深水鉆井用水上防噴器設計

孟慶榮，屈志明

(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

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設計計算

深水鉆井用水上防噴器設計

孟慶榮，屈志明

(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

水上防噴器(SBOP)系統(tǒng)相對于水下防噴器系統(tǒng)，具有對平臺性能要求低、作業(yè)成本低、檢測和維修方便等優(yōu)點，得到越來越廣泛的應用。針對SBOP相對于陸地防噴器的特殊性，提出了在SBOP設計過程中，應進行法蘭承載能力的評估，滿足特定平臺對拉力、彎矩和內壓組合載荷工況的要求；由于海上環(huán)境的特殊性，應提高金屬構件的耐腐蝕能力；針對平臺作業(yè)使用鉆桿的要求，剪切閘板應滿足高等級鉆桿剪切的要求，滿足帶壓剪切和偏離中心鉆桿剪切的要求。

防噴器；組合載荷；預緊力

SBOP由于使用了套管隔水管，大幅降低了環(huán)境載荷和頂部張力，提高了隔水管接頭的疲勞壽命[6]。

SBOP可配套在固定式鉆井平臺和浮式鉆井平臺上。固定式鉆井平臺包括座底式和自升式，防噴器的配置方式和陸地基本相同；浮式鉆井平臺包括TLP、SPAR和半潛式等，需配置伸縮節(jié)、隔水管張力器等。

1　水上防噴器系統(tǒng)

SBOP系統(tǒng)如圖1所示。在井口上面安裝有水下脫斷系統(tǒng)(SDS)，在發(fā)生緊急的情況下，快速切斷隔水管與海底井口連接的通道，保證平臺的安全。該系統(tǒng)有2個應力短節(jié)，其中一個應力短節(jié)安裝在脫斷系統(tǒng)的上端，以減少水下脫斷系統(tǒng)與隔水管之間的剛性連接，避免應力集中；另一個應力短節(jié)安裝在隔水管上端，用于減少防噴器與隔水管之間的應力集中。應力短節(jié)上端連接有張緊環(huán)，張緊器通過端部接頭與張緊環(huán)連接，將張力施加給隔水管，使隔水管處于拉伸狀態(tài)。在防噴器組和隔水管之間安裝升高短節(jié)，增加張緊器與隔水管之間的距離，減少干涉的幾率。防噴器上端安裝伸縮節(jié)，伸縮節(jié)用于平臺深沉運動時隔水管柱的位移補償，伸縮節(jié)包括內外套筒，內套筒與隔水管配合，外套筒與分流器或撓性接頭配合，并設計有動態(tài)密封總成。

1—井口；2—水下脫斷系統(tǒng)；3—應力短節(jié)；4—張緊環(huán)；5—水上防噴器組；6—撓性接頭；7—分流器；8—伸縮節(jié)；9—張緊器；10—升高短節(jié)；11—隔水管。

2　SBOP配置

對于水下防噴器組，以典型的第5代和第6代深水半潛式鉆井平臺為例，通常采用配置1臺單閘板、2臺雙閘板防噴器和2臺環(huán)形防噴器，型號為F48-105型防噴器組。在深水地平線事故發(fā)生后，提出了增加水下防噴器剪切閘板的配置要求，以提高安全性，即為3臺雙閘板防噴器和2臺環(huán)形防噴器。其中3臺雙閘板防噴器分別配置1副管子閘板總成，3副變徑閘板總成，1副套管剪切閘板總成和1副帶密封的盲剪切閘板總成。對于水上防噴器，其配置與陸地防噴器組基本一致，包括1臺單閘板、1臺雙閘板和1臺環(huán)形防噴器，閘板防噴器分別配置1副管子閘板總成，1副盲剪切閘板總成和1副變徑閘板總成，盲剪切閘板總成可同時替代全封閘板，滿足空井密封的要求。

