深海高壓井口系統淺析

張興元

摘 要：深海井口系統是海上油氣開采的重要裝備之一，15000PSI高壓井口系統適宜更高的工作水深及更大的油藏壓力，為一體兩掛式，全部為金屬材料，適用于臥式采油樹，與連接器接口型式通用，下放工具與套管掛上有大流體通道，可減小井間壓力。

關鍵詞：深海井口;套管掛密封總成結構

一、概述

深海油氣開采主要依靠海底生產系統將采集的油氣輸送至水面，其中與油氣最先接觸的井口系統，則是海底生產系統中必不可少的組成部分。深海井口頭系統是支持內部套管柱的基礎，處于海底泥線之上，其安裝過程復雜，工作環(huán)境惡劣，同時要承受多種外部荷載。由于其高壓密封性，及在深水環(huán)境工作的特點，導致深海井口設計與陸地井口差別很大。根據API規(guī)范，水下井口系統根據其工作的水深和油藏壓力，可分為六個等級。其中工作壓力等級>5000PSI的井口系統為高壓系統，適宜更高的工作水深及更大的油藏壓力，其功能及結構有更嚴格的要求。

二、深海高壓井口系統

（一）井口系統應具備功能

由于井口系統是保護油氣鉆采生產安全的第一道屏障，是在海底泥線安裝鉆井工具的剛性基礎，是安裝防噴器和采油樹的基礎，是通過安裝防噴器與采油樹實現油氣鉆采過程中的防噴、放噴和壓井過程，所以將平臺和海底井口連接起來，引導鉆具進入井眼，能夠隔絕油氣與海水，在鉆柱外形成環(huán)形空間，以便在鉆進時循環(huán)鉆井液。

本文以15000PSI工作壓力等級的井口系統為例，介紹深海井口系統的基本組成及工作特性。15000PSI深海井口系統包括：30"導管頭、18-3/4"高壓井口頭、13-3/8”套管掛、9-5/8”

套管掛、金屬密封總成、防磨補芯及相應下放工具。

（二）18-3/4”高壓井口頭本體

18-3/4"高壓井口頭裝配在30"導管頭內部，是所有套管掛的支撐基礎，也是整個井口系統的關鍵設備。本文介紹高壓井口系統為一體兩掛式，適用于臥式采油樹，所用材料需滿足API規(guī)范要求，抗H2S腐蝕。其外部錐臺與30"導管頭的內部錐面配合;接觸錐面上部安裝有鎖環(huán)，防止棄井上提高壓井口頭時，高壓井口頭與30"導管頭脫離;下面的鎖環(huán)支撐導管頭上的圓錐凸臺。井口頭下部扶正環(huán)開設流體通道，以便于泥漿和鉆井液流出。其本體上端外壁齒面與H-4連接器鎖塊嚙合，內壁端部鍍有鎳合金堆焊層，為與H-4連接器VX密封面配合時起到防腐防磨的作用。內壁齒面與下放工具鎖塊嚙合，內壁有防轉鍵槽，防止與下放工具發(fā)生相對旋轉。其本體內壁密封槽通過與密封總成配合，起到隔絕壓力的作用。

（三）13-3/8”與9-5/8”套管掛

套管掛材料需滿足API規(guī)范中15000PSI等級要求，抗H2S腐蝕。套管掛依靠坐放斜肩與井口頭承載環(huán)或者上一層套管掛坐放面配合;其外壁開有流體通道，用于下放和固井時泥漿返流;流體通道上端有密封環(huán)支撐面，其外壁為傾斜面，與密封總成配合，達到密封的作用;套管掛上端外壁設計環(huán)槽與密封總成內鎖緊環(huán)配合，起到軸向固定密封總成的作用;下端開有API偏梯形螺紋與相應的套管連接;上端內壁設計有凹槽和防轉槽與下放工具配合用。由于9”套管掛上端要回接其他油氣開采用的套管掛，故為防腐防磨，上端內壁需要堆焊625鎳基合金。

（四）金屬密封總成

金屬密封總成主要是隔絕高壓井口頭與套管之間的壓力，故對其尺寸和表面粗糙度要求較高。對于高壓井口系統，密封總成全部采用金屬材質，為金屬對金屬密封，抗H2S腐蝕。金屬密封總成可適用于各種標準套管掛，16”套管掛除外。

