海洋水下井口密封技術分析

徐振宇

（渤海裝備遼河熱采機械公司井口制造廠，遼寧盤錦 124209）

0 引言

海洋水下井口裝置技術大都被歐美國家所牢牢把控，國內對于這方面的研究仍處于起步階段。目前，國內多家石油開采、鉆探和設備生產公司在開發與制造水下井口裝置臺樣機，并積極進行試驗。為了確保該過程的順利進行，需要明確其中的關鍵技術和操作要求。在水下井口裝置中，密封技術是最關鍵的技術之一，其性能水平和質量關系到整個海洋石油的開采可靠性和安全性。因此需要深度研究國外的先進經驗和密封技術，促進國產化技術的研究、發展，對提高我國海洋石油開采能力和長遠發展具有重要意義。

1 海洋水下井口裝置的密封

圖1 所示為海洋水下井口裝置的密封辦法和結構位置。海洋水下井口裝置的密封包括環空密封與井口頭密封。其中井口頭密封就是連接器和井口頭在連接以后使用密封墊環構成的密封系統。密封井口頭是在井口頭的上部分內控、金屬密封墊環的上半部分、連接器的內控中分別設計用于密封的密封面。使用連接器使密封面相互擠壓、緊密壓實，密封墊環在彈性作用下達成密封效果。密封的目的是為了隔離海水和井內的流體[1]。整體來說，密封系統的結構非常簡單。環空密封是懸掛井內套管柱懸掛器與井口頭中間的密封系統。環空密封需要在環空密封總成、套管懸掛器、井口頭內控3 個部位分別設計密封面。使用對應的密封工具將環空密封的總成安裝在套管懸掛器和井口頭環空部位，并建立密封。環空密封用作相鄰套管柱環形空間密封，以避免地層高壓油氣流到海底。目前，海洋水下井口裝置的密封壓力包括103.5 MPa、69.0 MPa、34.5 MPa 這3 個等級[2]。其中環空密封的結構相對復雜，不論是安裝還是拆卸都需要許多專用工具，且環空密封沒有統一的制造、設計標準，幾乎所有專業公司的密封技術都獨特而特殊。密封結構有很多專利保護。

2 國內海洋水下井口裝置密封技術現狀

事實上，我國是在“十一五”期間才開始海洋水下井口裝置方面的研究，該階段水下井口裝置的開發正式成為國家863項目。就此出現了很多關于這方面的課題、研究和研發計劃。因為海洋水下井口裝置過去長期以來依賴進口，我們缺乏足夠的設備、技術條件，基礎水平比較薄弱，因此國內對該產品、系統的了解不夠深入，尤其是欠缺對密封技術的掌握。目前，寶雞石油機械有限責任公司研發的壓入式密封結構成為了代表性產品，除此之外，還有江蘇金石油氣井口科技有限公司開發的雙重鎖定插入式金屬密封機構。這兩種產品目前正在進行試驗，如果成功且性能達標將會成為未來我國井口密封的重要設備與技術。

3 國外海洋水下井口密封技術分析

3.1 井口頭密封

3.1.1 VX 與VX-2 墊環

（1）VX 墊環密封。該型密封墊環被用在金屬密封墊環、連接器內控、井口上部內控的上下面，分別設計成V 形密封面，使用連接器將密封面結合與擠壓成密封面。從材料角度分析，VX 墊環密封包括不銹鋼、低碳鋼兩種，絕大多數情況下使用不銹鋼材料。額定密封壓力103.5 MPa，恒定的工作溫度121 ℃[3]。低碳鋼材料生產成本不高，并且表面涂抹防腐層。VX 墊環在眾多墊環中的密封效果一般，其能夠承受的最大工作壓力為69.0 MPa。

（2）VX2 墊環。和VX墊環最大的不同是VX2 墊環V 形密封面總共有2 道環槽，這2道環槽能分隔密封面，將其變為2 個段，使密封面變得更加緊密、緊湊。VX2 墊環相較于VX 墊環有著更高的可靠性和更好的性能。

3.1.2 VGX 與VGX2 墊環

（1）VGX 密封墊環所用的密封面為圓弧結構。密封接觸面的建立過程能有效改善封面接觸應力的分布，從而更加均勻地讓密封面受力。VGX 的額定密封壓力103.5 MPa，額定的工作溫度177 ℃[4]。使用高強度不銹鋼材料作為墊環，墊環的表面有增加金屬銀的涂層，整體來說，這種墊環的氣密性非常好，在海水腐蝕的環境中也有不錯的表現。

