失控井井口重置底法蘭抱箍研制與應(yīng)用

劉貴義 謝意湘 王超 李紅兵 錢(qián)衛(wèi)斌

（川慶鉆探工程有限公司井控應(yīng)急救援響應(yīng)中心）

隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)向超深層、新領(lǐng)域、新層系大舉進(jìn)軍，井控風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)持續(xù)增大，井控工作面臨的形勢(shì)依然嚴(yán)峻，對(duì)井控技術(shù)和鉆井相關(guān)人員的要求越來(lái)越高[1]。

油氣井井噴失控[2]或著火后，因其井內(nèi)流體性質(zhì)、地層壓力、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備損毀程度、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)氣候等不確定因素，給搶險(xiǎn)作業(yè)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)[3]。

井噴失控井的搶險(xiǎn)處置包括險(xiǎn)情勘察、冷卻掩護(hù)、清障、井口切割、井口重置等基本程序[4]。其中，井口重置是井噴失控應(yīng)急搶險(xiǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是使井口得到有效控制的最后一步[5]。目前，失控井井口重置時(shí)，搶險(xiǎn)人員進(jìn)井口進(jìn)行新井口法蘭與失控井底法蘭連接作業(yè)是井口重置作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)最高的環(huán)節(jié)。為了從根本上解決這個(gè)井口重置作業(yè)中風(fēng)險(xiǎn)最高的安全問(wèn)題，研制了一種具備遠(yuǎn)程液壓操作的底法蘭抱箍。底法蘭抱箍與遠(yuǎn)程液壓控制的井口重置重力加壓機(jī)具配套后，實(shí)現(xiàn)了失控井口重置作業(yè)全過(guò)程遠(yuǎn)程操作，使特殊雙法蘭短節(jié)下法蘭與失控井底法蘭連接作業(yè)無(wú)人化，有效降低了搶險(xiǎn)人員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，踐行了“生命至上、科學(xué)救援”的搶險(xiǎn)理念。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

目前，失控井井口重置有在失控井井口底法蘭上進(jìn)行井口重置和在失控井井口光套管上進(jìn)行井口重置兩種作業(yè)工況[6]。

在“高壓、高產(chǎn)”失控井井口底法蘭上進(jìn)行井口重置有兩種方法：

1）搶險(xiǎn)人員先將新井口安裝在重力加壓機(jī)具動(dòng)力頭上，再通過(guò)遠(yuǎn)程遙控操作重力加壓機(jī)具將新井口運(yùn)移至失控井井口上方后讓重力加壓機(jī)具動(dòng)力頭下行至新井口坐在失控井井口底法蘭上，最后搶險(xiǎn)人員靠近井口進(jìn)行新井口法蘭與失控井井口底法蘭連接作業(yè)。

2）搶險(xiǎn)人員先在失控井井口底法蘭下面安裝加壓導(dǎo)向輪，再將新井口安裝在加壓機(jī)具上，并用加壓繩將井口、底法蘭、加壓導(dǎo)向滑輪相連，然后通過(guò)遠(yuǎn)程遙控操作加壓機(jī)具加壓，將新井口坐在失控井底法蘭上，最后搶險(xiǎn)人員靠近井口進(jìn)行新井口法蘭與失控井井口底法蘭連接作業(yè)。

在“高壓、高產(chǎn)”失控井井口光套管上進(jìn)行井口重置有三種方法：

1）先將新井口安裝在重力加壓機(jī)具動(dòng)力頭上，再將“失控井一體化井口重置裝置”連接在新井口下法蘭上，然后通過(guò)遠(yuǎn)程遙控操作重力加壓機(jī)具將新井口運(yùn)移至失控井井口上方后讓重力加壓機(jī)具動(dòng)力頭下行至光套管套入“一體化井口重置裝置”內(nèi)，最后通過(guò)遠(yuǎn)程遙控操作關(guān)閉一體化井口重置裝置半封閘板防噴器。

2）先在光套管上安裝搶險(xiǎn)套管頭，再將新井口安裝在重力加壓機(jī)具動(dòng)力頭上，然后通過(guò)遠(yuǎn)程遙控操作重力加壓機(jī)具將新井口運(yùn)移至失控井井口上方后讓重力加壓機(jī)具動(dòng)力頭下行至新井口坐在失控井井口搶險(xiǎn)套管頭上，最后搶險(xiǎn)人員靠近井口進(jìn)行新井口法蘭與搶險(xiǎn)套管頭法蘭連接作業(yè)。

3）在光套管上安裝搶險(xiǎn)套管頭，再在搶險(xiǎn)套管頭下面安裝加壓導(dǎo)向輪，然后將新井口安裝在加壓機(jī)具上，并用加壓繩將井口、搶險(xiǎn)套管頭、加壓導(dǎo)向輪相連，最后通過(guò)遠(yuǎn)程遙控操作加壓機(jī)具加壓，將新井口坐在搶險(xiǎn)套管頭上后，搶險(xiǎn)人員靠近井口進(jìn)行新井口法蘭與搶險(xiǎn)套管頭法蘭連接作業(yè)。

