井口重置法蘭緊固裝置設(shè)計

謝意湘， 劉貴義， 張宏偉

1中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2中國石油川慶鉆探工程有限公司井控培訓(xùn)中心

0 引言

油氣井井噴失控或著火后，因其井內(nèi)流體性質(zhì)、地層壓力、井場設(shè)備損毀程度、所處地理位置等不確定因素，給搶險作業(yè)帶來極大的挑戰(zhàn)[1]。井噴失控著火的應(yīng)急處置包括冷卻掩護、切割清障、井口重置等基本程序[2]。其中，井口重置是井噴失控應(yīng)急搶險的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是使井口得到有效控制的最后一步[3]。目前，在底法蘭完好情況下重置井口，法蘭緊固是其作業(yè)風(fēng)險最高的環(huán)節(jié)。

為了從根本上解決上述井口重置作業(yè)的安全問題，研制了一種可遠(yuǎn)程液控操作的井口法蘭緊固裝置。其與遙控重力加壓井口重置裝置配套后，實現(xiàn)了井噴失控井口重置作業(yè)全過程遙控操作，使底法蘭完好情況下的井噴失控井口重置作業(yè)核心區(qū)域無人化，有效降低作業(yè)風(fēng)險，踐行了井控應(yīng)急救援作業(yè)以人為本的安全理念。

1 井控應(yīng)急救援重置井口技術(shù)現(xiàn)狀

目前，針對光套管情況，已經(jīng)研制出了一種一體化重置井口裝置，將失控井一體化重置裝置與遙控重力加壓井口重置裝置配套，可實現(xiàn)一鍵控制關(guān)井，實現(xiàn)了失控井井口重置危險區(qū)域作業(yè)無人化，確保了搶險過程的本質(zhì)安全，同時極大提升了搶險效率。針對底法蘭完好情況下的井口重置有兩種方法：一種是遠(yuǎn)程遙控操作安裝井口，搶險人員靠近井口緊固井口螺栓，而緊固螺栓這一環(huán)節(jié)極有可能因井內(nèi)流體突發(fā)泄漏造成人員傷亡。

另一種方法是搶裝井口后遠(yuǎn)程控制緊固四顆螺栓(實用新型專利：油氣井搶險自動上螺栓裝置，專利號：2009 20078577.9)，然后搶險作業(yè)人員緊固剩余螺栓。該方法的具體實施過程是：在原井口底法蘭螺孔下方預(yù)先固定四顆螺母，遠(yuǎn)程遙控對中并安裝井口裝置，然后通過遠(yuǎn)程液控自動上緊四顆螺栓，搶險人員再緊固剩余螺栓完成搶裝井口作業(yè)。該方法嘗試采用遠(yuǎn)程操作緊固井口法蘭，但仍然需要搶險人員進(jìn)入危險區(qū)域安裝固定四顆螺母并緊固剩余井口螺栓，并未從根本上解決人員近井口作業(yè)的問題，作業(yè)風(fēng)險仍然較大，且作業(yè)效率低。

2 法蘭緊固裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了在井控應(yīng)急救援惡劣的作業(yè)環(huán)境下順利完成法蘭緊固程序的遠(yuǎn)程操控，該法蘭緊固裝置摒棄了需要精細(xì)操作連接緊固螺栓的設(shè)計理念，采用了液壓抱箍式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(如圖1所示)。裝置主要包括：特殊雙法蘭短節(jié)、法蘭抱箍、抱箍開關(guān)液缸、抱箍與液缸間的連接銷、導(dǎo)向桿和抱箍懸掛機構(gòu)等。

圖1 液壓抱箍式法蘭緊固裝置結(jié)構(gòu)圖

法蘭抱箍由兩瓣組成，兩瓣抱箍與液缸通過連接銷連接固定，法蘭抱箍及液缸通過懸掛機構(gòu)與特殊雙法蘭短節(jié)連接固定，將特殊雙法蘭短節(jié)安裝在防噴器下方，防噴器上法蘭與遙控重力加壓井口重置裝置連接。重置井口時，用遙控重力加壓井口重置裝置將防噴器及液壓抱箍式法蘭緊固裝置送至底法蘭上方，特殊雙法蘭短節(jié)與井口底法蘭對中，遙控操作使液壓油從開關(guān)液缸中間進(jìn)油，兩端回油，液缸兩端缸桿縮回，抱箍經(jīng)由導(dǎo)向桿導(dǎo)向抱合，實現(xiàn)法蘭連接緊固。

液壓抱箍式法蘭緊固裝置無精細(xì)的螺栓安裝及引扣動作，可方便在惡劣的井噴失控應(yīng)急救援環(huán)境下遠(yuǎn)程遙控操作，有利于井口重置作業(yè)的自動化。

3 設(shè)計需要解決的關(guān)鍵問題

石油天然氣鉆井采油設(shè)備中，法蘭間用抱箍連接及螺栓連接都有相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。抱箍連接時，連接的兩個法蘭采用斜坡的榖式設(shè)計；螺栓連接時，兩個法蘭采用直臺階的盤式設(shè)計。本裝置是在不改變原底法蘭的情況將螺栓連接的改為抱箍連接，且實現(xiàn)液控操作。要完成這些功能，抱箍的設(shè)計需要解決幾個關(guān)鍵問題：

