險(xiǎn)應(yīng)急井口連接器的研制

劉英偉 張紅生 李福明 張旭 張文喜

摘 ? 要：為三級井控應(yīng)急搶險(xiǎn)重新安裝井口防噴器，設(shè)計(jì)了應(yīng)急井口連接器。該裝置主要由分瓣式套管頭、變扣法蘭和鉸鏈?zhǔn)教坠茴^組成。分瓣式套管頭可以避開井噴流體安裝在光套管上，并可靠密封環(huán)空，為防噴器的安裝創(chuàng)造條件。鉸鏈利用事故井井口的可用法蘭，形成轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)防噴器的扣裝。以井口壓力34.5MPa，結(jié)合339.7mm套管，對裝置的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能進(jìn)行了設(shè)計(jì)和校驗(yàn)。樣機(jī)及室內(nèi)模擬試驗(yàn)表明，新裝置連接可靠，密封有效，達(dá)到了預(yù)定的性能指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：三級井控 ?井口連接器 ?套管頭 ?井噴 ?鉸鏈

中圖分類號：TE2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（c）-0077-02

井噴失控時(shí)常伴隨著人員安全，財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染問題[1]。在中石油1970年—2009年發(fā)生的79起井噴失控案例中，由于井口無防噴器或者防噴器失效，引起的井噴失控為35起，占比44.3%[2]。為控制高速噴出的井口流體，重新安裝防噴器，建立壓井通道，恢復(fù)對事故井的控制，國內(nèi)先后研制了多種類型的搶險(xiǎn)裝置，如中國石油大學(xué)（華東）研制的鉆井井噴搶險(xiǎn)裝置[3]，生產(chǎn)井液壓搶噴系統(tǒng)[4]，中石油大港油田公司研制的重力自封搶噴專用裝置[5]等。這些裝置的共同特點(diǎn)是，均需從井口上方切入流體，從垂直方向上安裝新的防噴器，在陸地或者場地空間許可的條件下能夠應(yīng)用。

對于設(shè)置在導(dǎo)管架上的海洋石油水上井口，導(dǎo)管架周圍為開闊海面，在井口上方受鉆井船懸臂梁影響，在井口周圍受導(dǎo)管架上叢式井井口套管頭和采油樹的空間限制，大型機(jī)具的作業(yè)場地受限，上述套管頭的安裝應(yīng)用受到限制。為解決這一問題，專門設(shè)計(jì)了采用翻轉(zhuǎn)式扣裝的應(yīng)急井口連接器。

1 ?技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

應(yīng)急井口連接器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括分瓣式套管頭、變扣法蘭、可固定鋼圈、鉸鏈?zhǔn)教坠茴^四部分。其中，分瓣式套管頭由支撐架、本體、工字塊、卡瓦、卡瓦定位塊、階梯襯環(huán)、密封圈和橡膠盤根組成。變扣法蘭由倒錐形本體和標(biāo)準(zhǔn)頂法蘭組成。鉸鏈由變扣法蘭、上卡體、轉(zhuǎn)軸、可固定鋼圈、下卡體、限位塊、引導(dǎo)塊組成。

1.2 工作原理

清理出事故井的光套管，放置支撐架并調(diào)平，放置分瓣式套管頭本體并砸緊工字塊，安裝卡瓦并緊固，依次安放卡瓦限位塊，階梯墊環(huán)，密封圈和盤根，通過變扣法蘭的錐形結(jié)構(gòu)，使盤根有效密封套管外環(huán)空。變扣法蘭的頂部的標(biāo)準(zhǔn)法蘭，可與搶險(xiǎn)的防噴器連接。在關(guān)井的情況下，利用井噴流體的上頂力，使分瓣式套管頭本體上行，由于分瓣式套管頭本體和卡瓦的接觸面為錐形，迫使卡瓦牢牢咬合在套管本體上，從而讓整個(gè)井口不會被井噴流體頂開。調(diào)節(jié)支撐架的絲杠，提供一定的額外支撐力，防止整個(gè)井口意外下沉。

