MLS-10型泥線套管懸掛裝置設計

嚴金林，劉文霄，劉興鐸，李中華，孫傳軒

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002)

泥線套管懸掛裝置是海洋油氣勘探開發(fā)中的一個重要單元裝備，主要用在鉆井作業(yè)時，與隔水套管系統(tǒng)對接后組成從鉆臺至井底的流體輸送通道，循環(huán)鉆井液，同時起到將井內(nèi)套管載荷直接傳遞到海底，減小平臺載荷的作用[1-2]。在臨時棄井作業(yè)、生產(chǎn)作業(yè)時，用來在海底泥線附近連接或脫開平臺至海底之間的管串，起保留或回接井口的作用。該裝置一般用在海洋自升式平臺、固定式平臺，座底式平臺的鉆井作業(yè)。 目前，世界范圍內(nèi)從事泥線套管懸掛裝置設計及制造的公司主要有英國的Plexus公司及美國的GE-Vetco Gray、Cameron和Dril-quip等公司[3-5]。我國在泥線套管懸掛裝置的設計、制造方面還處于初期階段，海上平臺使用的泥線套管懸掛裝置基本依賴進口。為此，加快研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的泥線套管懸掛裝置，提升我國海洋鉆井裝備的配套能力，對我國實施海洋油氣開發(fā)具有重要的意義。

1 泥線套管懸掛裝置設計

MLS-10型泥線套管懸掛裝置總體結(jié)構(gòu)采用套裝式形式，懸掛套管程序：762 mm×508 mm×340 mm×244.5 mm(30″×20″×13″×9″)。整套裝置的安裝是由外到內(nèi)，由下到上，與海洋鉆井工藝過程同步進行。該裝置的送入安裝由專用工具完成，在降低對鉆井平臺要求的同時，很好地滿足海洋鉆井工藝需求[6]。

1.1 總體結(jié)構(gòu)

MLS-10型泥線套管懸掛裝置主體分為3層，主要由導管短節(jié)、套管懸掛器、背壓防護帽、送入(安裝)工具及回接工具組成，采用套裝式接頭，均分布在762 mm(30″)導管內(nèi)，實現(xiàn)在泥線附近懸掛套管、提供壓力控制和提供到平臺井口裝置的環(huán)空通道[7-8]。該裝置具有鉆井作業(yè)、臨時棄井以及回接生產(chǎn)3種工況(如圖1所示)。

圖1 泥線套管懸掛裝置作業(yè)工況

鉆井工況下，當鉆井作業(yè)達到目的深度后，通過專用送入工具將套管懸掛器及套管柱下入，依次坐放到外層套管懸掛器上，并進行固井作業(yè)。為滿足臨時棄井及回接生產(chǎn)作業(yè)工況，每層套管懸掛器均設計有2層螺紋，分別用于送入、臨時棄井保護和回接作業(yè)[9-10]。

1.2 技術(shù)參數(shù)

1)適用標準：API 17D / ISO 13628-4。

2) 產(chǎn)品規(guī)范級別：PSL3。

3) 材料類別：DD。

4) 額定工作壓力：69 MPa。

5) 懸掛/安裝形式：坐肩式(20″、13″套管懸掛器)；卡環(huán)式(9″套管懸掛器)。

6) 懸掛套管程序： 762 mm×508 mm×340 mm×244.5 mm(30″×20″×13″×9″)。

1.3 關鍵部件設計

1.3.1 套管懸掛器

套管懸掛器用來懸掛套管、密封套管環(huán)空壓力，為下一開套管懸掛器提供坐放臺肩。該泥線套管懸掛裝置設計有508 mm(20″)、340 mm(13″)和244.5 mm(9″)3種規(guī)格的套管懸掛器(如圖2)，其中508 mm(20″)、340 mm(13″)懸掛器采用懸掛器本體與坐放臺肩分離式結(jié)構(gòu)，坐放臺肩選用強度高于本體的材料，可提高懸掛器的承載能力；244.5 mm(9″)套管懸掛器采用外側(cè)帶彈性承載定位裝置的結(jié)構(gòu)，懸掛器通過棘齒結(jié)構(gòu)鎖定到340 mm(13″)套管懸掛器本體鎖緊槽?？紤]固井作業(yè)時泥漿返出的需求，懸掛器均設計有泥漿返流通道。另外，為適應海洋鉆井及回接生產(chǎn)過程中套管懸掛器與專用工具遠程連接的工況，懸掛器內(nèi)部有雙螺紋，且為避免送入工具回收過程中旋轉(zhuǎn)造成套管螺紋連接失效的情況，懸掛器與送入工具的連接螺紋設計為左旋螺紋，保證現(xiàn)場作業(yè)的安全性[11-12]。

圖2 套管懸掛器結(jié)構(gòu)