金屬密封總成主要分為上端驅動部分和下端密封部分，上下兩部分可以相對轉動。密封總成內壁有四個軸向槽，便于下放工具上的銷釘進入密封總成的卡槽內，起到懸掛密封總成，實現下放與回收的作用;其驅動環(huán)擠壓密封環(huán)，使密封環(huán)產生塑性變形，與井口頭內壁和套管掛外壁接觸面產生較大的接觸應力，從而達到密封的效果;其外圈有外鎖緊環(huán)，內圈有內鎖緊環(huán)，分別與高壓井口頭和套管掛的卡槽配合，起到軸向固定密封總成的作用;驅動環(huán)上開有垂直的流體通道，便于下放時泥漿返流。

（五）13-3/8”與9-5/8”防磨補芯

防磨補芯依靠坐放臺肩與相應套管掛配合;外壁裝配有密封圈，通過與高壓井口內壁的摩擦作用，防止在鉆井過程中防磨補芯與高壓井口頭發(fā)生相對旋轉;防磨補芯內壁上端有與下放工具配合的凹槽。

三、15000PSI高壓井口下放步驟

（一）下放導向基座及導管頭。首先在海底泥線附近下放導向基座，然后下放導管頭，一般先將導管頭預先裝入導向基座內，然后利用導管頭下放工具，一起下放導管頭與導向基座。下放前需要鉆36寸井眼，下放后需用水泥固井，然后再鉆26寸井眼。

（二）下放18-3/4”高壓井口頭。鉆好26寸井眼后，下放18-3/4”高壓井口頭，井口頭下端焊接20寸套管。為了下放方便，先將防磨套筒裝入井口頭內，下放到位后，固井，再連接防噴器、隔水導管，有時也需要下放采油樹，此時需要進行BOP試壓，然后再鉆17-1/2”井眼，井眼完成后，回收防磨套筒，提出下放工具。

（三）下放13-3/8”套管掛及密封總成。繼續(xù)下放13-3/8”套管掛及套管，然后固井，再下放密封總成。為減少操作步驟，同時也便于密封總成與套管掛的對中，一般將密封總成與套管掛使用一個下放工具下放，即單程下放工具。使用單程下放工具下放時，將套管掛與密封總成同時連接到下放工具的相應位置，然后先坐放套管掛，固井，再下放密封總成，其下放原理與單獨下放時相同。金屬密封總成下放完成后，提出下放工具，進行BOP試壓，試壓完成確保滿足壓力要求后，再使用防磨補芯下放工具下放13-3/8”防磨補芯，并鉆12-1/4”井眼，回收防磨補芯。

（四）下放9-5/8”套管掛及密封總成。9-5/8”套管掛下放時重復13寸套管掛下放步驟，即下放套管掛及密封總成，固井，試壓，下放9-5/8”防磨補芯，再鉆8-1/2”井眼，回收防磨補芯。至此井口頭安裝完畢。

四、總結

（一）15000PSI井口系統總體特點：金屬對金屬密封，密封性能可靠性高;下放工具與套管掛上有大流體通道，可供泥漿返流，減小井間壓力;安裝步驟簡單易行;下放工具具有多用途，可有效減少下放安裝步驟。

（二）18-3/4”高壓井口頭本體特點：額定工作壓力15000PSI（103.5MPa），抗H2S腐蝕;一體二掛式，配有兩層套管掛;井口頭連接器可用FMC連接器或客戶指定形式;井口內壁底部坐放臺肩可承受所有套管重量;外壁底部的扶正環(huán)可以向30”導管頭傳遞彎曲載荷。

（三）13-3/8”與9-5/8”套管掛特點：所有套管重量可以通過套管掛傳遞到經口頭上;所有套管掛都可以居中懸掛于30°坐放臺肩上;每個套管掛都有大流體通道;每個套管掛額定工作壓力15000PSI（103.5MPa），抗H2S腐蝕;每層套管掛均配有密封裝置;每層套管掛均有回接結構。

（四）金屬密封總成特點：在井口頭和套管掛之間建立金屬對金屬密封;密封總成靠重力坐封;與套管掛通過單程下放工具，同時下放，無需沖洗過程;密封總成可在必要的時候直接上提回收，不需要扭矩和左旋，上提下放工具可使用多用途工具;在同一尺寸的井口頭中，密封總成適應于13-3/8”或更小尺寸套管掛;密封總成額定工作壓力15000PSI（103.5MPa），抗H2S腐蝕。

結語：總之，深海高壓井口系統是海上油氣鉆采的重要設備之一，是保護海上油氣生產安全的第一道屏障。但深海生產裝備制造技術長期被歐美國家壟斷，至今未能完全實現國產化制造，因此掌握深海高壓井口系統的設計及制造技術，逐步實現深海油氣裝備國產化，對進入國際深海油氣裝備市場具有重要的戰(zhàn)略意義。

參考文獻：

[1] FMC Technology：Subsea Drilling Systems [M]：2008.