3　SBOP特殊要求

防噴器是控制井噴事故的關鍵設備，其安全性尤為重要，通常要求防噴器承壓件具有較高的承壓能力和安全系數，耐腐蝕性較好，能夠有效密封井內壓力，剪切能力和剪切液控壓力符合鉆井要求，鎖緊裝置安全可靠等。水上防噴器及水下防噴器除了滿足上述要求外，需考慮波浪載荷、洋流載荷、風載和海水外壓等的影響。盡管SBOP的載荷與水下防噴器相比由于采用了直徑較小的高壓隔水管和規(guī)格較小的防噴器組，使得作用在防噴器組上的載荷較小，但相對陸地防噴器來說，其作業(yè)工況較為惡劣。SBOP應滿足工作、極限和生存等不同工況下拉力或壓力、彎矩和內壓組合載荷條件下作業(yè)的要求。另外，需考慮海洋環(huán)境的特殊性，提高防噴器耐腐蝕能力及剪切能力等。

3.1防噴器法蘭承載能力評估

從防噴器的整體結構來看，在拉力、彎矩和內壓組合載荷的作用下，易導致防噴器法蘭連接處的鋼圈密封失效，由于法蘭是防噴器最薄弱的部分，在組合載荷的作用下，法蘭部位最先產生強度破壞。對于鋼圈槽密封失效通常可采用3種方式增加密封能力，一是依據API 17D[7]的規(guī)定，增加法蘭螺栓預緊力至螺栓連接屈服強度的67%～73%；二是采用大規(guī)格法蘭連接，例如可將FZ35-35型防噴器上下連接的法蘭改為FZ48-70型法蘭；三是可降低防噴器的工作內壓。改變法蘭的規(guī)格將使得防噴器組的質量增加，不便于系統(tǒng)接口的設計；而降低防噴器工作內壓，使作業(yè)風險增加。因此，增加法蘭螺栓預緊力成為組合載荷下改善法蘭密封能力的首選做法。對于法蘭承載能力不足，可采用提高防噴器材料等級或使用大規(guī)格法蘭連接2種方式，即可采用75K或85K材料；而增大法蘭規(guī)格的方式通常不予采納。

以SBOP通常使用的FZ35-35型防噴器為例，根據API 6AF2[8]的計算方法，進行法蘭在組合載荷下的能力評估。該法蘭鋼圈為BX160，法蘭本體材料選用了非API標準材料，設計為85K，材料屈服強度為586 MPa；依據ASTM A193，連接螺栓的屈服強度為720 MPa。在螺栓預緊力分別為50 %屈服強度(360 MPa)和67 %屈服強度(480 MPa)下，以鋼圈槽滲漏準則和法蘭應力限制準則進行承載能力評估，如圖2所示。從圖2中可以看出，在拉力較大的情況下，法蘭承受內壓的能力已經低于防噴器的額定工作壓力，且不具有彎矩的承載能力。當增加法蘭螺栓預緊力至480 MPa后，其法蘭承載能力提高近30%，即使在拉力達到4 000 kN時，仍然能夠承受178 kN·m的彎矩，且能夠有效密封35 MPa的額定壓力，SBOP滿足在極端載荷條件下工作的要求。

a　螺栓預緊力360 MPa(鋼圈槽滲漏準則)

b　螺栓預緊力480 MPa(鋼圈槽滲漏準則)

c　螺栓預緊力480 MPa(法蘭應力限制準則)