1.3.2 臨時棄井保護帽

鉆井作業(yè)完成后，鉆井平臺撤離前需對泥線套管懸掛裝置進行臨時棄井作業(yè)來保護套管懸掛器內(nèi)部型面、螺紋以及密封區(qū)域不受海(洋)生物、機械損傷和巖屑的影響[13-14]。該裝置的臨時棄井防護帽為3層(如圖3所示)，外側(cè)采用臺階式結(jié)構(gòu)，有效地保護套管懸掛器上的回接螺紋，避免保護帽下放過程中螺紋的損傷；其中508 mm(20″)懸掛器防護帽和340 mm(13″)懸掛器防護帽采用插入式結(jié)構(gòu)，上部設計有密封圈，用于保護套管懸掛器內(nèi)部型面。頂部開孔，避免產(chǎn)生憋壓；244.5 mm(9″)懸掛器防護帽為承壓帽，內(nèi)部設計有背壓閥，保壓時，由于彈簧頂住背壓閥，使密封圈受力而起到密封作用。回收時，先將背壓閥按下，釋放井內(nèi)壓力后，再將防護帽回收。

圖3 臨時棄井防護帽

1.3.3 回接生產(chǎn)工具

回接生產(chǎn)工具主要用在泥線套管懸掛裝置進行鉆井作業(yè)的井口，將各層套管從懸掛器回接到生產(chǎn)平臺，為生產(chǎn)平臺和泥線套管懸掛裝置建立油氣生產(chǎn)通道[15]。該裝置配套開發(fā)了3種回接生產(chǎn)工具(如圖4)，分別回接508 mm(20″)、340 mm(13″)和244.5 mm(9″)懸掛器到生產(chǎn)平臺；508 mm(20″)懸掛器回接工具采用插接式，通過螺套卡到508 mm(20″)套管懸掛器內(nèi)部型面；340 mm(13″)和244.5 mm(9″)套管懸掛器回接工具通過套管柱送入并旋扣，與相應的套管懸掛器連接到一起，從而順利將套管回接到采油平臺。為解決回接生產(chǎn)工具下放安裝與懸掛器對中困難的問題，回接工具外側(cè)設計有扶正裝置。

圖4 回接生產(chǎn)工具

2 技術(shù)特點

1) 雙操作模式的環(huán)空沖洗設計。

該泥線套管懸掛裝置在常規(guī)旋轉(zhuǎn)管柱打開沖洗通道方式的基礎上，針對大直徑套管旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大，操作性不穩(wěn)定的情況，開發(fā)了雙操作模式的環(huán)空沖洗技術(shù)(如圖5所示)，解決了套管在承受張力的工況下，大直徑套管旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大、操作性差，致使環(huán)空沖洗難等實際問題，確保套管環(huán)空沖洗方便、快捷、有效。

圖5 雙模式環(huán)空沖洗

2) 金屬與橡膠組合密封結(jié)構(gòu)設計。

該泥線套管懸掛裝置環(huán)空密封采用金屬密封與橡膠密封組合的設計(如圖6所示)，提高了裝置的承壓能力，且雙重密封保證承受高溫、高壓，工作過程中密性能穩(wěn)定。

圖6 環(huán)空組合密封

3) 環(huán)空密封測試技術(shù)。

針對泥線套管懸掛裝置中套管懸掛器與送入工具連接密封在鉆井過程中容易失效的難題，套管懸掛器與送入工具側(cè)面均設計了試壓孔，送入工具與套管懸掛器在完成組裝后即可進行密封試驗(如圖7所示)，避免其送入井眼后，一旦密封失效，處理起來費時費力。

圖7 環(huán)空密封測試

4) 錐形背壓閥防護保壓。

開發(fā)了錐形背壓閥防護帽(如圖8所示)，一方面在棄井工況下能夠有效保護井眼；另一方面背壓閥在安裝與拆卸過程中維持井內(nèi)油氣與回接管柱內(nèi)海水之間的壓力平衡，保證回接時防護帽安裝快捷，拆卸方便。

圖8 背壓防護帽

3 試驗情況

寶雞石油機械有限責任公司已完成泥線套管懸掛裝置的制造及廠內(nèi)各項試驗。試驗大綱依據(jù)API Spec 17D及API Spec 6A標準制訂，試驗內(nèi)容主要包括靜水壓試驗、密封試驗、安裝功能試驗等。試驗在專用的井控設備試壓坑進行。通過各項試驗驗證了泥線套管懸掛裝置的各項功能滿足要求。

4 結(jié)語

本文對泥線套管懸掛裝置的總體結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)及關鍵部件進行了介紹。完成了泥線套管懸掛裝置的設計開發(fā)，攻克了套管環(huán)空沖洗、高壓高壽命組合密封、環(huán)空密封測試及背壓閥防護帽等多項關鍵技術(shù)。具有可靠性高、操作方便的特點。完成了該裝置的制造及廠內(nèi)各項試驗，加快了海洋泥線套管懸掛裝置的國產(chǎn)化研制進程。