海洋鉆井井口承壓保護裝置的研制

劉景超 黃毓祥 周文博

（1.西安石油大學，陜西西安 710065；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

隨著油田開發的不斷深入，批鉆批完作業應用廣泛，鉆井作業后敞放井口的情況越來越多，若在油管四通和采油樹未到貨的情況下進行鉆井作業，鉆井作業后只能敞放井口，存在安全隱患風險，在固井質量不合格的情況下，套管內外都有油氣溢出，沒有安裝油管四通，生產套管和表層套管環空無法進行控制壓力；由于沒有安裝采油樹或盲法蘭，無法控制套管內的壓力，有可能導致井涌、井噴等事故［1-5］。針對上述安全問題，結合海上油氣田的實際情況，研制開發了井口承壓保護裝置。該裝置能夠在鉆井作業結束后直接安裝在套管頭或油管四通上，通過試壓檢驗密封性，能夠監測井內壓力變化，在發生溢流井涌的情況下能夠進行壓井作業，另外，安裝井口承壓保護裝置后，可以防止井內落物，使生產套管內外的壓力受到控制，保證作業安全。

1 結構及主要功能

1.1 結構

海洋鉆井井口承壓保護裝置結構見圖1。當針閥打開時，壓力表可以時刻監測該裝置的內部壓力；當需要更換壓力表時，只需關閉針閥，即可更換壓力表。

圖1 海洋鉆井井口承壓保護裝置

該裝置設計和制造完全符合API規范要求，具有集成程度高、密封性能好、操作方便靈活、性能穩定可靠等優點，填補海油井口保護空白，能夠顯著提高批鉆批完鉆井模式的安全性。

1.2 主要功能

（1）監測井內壓力變化。安裝井口承壓保護裝置后，鉆桿旋塞閥處于關閉狀態，此時壓力表時刻監測井內壓力變化情況，一旦出現壓力異常情況，報警裝置啟動，及時報警，具有泄壓功能。

（2）該裝置上安裝有泄壓閥，當井內壓力不太高時，可以開啟泄壓閥，方便泄壓。

（3）擠推壓井法。直接在該裝置上連接循環接頭（4-1/2IF公扣×1502扣），在1502扣接上壓井管線，打開保護裝置上的旋塞閥即可實施。

（4）置換壓井法。在旋塞閥接頭上連接防噴管，并試壓合格；然后下入連續油管（可適用直徑38.1～60.325 mm的油管），在管柱上安裝單流閥，利用防噴管的功能，防止在下入連續油管時發生無節制外溢或噴涌；連續油管下到位后，從連續油管內泵入壓井液，從防噴管或油管四通翼閥回收井內流體，提高井內液柱壓力，恢復井下壓力平衡。

2 安全性分析

井口承壓保護裝置通過法蘭安裝在井口上，正常情況下內部沒有壓力，當井內壓力過高，出現井涌、溢流等情況時，井口承壓保護裝置內部受到來自井內液體的壓力，此時，其本體的受力如圖2所示。

圖2 本體受力示意圖

2.1 本體可靠性計算分析

本體的材料為30CrMo，經調質處理，其屈服強度為 σb=620 MPa，許用應力 σs=410 MPa，設置該裝置的極限工作壓力為34.474 MPa（5 000 psi）。

如圖2所示，本體為筒狀，D1=346.1 mm，D2=481 mm，桶蓋面積A=π/4=94 031.49 mm2,最薄壁處為側壁，側壁橫截面積A1=π（–）/4=87 586.995 mm2,此處受到來自桶蓋的拉力F和軸向拉力強度p1為