3.2海上環(huán)境影響

SBOP在海上受暴風雨、洋流、風力、化學腐蝕等因素的交叉作用，工作環(huán)境較陸地更為惡劣。SBOP位于海上腐蝕區(qū)域中的大氣區(qū)，海洋大氣的濕度大，長時間日照，大氣中含鹽粒和鹽霧，使鋼鐵表面易形成水膜，促進了電化學腐蝕[9]。防噴器承壓件外表面以及裸露在外的零件表面，針對不同的使用要求，采用適用于防噴器外表面及法蘭螺栓螺母在海洋環(huán)境下的涂層；適用于閘板軸和鎖緊軸表面噴涂技術和密封區(qū)域合金堆焊技術。另外，在承壓件的設計中，采用有限元方法進行強度校核，并保留一定的腐蝕裕量，滿足平臺壽命周期內的使用要求，提高海洋環(huán)境下對金屬構件的腐蝕能力及可靠性。對由于涂層局部脫落引發(fā)小陽極大陰極而加劇表面腐蝕，應定期檢查及時修補。

3.3剪切閘板設計

4　結論

1)通過陸地防噴器、SBOP和水下防噴器的對比分析，提出了SBOP在設計時應采取必要的措施，保證法蘭在組合載荷下的承載能力；提高防噴器組的防腐蝕性能；剪切閘板應滿足帶壓剪切和偏心鉆桿剪切的要求。

2)采用API 6AF2的計算方法，對特殊設計的FZ35-35型法蘭在不同通徑螺栓預緊力情況下，進行了拉力(壓力)、彎曲和內壓組合載荷下的承載能力的評估，為不同載荷下法蘭密封和強度的有效性提供理論支持，保證在其承載能力范圍內作業(yè)，確保作業(yè)安全。

3)提高連接螺栓的預緊力，可有效提高法蘭的承載能力。

[1]韓垚堃，蘇堪華，王梓航，等.深水水上防噴器鉆井技術的水下斷開系統(tǒng)及應用[J].石油礦場機械，2016，45(2)：1-5.

[2]蘇堪華，管志川，龍芝輝，等.深水SBOP鉆井技術及裝備發(fā)展現狀[J].石油機械，2010，38(6)：11-13.

[3]Graham B，Scott E，Paul T，et al.Surface BOP：Equipment development for extending the water depth capability of a D.P.semisubmersible to 10，000ft and beyond[R].IADC/SPE 87109，2004.

[4]Steve K.Surface BOP task force to set guidelines for use[J].Drilling contractor，2003(5)：32-33.

[5]Mason D L，White C L.Surface BOP：Testing and completing deepwater wells drilled with a surface-BOP rig[J].SPE Drilling & Completion，2005(3)：54-61.

[6]Tsukada R I， Morooka C K，Yamamoto M. A comparative study between surface and subsea BOP system in offshore drilling operations[J].Brazilian journal of petroleum and gas，2007：88-94.

[7]API Spec 17D，Design and operation of subsea production systems-subsea wellhead and tree equipment.Second Edition[S].2011.

[8]API TR 6AF2，Technical report on capabilities of API integral flanges under combination of loading—Phase Ⅱ[S].2013.

[9]任強，王成良，張劍波.談海上平臺的腐蝕與防護[J].中國海洋平臺，2002，17(3)：44-45.

Design of Surface BOP for Offshore Drilling

MENG Qingrong，QU Zhiming

(Rongsheng Manufacture Ltd.of Huabei Oilfield，Renqiu 062552，China)

The SBOP has more advantages than subsea drilling system，including lowering capacity derrick facility，lowering well and field-development costs.It facilitates the testing and maintaining.SBOP has received more and more applications.Some advices for SBOP design are brought forward in this paper.Firsly，flange shall provid the capacity under combination of loading，pressure，tension，and bending moments.Secondly，because of the particularity of sea，corrosion resistent of metal components shall be developed.Finally，for application of pipe in offshore drilling conditions，shear-ram could shear hiher-strength pipe and shall shear pipe under pressure and offset-center pipe.

BOP；load combination；make-up force

1001-3482(2016)10-0022-04

2016-04-21

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)“深水防噴器組及其控制系統(tǒng)工程化研制”(2013AA09A220)

孟慶榮(1975-)，女，吉林白城人，高級工程師，碩士，現從事井控裝備的研發(fā)工作，E-mail：mengvvv@126.com。

TE951

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.005