（2）不同于VGX 的是，VGX2 墊環在圓弧密封面的表面總共有2 個環槽，環槽能夠讓密封面更緊密地接觸。并且CGX2 的工作溫度、工作壓力也和VGX 不同，有著很高的可靠性和性能。

3.1.3 VT 與VT2 墊層

VT 墊環密封和VX 墊環密封有很多相似之處，是因為VT墊環密封本就是對VX 墊環密封結構的改進。井口與VT 密封墊環的部位增加了直孔結構的密封組織，在連接器、井口頭VX密封面被劃傷時，使用VT 密封墊環在井口頭的部位建立新的密封組織，滿足油氣作業的要求。在井口頭系統中，VT 墊環密封是十分重要的密封處理裝置和措施。但通常不會使用這種密封。VT 墊環密封的額定壓力為103.5 MPa，其額定工作狀態溫度121 ℃。生產中會用到高強度不銹鋼，并在表面涂一層金屬銀鍍層，有著不錯的氣密性。

圖1 海洋水下井口裝置

和VT 墊環密封最大的不同在于VT2 墊環密封的V 形密封面表面擁有1 個環槽，該環槽能將密封面徹底變成兩部分，使密封面連接更加親密。

3.1.4 DX 墊環密封

在DX 墊環密封中，其上下密封部位都有2 個平行且獨立的密封面。除此之外，密封墊環還配有保障密封面壓力平衡的平衡通道。該密封墊環的額定壓力有103.5 MPa 和69.0 MPa 兩種，該密封接觸面多，并且工作十分可靠。

3.2 環空密封

（1）VetcoGray 環空密封。這種密封所用的方法為橡膠密封和金屬密封相結合。在運行中，使用專門的工具旋轉密封，使內部的套管懸掛器和內壁螺紋充分旋合而鎖定井口頭，并朝向下方擠壓密封實體展開密封。該裝置最大工作壓力103.5 MPa，最高工作溫度在121 ℃。此外，這種密封的缺點也十分明顯。首先這種裝置無法跟套管懸掛器一同下入井眼進行安裝，安裝流程麻煩而繁瑣；其次這種設備的密封使用旋轉式安裝操作方式，很有可能會劃傷設備的封面；最后是井口頭和密封做不到有效鎖定，在井內出現壓力、溫度變化時有可能出現松動導致密封失效。

（2）VetcoGray 生產的MS 環空密封。這種密封是全金屬密封，能解決橡膠在流體腐蝕、溫度變化帶來的負面影響。壓入頭能將密封體的局部擠壓到井口頭內壁，鎖定密封總成和實施密封。這種密封的優勢在于使用重力進行安裝，所以操作比較便利。并且用壓入頭鎖定和密封局部，應用全金屬結構保障耐腐蝕、耐高溫和使用壽命。該密封使用兩種不同硬度的材料，被用于應急密封和常規密封。

（3）Dril-Quip 環空密封。該型環空密封包括應急與常規兩種規格，最突出的特征是使用了橡膠與金屬組合的方式，應急密封用的是橡膠，常規密封用的是金屬。密封總成使用鎖緊環被控制在井口頭，能夠防止內外因荷載變化引起的失效和松動發生。安裝和拆卸密封的時候應用非旋轉壓入方式，安裝時66.7 kN，回收時111.2 kN，操作便利。該裝置下部有保護結構，能夠避免劃傷。

4 技術分析

（1）密封技術。一般情況下，水下的井口裝置密封壓力都要超過34.5 MPa。因為密封裝置長期身處油氣井液和海水的腐蝕性環境，安裝密封和拆卸密封都要身處海底井口，人員無法近距離操作，因此需要保障密封設計效果和質量。密封最基本的要求就是裝卸方便、結構緊湊、性能可靠、耐腐蝕、壽命長、能夠承受高強度壓力。設計中可以用三維仿真軟件、模擬試驗、有限元分析的方法，使受力和功能更加合理。

（2）密封加工制造。大多數水下井口裝置的密封件使用不銹鋼或低碳鋼材料，這兩種材料切削性能較差、硬度高。很多時候密封部位的形狀并不規則，很容易在加工中出現局部應力集中和變形問題，無法保障加工質量和加工精度，因此，必須重視密封制造工藝。用噴涂噴焊、擠壓成型、精密鑄造等方法保障其加工質量和精度。

5 結語

雖然水下井口裝置密封裝置結構不復雜，但仍要保障其結構先進性。使用合適的材料和技術，保障裝置壽命和抗壓能力。從尺寸精度、結構和功能角度出發，多借鑒其他國家的成功經驗，促進井口裝置的國產化。