水下井口防腐蝕帽及其機械式取送工具的設計

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.中海石油深海開發有限公司，深圳 518000）

0 引言

在海洋油氣開采及生產過程中，因臨時棄井需要對水下井口裝置或在完井后進行生產時須對水下采油樹（內置采油樹帽）進行保護，常用的一種裝置就是防腐蝕帽。在水下成套開采設備中，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。考慮到防腐蝕帽本身的防腐蝕，防腐帽也須有陰極保護。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在水下進行。和其它水下設備一樣，防腐蝕帽及其取送工具的設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鎖緊定位可靠和回收取出操作簡便的特點。

1 傳統水下井口防腐蝕帽及其取送工具的結構及功能要求

因為防腐蝕帽要求水下安裝，須設計專門的取送工具，受水下環境的限制，因而對一般水下設備及其取送工具的設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進行，受水下操控條件限制，水下遙控ROV所能承擔的作業時間不能太長，同時其操控動作也相對簡單（其功能已標準化），因此要求水下設備通過取送工具在水下安裝時，其作業動作不能過于復雜（適于水下ROV操作），同時還能確保安裝到位，可靠鎖緊；2）水下設備及其取送工具設計時必須考慮到在水下安裝取送時要有一定導向功能，以便于在取送操作時具有一定的定位導向功能；3）水下設備及其取送工具設計時，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）水下設備為確保操控安全，往往采用備份式冗余設計，設計先用液控或電控操作，一旦前者失效，再考慮用機械式裝置來完成取送功能。因此，機械式水下取送工具往往是最終的安全解決方式。

傳統的水下井口防腐蝕帽結構如圖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。導向底座設計成錐形結構，以方便和水下井口自適應對中。

圖1 傳統的水下井口防腐蝕帽結構

2 新型水下井口防腐蝕帽及其取送工具的設計結構

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

新型防腐蝕帽取送工具的設計結構如圖3所示。

圖2 新型防腐蝕帽

新型防腐蝕帽及機械式取送工具的設計功能如下：

1）新設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，以實現對防腐蝕帽的取送操作。

2）通過旋轉取送工具的搖桿，帶動偏心轉軸轉動，因偏心轉軸上的偏心凸臺與可沿芯軸作垂直滑動的滑套的凹環槽構成嵌入式配合，因而偏心轉軸轉動時，其偏心凸臺可帶動滑套沿芯軸上下滑動，進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，從而實現鎖緊及解鎖。

圖3 新型防腐蝕帽取送工具結構

3）防腐蝕帽帽蓋內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計以便于工具與防腐蝕帽能自適應對中。

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，然后轉動搖桿至鎖緊位置（指示為L-LOCK位置），此時卡牙已實現鎖緊，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向底座設計為方便防腐蝕帽與井口頭實現自適應導向對中。當防腐蝕帽罩筒內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鎖緊，接著通過ROV將取送工具的搖桿轉至解鎖位置（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）陰極保護座功能：以安裝鋅塊對整個防腐蝕帽獨立提供陰極保護。

7）防腐蝕帽及取送工具采用中空式設計，以方便進行防腐蝕液的注入。

8）防腐蝕帽取送工具對稱式扶欄結構設計，以方便借助其它工具進行水下定位。

圖4 新型防腐蝕帽及機械式取送工具裝配狀態

新型防腐蝕帽及機械式取送工具裝配狀態如圖4所示。

3 新型防腐蝕帽及機械式取送工具的功能特點

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

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

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

4 結論

1）水下設備及其取送工具的設計必須適應水下工作環境特點。

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

3）類似的機構設計完全可以應用于其它水下設備及工具的設計。

4）水下設備及工具的設計應在遵守相關標準的基礎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］.