水上井口井噴搶險應急井口連接器的研制

劉英偉 張紅生 李福明 張旭 張文喜

摘 ? 要：為三級井控應急搶險重新安裝井口防噴器，設計了應急井口連接器。該裝置主要由分瓣式套管頭、變扣法蘭和鉸鏈式套管頭組成。分瓣式套管頭可以避開井噴流體安裝在光套管上，并可靠密封環空，為防噴器的安裝創造條件。鉸鏈利用事故井井口的可用法蘭，形成轉軸，實現防噴器的扣裝。以井口壓力34.5MPa，結合339.7mm套管，對裝置的結構、力學性能進行了設計和校驗。樣機及室內模擬試驗表明，新裝置連接可靠，密封有效，達到了預定的性能指標。

關鍵詞：三級井控 ?井口連接器 ?套管頭 ?井噴 ?鉸鏈

中圖分類號：TE2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（c）-0077-02

井噴失控時常伴隨著人員安全，財產損失和環境污染問題[1]。在中石油1970年—2009年發生的79起井噴失控案例中，由于井口無防噴器或者防噴器失效，引起的井噴失控為35起，占比44.3%[2]。為控制高速噴出的井口流體，重新安裝防噴器，建立壓井通道，恢復對事故井的控制，國內先后研制了多種類型的搶險裝置，如中國石油大學（華東）研制的鉆井井噴搶險裝置[3]，生產井液壓搶噴系統[4]，中石油大港油田公司研制的重力自封搶噴專用裝置[5]等。這些裝置的共同特點是，均需從井口上方切入流體，從垂直方向上安裝新的防噴器，在陸地或者場地空間許可的條件下能夠應用。

對于設置在導管架上的海洋石油水上井口，導管架周圍為開闊海面，在井口上方受鉆井船懸臂梁影響，在井口周圍受導管架上叢式井井口套管頭和采油樹的空間限制，大型機具的作業場地受限，上述套管頭的安裝應用受到限制。為解決這一問題，專門設計了采用翻轉式扣裝的應急井口連接器。

1 ?技術分析

1.1 結構設計

應急井口連接器的結構如圖1所示，包括分瓣式套管頭、變扣法蘭、可固定鋼圈、鉸鏈式套管頭四部分。其中，分瓣式套管頭由支撐架、本體、工字塊、卡瓦、卡瓦定位塊、階梯襯環、密封圈和橡膠盤根組成。變扣法蘭由倒錐形本體和標準頂法蘭組成。鉸鏈由變扣法蘭、上卡體、轉軸、可固定鋼圈、下卡體、限位塊、引導塊組成。

1.2 工作原理

清理出事故井的光套管，放置支撐架并調平，放置分瓣式套管頭本體并砸緊工字塊，安裝卡瓦并緊固，依次安放卡瓦限位塊，階梯墊環，密封圈和盤根，通過變扣法蘭的錐形結構，使盤根有效密封套管外環空。變扣法蘭的頂部的標準法蘭，可與搶險的防噴器連接。在關井的情況下，利用井噴流體的上頂力，使分瓣式套管頭本體上行，由于分瓣式套管頭本體和卡瓦的接觸面為錐形，迫使卡瓦牢牢咬合在套管本體上，從而讓整個井口不會被井噴流體頂開。調節支撐架的絲杠，提供一定的額外支撐力，防止整個井口意外下沉。

將鉸鏈式套管頭的下卡瓦固定在分瓣式套管頭的頂法蘭上，下卡瓦固定在搶險防噴器的底法蘭上，在輔助工具的配合下，穿轉軸，在鋼絲的牽引下，翻轉井口防噴器，完成扣裝作業。

分瓣式套管頭既可單獨使用，采用吊裝的方式完成防噴器安裝，也可與鉸鏈式套管頭配合使用，采用扣裝的方式完成防噴器安裝。

1.3 關鍵技術

卡瓦和本體的錐形接觸面設計，將井噴上沖的反作用力變為卡瓦的咬合力，實現“井壓鎖緊”。

階梯墊環能將4塊卡瓦調平，并形成一個整體，防止受力不均，同時能為密封圈創造一個安裝槽。密封圈為精細切割，分瓣式設計，軟金屬材質，進一步縮小環空的間隙，在橡膠盤根放置后，在變扣法蘭錐形面的壓合作用下，利用橡膠的流動變形特性，在周向和軸向上有效密封環空，見圖2。

1.4 技術參數

（1）分瓣式套管頭可抵抗的上頂力為360t;

（2）耐壓為35MPa;

（3）材料EE級;

（4）鉸鏈式套管頭轉軸可承受的井壓為198MPa。

1.5 計算和校核

（1）分瓣式套管頭卡瓦抗剪強度計算、變扣法蘭緊固螺栓抗拉強度計算、工字塊抗拉強度計算;

（2）鉸鏈式套管頭轉軸剪切強度校核、下卡體剪切強度校核、升高短節緊固螺栓抗拉強度校核、下卡體限位塊剪切強度校核[6-7]。

2 ?室內試驗

完成樣機試制后，對應急井口連接器進行了室內試驗。選擇壁厚為12.2mm，鋼級P110，抗內壓的47.6MPa的339.7mm套管，進行了35MPa的靜壓下的卡瓦鎖緊和環空密封試驗，卡瓦成功鎖緊，無下滑，連續3次試壓，穩壓10分鐘，最大壓降為0.17MPa，符合規范要求[8];鉸鏈翻轉靈活，引導塊對中引導良好，功能滿足設計預期。

3 ?結語

（1）應急井口連接器能夠彌補現有搶險套管頭對安裝空間和場地的要求，尤其在海洋石油水上井口搶險中，適用性更強;

（2）分瓣式安裝避開了井噴流體的沖蝕，安裝方便，安全可靠;

（3）鉸鏈式套管頭能抵御井噴流體沖擊產生的晃動，為搶險防噴器的安裝帶來了新的“扣裝”方式;

（4）分瓣式套管頭和鉸鏈式套管頭既可組合使用，也可分開使用，提高了設備的通用性;

（5）可針對不同尺寸套管和壓力等級，進行系列化生產。

參考文獻

[1] 吳志均，陳剛，郎淑敏，等.天然氣鉆井井控技術的發展[J].石油鉆采工藝，2010，32（5）：56-60.

[2] 楊慶理，金華，秦文貴，等.中國石油天然氣集團公司井噴事故案例匯編[M].北京：石油工業出版社，2006.

[3] 牛文杰，鄭士坡，徐國慧，等.鉆井作業井噴搶險裝置設計[J].石油鉆采工藝，2017，39（6）：707-712.

[4] 楊東澤.生產井液壓搶噴系統的設計與研究[D].青島：中國石油大學（華東），2010.

[5] 謝華，劉金環，謝青，等.井口套管頭損壞井噴搶險配套技術[J].石油鉆采工藝，2010，32（5）：107-109.

[6] 綦耀光.機械設計基礎[M].東營：中國石油大學出版社，2006.

[7] 劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，1985.

[8] 王樂聞，陳惠琴，吳賢柱，等.鉆井井控裝置組合配套、安裝調試與維護：4調試：SY/T 5964-2006[S].北京：石油工業出版社，2006.