式中，p為本體工作抗壓強度，取34.474 MPa。

計算本體內部所能承受的極限荷載（安全系數取 0.8）。當 pmax=σs=410 MPa時，材料達到極限，此時軸向所受拉力

液體抗壓強度

乘以安全系數，即當裝置內部壓力達到44 214 psi（305 MPa）時，裝置所用30CrMo材質達到其屈服強度。

2.2 螺栓強度校核

連接螺栓的材質為42CrMo，調質處理，其屈服強度σb=900 MPa，許用應力σs=650 MPa。本體下端直徑D=408 mm,設置該裝置的極限工作抗壓強度為 34.474 MPa（5 000 psi）。

本體下端面面積

故此處所受拉力F下為

每只螺栓受力

螺栓直徑41.28 mm，則螺栓橫截面積

則螺栓所受軸向拉力p2為

計算螺栓所能承受的極限荷載（安全系數取3）。當p2=σs=650 MPa時，材料達到極限，此時軸向所受拉力

此時，液體壓力p下為

即當裝置內部壓力達到15 440 psi（106.5 MPa）時，螺栓所用42CrMo材質達到其屈服強度。

3 現場應用

3.1 應用背景

陸豐13-1某調整井根據作業計劃，在棄井起完生產管柱后先轉入其他井修井作業，等修井結束后再繼續調整井作業。如果按照以往的設施條件和井控規定，就需要安裝采油樹，需要作業工期和成本，若井下發生溢流井涌，現場處理手段有限。在此背景下，甲方準備使用井口承壓保護裝置。

3.2 現場應用

井口承壓保護裝置在現場作業之前，先進行了JSA安全風險分析，重點關注了吊裝、安裝、試壓等環節的風險分析，從而保證了整個作業過程的安全有序進行。施工步驟如下。

（1）安裝井口承壓保護裝置之前，再次檢查其法蘭面，確認無問題后，均勻涂抹上黃油。

（2）鉆桿提絲連接鉆桿旋塞閥（考克），穿好吊帶。用絞車將井口承壓保護裝置緩緩往下送至進口，裝置送入過程中，應系好牽引繩，防止工具在送入過程中劇烈擺動。

（3）將裝置安裝到油管四通上，用螺栓進行連接、緊固，針閥及壓力表、報警裝置安裝完畢。

（4）通過油管四通進行試壓作業：用專用手柄將旋塞閥關閉，打開壓力表前的針閥，試壓流體通過油管四通翼閥進入到井口保護裝置，觀察壓力表變化。試壓到額定壓力，壓力表讀數穩定，裝置無泄漏，裝置可以正常工作。

（5）監測讀數及報警情況。井口承壓保護裝置安裝到油管四通正常工作期間，作業人員應密切關注壓力表讀數情況，實時了解井下壓力情況。發現異常情況應及時匯報給當班監督，以便第一時間采取相應的井控措施。

3.3 應用結果

現場工程師記錄的不同時段的壓力表的讀數均為0。經現場安裝使用，證明本裝置密封性能好，性能穩定可靠，操作方便靈活，能夠有效監測井內壓力變化，提前預警，防止井內油氣溢出；同時，可以通過壓井控制套管內的壓力，有效防止井涌、井噴等事故的發生。

4 結論

（1）海洋鉆井井口承壓保護裝置能夠進行壓力監測，及時發現溢流、井涌等復雜情況。

（2）該裝置有效地防范了批鉆批完鉆井作業模式存在的安全隱患風險，具有質量穩定可靠，應急反應快，安全性能好等特點。

（3）該裝置有助于鉆完井作業安全進行，有利于保護不可再生的油氣資源，避免環境污染，具有顯著的經濟效益和社會效益。

［1］ 馬宗金.總結經驗教訓提高天然氣井鉆井井控能力［J］.鉆采工藝， 2004，27（4）：1-5.

［2］ 李欣嶸，王玉，魯澤斐.欠平衡鉆井井涌井漏監測系統［J］.儀器儀表用戶， 2012，19（1）：21-25.

［3］ 周英操，高德利，劉永貴.欠平衡鉆井環空多相流井底壓力計算模型［J］.石油學報，2005，26（2）：96-99.

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