(1)抱箍關(guān)閉時，如何在原底法蘭下部為直角臺階的情況下將抱箍的水平方向的力轉(zhuǎn)換為上下方向的法蘭緊固預(yù)緊力。

為有效解決這一問題，該法蘭緊固裝置采用了兩個關(guān)鍵設(shè)計創(chuàng)新：①設(shè)計一個特殊的雙法蘭短節(jié)，下法蘭的上端面設(shè)計為斜面。抱箍設(shè)計為非對稱式結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)原常規(guī)底法蘭的連接及法蘭的連接卡緊(如圖2所示)；②因底法蘭下端面為水平直角，抱箍關(guān)閉時要將法蘭抱緊，抱箍須要有一個向上的移動動作。為此，裝置的承重桿可上下浮動，確保抱箍處于開位時與底法蘭下端面有一定間隙，抱箍關(guān)閉的同時向上移動，順利抱合及卡緊法蘭(如圖1所示)。

圖2 非對稱法蘭抱箍

(2)抱箍關(guān)閉時，可能出現(xiàn)因開關(guān)液缸速度不一致導(dǎo)致抱箍在法蘭周向的預(yù)緊力不一致，從而出現(xiàn)法蘭密封墊環(huán)無法實現(xiàn)有效密封的問題。為避免這一情況的出現(xiàn)，設(shè)計了四根抱箍開關(guān)導(dǎo)向桿(如圖1所示)。導(dǎo)向桿還可避免液缸桿因承受較大的徑向力而發(fā)生失效。導(dǎo)向桿的兩端設(shè)計有鎖緊螺母，抱箍關(guān)閉到位后移除遙控重力加壓井口重置裝置實施壓井等作業(yè)時，安裝緊固螺母可防止爆裂等液壓失效產(chǎn)生的次生事故。

4 試驗驗證

4.1 功能試驗

將井口裝置、液壓抱箍式法蘭緊固裝置從上到下的順序連接在遙控重力加壓井口重置裝置上，然后連接液壓抱箍式法蘭緊固裝置液控管線與遙控重力加壓井口重置裝置的備用液壓控制回路，測試各動作正常。在模擬井噴失控條件下，通過遙控重力加壓井口重置裝置動力頭旋轉(zhuǎn)及多次微調(diào)向下加壓，特殊短節(jié)下法蘭與井口底法蘭對中貼合，遠(yuǎn)程遙控關(guān)閉抱箍，流體從防噴器上方噴出，特殊短節(jié)下法蘭與井口底法蘭之間無流體刺漏，達(dá)到了法蘭連接緊固效果。

4.2 壓力測試

本次設(shè)計加工的是28-70井口法蘭規(guī)格的液壓抱箍式法蘭緊固裝置。將相應(yīng)規(guī)格防噴器連接在液壓抱箍式法蘭緊固裝置上，在下方放置壓力測試盲板法蘭，液控關(guān)閉液壓抱箍式法蘭緊固裝置的抱箍連接緊固法蘭，并進(jìn)行壓力測試，試壓70 MPa抱箍連接位置無泄漏、變形等現(xiàn)象，表明液壓抱箍式法蘭緊固裝置的預(yù)緊力足夠使密封墊環(huán)變形密封，特殊雙法蘭短節(jié)的斜角及液缸關(guān)閉的力達(dá)到法蘭連接的預(yù)緊力要求。

鎖緊螺母安裝后，將液壓油卸載，試壓70 MPa抱箍連接位置無泄漏，鎖緊功能達(dá)到了防止液壓失效的效果。

從以上試驗驗證可以看出，采用液壓抱箍式法蘭緊固裝置連接緊固井口法蘭避免了人員在井口位置裝螺栓、螺栓引扣及緊扣等繁瑣精細(xì)操作，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程一鍵完成法蘭緊固，從根本上降低了操作人員的風(fēng)險。

但是，從試驗過程中發(fā)現(xiàn)，液壓式井口法蘭緊固裝置的特殊雙法蘭短下法蘭與底法蘭對中過程耗費的時間較長，判斷下法蘭是否與底法蘭完全對中較為困難，且容易損壞密封墊環(huán)。為此，在特殊雙法蘭短節(jié)位置設(shè)計了法蘭及法蘭螺孔的對中引導(dǎo)機構(gòu)(如圖3所示)，該機構(gòu)采用可壓縮結(jié)構(gòu)設(shè)計，作業(yè)過程中井口重置裝置向下移動與底法蘭靠近，如螺孔未對準(zhǔn)，引錐遇法蘭端面受壓縮回。當(dāng)螺孔對準(zhǔn)時引錐彈入底法蘭螺孔并限位，使用對中引導(dǎo)機構(gòu)后作業(yè)效率及可靠性大大提高。

圖3 對中引導(dǎo)機構(gòu)

5 結(jié)論

(1)液壓式井口法蘭緊固裝置的研制成功使底法蘭完好情況下的井口重置作業(yè)實現(xiàn)全過程遙控操作，補齊了井控應(yīng)急救援裝備機械化、自動化、智能化發(fā)展在井口重建方面短板，使搶險救援裝備技術(shù)邁上更高的臺階。

(2)非對稱式結(jié)構(gòu)的液壓抱箍式法蘭緊固裝置，可以滿足螺栓連接法蘭與抱箍連接法蘭之間互換的要求。該樣機的研制成功，為這種結(jié)構(gòu)的法蘭緊固裝置在油氣井搶險救援及隱患井口治理中的應(yīng)用提供了有價值的參考。