FFH75×500Z型海洋鉆井分流器研制

宋志剛，梁順安，南樹岐，嚴(yán)小妮（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞721002）

FFH75×500Z型海洋鉆井分流器研制

宋志剛1，2，梁順安1，2，南樹岐1，2，嚴(yán)小妮1，2
（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞721002）

對(duì)海洋鉆井分流器系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)分析，研制了適配于91.44 m（300英尺）自升式鉆井平臺(tái)的FFH75×500Z型海洋鉆井分流器。試驗(yàn)證明：該分流器使用操作簡(jiǎn)單，對(duì)額定工作壓力下的井液密封可靠。同時(shí)，針對(duì)研制過程中發(fā)現(xiàn)的問題，給出了具體的改進(jìn)建議。

分流器；自升式鉆井平臺(tái)；研制；改進(jìn)

分流器系統(tǒng)是海洋石油鉆井系統(tǒng)中的一個(gè)重要單元設(shè)備，安裝在隔水套管的上端，主要用途是關(guān)閉海洋立管連接的垂直流動(dòng)，引導(dǎo)淺層氣流離開鉆臺(tái)，并將其排離現(xiàn)場(chǎng)，消除對(duì)人員及設(shè)備的威脅［1］。我國海洋油氣鉆采裝備研制起步較晚，目前，還沒有完全自主研制的海洋平臺(tái)分流器在配套應(yīng)用。為滿足我國自升式平臺(tái)配套的需要，自主開發(fā)了分流器系統(tǒng)。

1　技術(shù)分析

1.1主要結(jié)構(gòu)

分流器主要由支撐殼體、分流器總成、伸縮節(jié)總成等組成，如圖1所示。

1）支撐殼體。支撐殼體有7個(gè)側(cè)出口，各個(gè)側(cè)出口方位根據(jù)用戶要求配置。支撐殼體上配有液壓鎖，用于固定支撐殼體和分流器總成。

2）分流器總成。分流器總成是分流系統(tǒng)的主要部件，由殼體、頂蓋、膠芯、殼體密封環(huán)等組成。

3）伸縮節(jié)總成。伸縮節(jié)是一種高度補(bǔ)償裝置，當(dāng)井口和鉆臺(tái)面的距離由于海浪的作用發(fā)生變化時(shí)，伸縮節(jié)的內(nèi)、外筒可進(jìn)行上下浮動(dòng)，來補(bǔ)償升沉高度的變化。

圖1　FFH75×500Z型分流器結(jié)構(gòu)

1.2工作原理

分流器系統(tǒng)是用來控制地下淺層氣流流向安全區(qū)域的井控裝置。在表層鉆井時(shí)，分流器膠芯開啟，其側(cè)出口泥漿返回口開啟，可進(jìn)行鉆井液的正常循環(huán)。

當(dāng)溢流或淺氣層出現(xiàn)，需要密封鉆具、引流放噴時(shí)，控制系統(tǒng)的高壓油將壓迫膠芯擠向井口中心，從而密封鉆具。同時(shí)，打開引流放噴口的液動(dòng)球閥，將井內(nèi)流體經(jīng)引流放噴口、放噴管線輸送到指定地點(diǎn)。密封解除時(shí)，分流器密封膠芯靠自身彈力復(fù)位，引流放噴側(cè)出口的球閥關(guān)閉，同時(shí)泥漿返回口球閥打開，泥漿循環(huán)恢復(fù)正常。

1.3主要技術(shù)參數(shù)

由于分流器的主要作用是防范淺層氣流的溢出，根據(jù)91.44m（300英尺）自升式鉆井平臺(tái)總體技術(shù)要求，確定其主要技術(shù)參數(shù)如下。

額定工作壓力3.5MPa（500 psi）最大液控操作壓力10.35MPa（1500 psi）支撐殼體通徑1195mm（47 in）引流放噴口直徑304.8mm（12 in）

2　關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1伸縮節(jié)行程確定［2］

自升式平臺(tái)必須配置伸縮節(jié)，用來調(diào)節(jié)隔水導(dǎo)管的伸縮運(yùn)動(dòng)，因此，必須針對(duì)不同水深及不同隔水套管配置分流器伸縮節(jié)，并計(jì)算確定其設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。

圖2為自升式鉆井平臺(tái)鉆井工況示意圖，隔水套管底部位于泥線以下，套管張緊器提供一定張力于隔水套管頂部，以支撐防噴器組和井口。

針對(duì)隔水管的簡(jiǎn)化模型，采用ABAQUS有限元軟件對(duì)隔水管進(jìn)行動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性分析，以DSJ300平臺(tái)隔水套管為例，初步考慮5種頂張力分別為1300、1700、2100、2500、3000kN的隔水管受力。

圖2　自升式鉆井平臺(tái)鉆井工況示意

計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　508mm（20英寸）隔水套管不同頂部張力下的彎矩及軸向位移

表1的數(shù)據(jù)表明，隨著頂部張緊力的增大，相應(yīng)最大彎曲應(yīng)力逐漸減??；頂部最大縱向位移也逐漸減小。參考國內(nèi)外分流器伸縮節(jié)的設(shè)計(jì)行程，同時(shí)考慮到安裝可靠性，設(shè)計(jì)伸縮節(jié)的行程為800mm，完全滿足其升沉運(yùn)動(dòng)行程。