將鉸鏈?zhǔn)教坠茴^的下卡瓦固定在分瓣式套管頭的頂法蘭上，下卡瓦固定在搶險(xiǎn)防噴器的底法蘭上，在輔助工具的配合下，穿轉(zhuǎn)軸，在鋼絲的牽引下，翻轉(zhuǎn)井口防噴器，完成扣裝作業(yè)。

分瓣式套管頭既可單獨(dú)使用，采用吊裝的方式完成防噴器安裝，也可與鉸鏈?zhǔn)教坠茴^配合使用，采用扣裝的方式完成防噴器安裝。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

卡瓦和本體的錐形接觸面設(shè)計(jì)，將井噴上沖的反作用力變?yōu)榭ㄍ叩囊Ш狭?，?shí)現(xiàn)“井壓鎖緊”。

階梯墊環(huán)能將4塊卡瓦調(diào)平，并形成一個(gè)整體，防止受力不均，同時(shí)能為密封圈創(chuàng)造一個(gè)安裝槽。密封圈為精細(xì)切割，分瓣式設(shè)計(jì)，軟金屬材質(zhì)，進(jìn)一步縮小環(huán)空的間隙，在橡膠盤根放置后，在變扣法蘭錐形面的壓合作用下，利用橡膠的流動變形特性，在周向和軸向上有效密封環(huán)空，見圖2。

1.4 技術(shù)參數(shù)

（1）分瓣式套管頭可抵抗的上頂力為360t;

（2）耐壓為35MPa;

（3）材料EE級;

（4）鉸鏈?zhǔn)教坠茴^轉(zhuǎn)軸可承受的井壓為198MPa。

1.5 計(jì)算和校核

（1）分瓣式套管頭卡瓦抗剪強(qiáng)度計(jì)算、變扣法蘭緊固螺栓抗拉強(qiáng)度計(jì)算、工字塊抗拉強(qiáng)度計(jì)算;

（2）鉸鏈?zhǔn)教坠茴^轉(zhuǎn)軸剪切強(qiáng)度校核、下卡體剪切強(qiáng)度校核、升高短節(jié)緊固螺栓抗拉強(qiáng)度校核、下卡體限位塊剪切強(qiáng)度校核[6-7]。

2 ?室內(nèi)試驗(yàn)

完成樣機(jī)試制后，對應(yīng)急井口連接器進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。選擇壁厚為12.2mm，鋼級P110，抗內(nèi)壓的47.6MPa的339.7mm套管，進(jìn)行了35MPa的靜壓下的卡瓦鎖緊和環(huán)空密封試驗(yàn)，卡瓦成功鎖緊，無下滑，連續(xù)3次試壓，穩(wěn)壓10分鐘，最大壓降為0.17MPa，符合規(guī)范要求[8];鉸鏈翻轉(zhuǎn)靈活，引導(dǎo)塊對中引導(dǎo)良好，功能滿足設(shè)計(jì)預(yù)期。

3 ?結(jié)語

（1）應(yīng)急井口連接器能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有搶險(xiǎn)套管頭對安裝空間和場地的要求，尤其在海洋石油水上井口搶險(xiǎn)中，適用性更強(qiáng);

（2）分瓣式安裝避開了井噴流體的沖蝕，安裝方便，安全可靠;

（3）鉸鏈?zhǔn)教坠茴^能抵御井噴流體沖擊產(chǎn)生的晃動，為搶險(xiǎn)防噴器的安裝帶來了新的“扣裝”方式;

（4）分瓣式套管頭和鉸鏈?zhǔn)教坠茴^既可組合使用，也可分開使用，提高了設(shè)備的通用性;

（5）可針對不同尺寸套管和壓力等級，進(jìn)行系列化生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳志均，陳剛，郎淑敏，等.天然氣鉆井井控技術(shù)的發(fā)展[J].石油鉆采工藝，2010，32（5）：56-60.

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[3] 牛文杰，鄭士坡，徐國慧，等.鉆井作業(yè)井噴搶險(xiǎn)裝置設(shè)計(jì)[J].石油鉆采工藝，2017，39（6）：707-712.

[4] 楊東澤.生產(chǎn)井液壓搶噴系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].青島：中國石油大學(xué)（華東），2010.

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