2.2分流器主密封膠芯計(jì)算

該產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)為實(shí)現(xiàn)3.5 MPa的井眼壓力的密封技術(shù)。對(duì)分流器的設(shè)計(jì)首先要考慮密封膠芯能否在該壓力下抱緊鉆桿且密封可靠。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，對(duì)膠芯進(jìn)行了有限元分析。

分析對(duì)象為雙層密封膠芯密封中間鉆桿的力學(xué)特性和變形特性。分流器的橡膠材料選用丁腈橡膠，采用的橡膠模型為Mooney-Rivlin模型。假設(shè)橡膠不可壓縮、鋼材為線彈性材料。由于橡膠材料屬于超大變形材料，采用Abaqus軟件的MAPSO-LUTION技術(shù)，得到計(jì)算結(jié)果如下：

在3.5MPa額定工作壓力，外部環(huán)空施加6 MPa壓力下，從變形情況（如圖3）可以看出密封膠芯與鉆桿接觸部分中接觸長(zhǎng)度大約為115mm。從接觸部分的接觸應(yīng)力（如圖4）在鉆桿與與膠芯間的最大應(yīng)力為0.35 MPa，故二者緊密結(jié)合在一起，能滿足密封要求。

2.3分流器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［3］

分流器控制系統(tǒng)主要是用來控制分流器主密封膠芯的關(guān)閉、分流器各個(gè)側(cè)出口的球閥開關(guān)、伸縮節(jié)密封的開關(guān)、液壓鎖的關(guān)閉。控制系統(tǒng)采用液壓控制，包括就近控制和遠(yuǎn)程控制功能，如圖5。

圖3　水平方向上位移變化情況

圖4　施加載荷后整體　Misses應(yīng)力云圖

圖5　分流器控制系統(tǒng)

分流器屬于井控系列產(chǎn)品，其安裝于放噴器之上。分流器在使用的時(shí)候，防噴器不工作。防噴器使用的時(shí)候，分流器不工作。為了節(jié)省平臺(tái)空間，分流器控制系統(tǒng)和防噴器共用一套控制系統(tǒng)。

3　試驗(yàn)

分流器試驗(yàn)主要是考慮主膠芯抱緊鉆桿后整個(gè)腔體的密閉性能。試驗(yàn)需要專門設(shè)計(jì)的堵頭將下端封閉，如圖6所示。用一個(gè)專用的工具將堵頭連接并一起下入分流器，將下端封閉，然后從分流器的一個(gè)側(cè)出口加壓，驗(yàn)證主密封膠芯的密封性能。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，分流器完全滿足密封額定壓力3.5 MPa的要求。在滿足密封額定壓力的條件下，控制系統(tǒng)作用在主密封膠芯外筒上的壓力為4～6 MPa，小于最大液控操作壓力10.35MPa。

圖6　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4　結(jié)論

1）FFH75×500Z型海洋鉆井分流器達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，性能穩(wěn)定。

2）隨著海洋鉆井深度不斷增加，要求分流器通徑也要隨之增大，使得研制大通徑密封膠芯變得困難，因此，需要加大對(duì)抗拉強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度高的橡膠材料的研究工作。

3）一體式閥門更適合作為分流器的排出管線閥門。當(dāng)關(guān)閉環(huán)形膠芯時(shí)，也即關(guān)閉了返回管線，同時(shí)自動(dòng)開啟排出管線，引導(dǎo)淺層氣流流出。而且，關(guān)閉分流器膠芯和開啟閥門使用同一液路，也排除了完全關(guān)井的安全隱患。

4）由于鉆井遇到淺層氣的概率較小，分流器有可能長(zhǎng)時(shí)間閑置，因此業(yè)主必須定期對(duì)其進(jìn)行良好的維護(hù)。

［1］王定亞，李愛利.海洋鉆井隔水管系統(tǒng)配套技術(shù)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械.2010，39（7）：12-15.

［2］南樹歧，肖銳，葉大建，等.隔水套管張緊系統(tǒng)配置方案分析［J］.石油機(jī)械，2012，40（9）：54-56.

［3］任鋼鋒，王定亞，毋永鋒，等.深水鉆井防噴器系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014，43（12）：95-98.

Development of FFH75×500Z Offshore Drilling Diverter

SONG Zhigang1，2，LIANG Shunan1，2，NAN Shuqi1，2，YANXiaoni1，2
（1．Baoji Oilfield Machinery Co．，Ltd．，Baoji 721002，China；2．National Engineering Technology Research Center of Oil and Gas Drilling Equipment，Baoji 721002，China）

Through technical analysis on the offshore drilling Diverter system，adaptation was de-veloped in 300 feet self-elevating drilling platform of FFH75×500Z offshore drilling diverter to complete commissioning test of diverter.The test proved that FFH75×500Z diverter operation is easy to use and the tested working pressure of well fluid sealing is reliable.At the same time，in view of the problems found in the course of the development，specific suggestion for improvement is given.

diverter；self-elevating drilling platform；development；improve

TE951

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.018

1001-3482（2015）12-0070-04

2015-08-13

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目“9000米海洋鉆井包研制”（2011AA090203）

宋志剛（1979-），男，河南周口人，工程師，碩士，現(xiàn)從事石油鉆井裝備技術(shù)研究工作，Email：szg＠bomco.cn。