以上方法中，“失控井一體化井口重置裝置”在“高壓、高產(chǎn)”失控井井口光套管上進(jìn)行井口重置時(shí)，搶險(xiǎn)人員雖不用靠近井口進(jìn)行新井口法蘭與失控井井口底法蘭連接作業(yè)，但裝置還未形成系列產(chǎn)品，其安全性、可靠性還有待檢驗(yàn)。而其它方法不但作業(yè)效率低，還需要搶險(xiǎn)人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，長(zhǎng)時(shí)間在高溫、噪音等惡劣環(huán)境中作業(yè)。為了降低作業(yè)人員風(fēng)險(xiǎn)，提高失控井井口重置作業(yè)效率[7]，提出了“高壓、高產(chǎn)”失控工況下安全快速實(shí)現(xiàn)新井口法蘭與失控井底法蘭連接的需求。

2 底法蘭抱箍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了在失控井井口重置惡劣的作業(yè)環(huán)境下順利完成新井口法蘭與失控井底法蘭連接作業(yè)，該底法蘭抱箍摒棄了新井口法蘭與失控井底法蘭需要螺栓連接的設(shè)計(jì)理念，采用了液壓式抱箍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，液壓式底法蘭抱箍結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，抱箍主要包括：懸掛機(jī)構(gòu)、浮動(dòng)承重桿、抱箍導(dǎo)向桿、抱箍、手動(dòng)鎖緊螺母、開(kāi)關(guān)液缸等。

圖1 液壓式底法蘭抱箍結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of hydraulic bottom flange hoop

底法蘭抱箍由兩瓣組成，兩瓣抱箍與液缸通過(guò)連接銷(xiāo)連接固定，底法蘭抱箍及液缸通過(guò)懸掛機(jī)構(gòu)與特殊雙法蘭短節(jié)連接固定，而特殊雙法蘭短節(jié)安裝在防噴器組下方，防噴器組上法蘭與重力加壓機(jī)具連接。

井口重置時(shí)，先用遙控重力加壓機(jī)具將防噴器組及液壓式底法蘭抱箍送至失控井井口底法蘭上方，再由導(dǎo)向限位弧形塊實(shí)現(xiàn)特殊雙法蘭短節(jié)下法蘭與失控井底法蘭快速對(duì)中，最后通過(guò)遙控關(guān)閉抱箍液缸，使液壓油從開(kāi)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)導(dǎo)向桿抱合，特殊雙法蘭短節(jié)下法蘭與失控井底法蘭無(wú)需螺栓就能實(shí)現(xiàn)連接，保障了在惡劣的井口重置環(huán)境下可以實(shí)現(xiàn)井口重置，有利于加快失控井搶險(xiǎn)進(jìn)程。

3 關(guān)鍵問(wèn)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)[8]。抱箍連接時(shí)，連接的兩個(gè)法蘭采用斜坡的榖式設(shè)計(jì)；螺栓連接時(shí)，兩個(gè)法蘭采用直臺(tái)階的盤(pán)式設(shè)計(jì)。該裝置在不改變?cè)追ㄌm的情況下將螺栓連接改為抱箍連接，且實(shí)現(xiàn)液控操作。要完成這些功能，抱箍的設(shè)計(jì)需要解決幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

1）抱箍關(guān)閉時(shí)，如何在原底法蘭下部為直角臺(tái)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安裝預(yù)緊力。

為有效解決這一問(wèn)題，該底法蘭抱箍采用了兩個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)創(chuàng)新：一是設(shè)計(jì)一個(gè)特殊的雙法蘭短節(jié)，下法蘭的上端面設(shè)計(jì)為斜面；抱箍設(shè)計(jì)為非對(duì)稱(chēng)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，非對(duì)稱(chēng)底法蘭抱箍見(jiàn)圖2。二是因底法蘭下端面為水平直角，抱箍關(guān)閉時(shí)要將底法蘭抱緊，抱箍需要有一個(gè)向上的移動(dòng)動(dòng)作。為此，抱箍的承重桿可上下浮動(dòng)，確保抱箍處于開(kāi)位時(shí)與底法蘭下端面有一定間隙，抱箍關(guān)閉的同時(shí)向上移動(dòng)，順利抱合及卡緊底法蘭。

圖2 非對(duì)稱(chēng)底法蘭抱箍Fig.2 Asymmetric bottom flange hoops

2）抱箍關(guān)閉時(shí)，可能出現(xiàn)因開(kāi)關(guān)液缸速度不一致導(dǎo)致抱箍在底法蘭周向的預(yù)緊力不一致，從而出現(xiàn)法蘭密封墊環(huán)無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效密封的問(wèn)題。為避免這一情況的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)了四根抱箍開(kāi)關(guān)導(dǎo)向桿[9]。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(jì)具備鎖緊功能的手動(dòng)鎖緊螺母，可防止液壓失效導(dǎo)致抱箍失控的次生事故。

4 試驗(yàn)效果

4.1 功能試驗(yàn)

將防噴器組、液壓式底法蘭抱箍從上到下的順序連接在遙控重力加壓井口重置機(jī)具上，然后連接液壓式底法蘭抱箍液控管線(xiàn)與遙控重力加壓井口重置機(jī)具的備用液壓控制回路，測(cè)試各動(dòng)作正常。在模擬井噴失控條件下，通過(guò)遙控重力加壓井口重置機(jī)具向下加壓，特殊短節(jié)下法蘭與失控井底法蘭對(duì)中貼合，遠(yuǎn)程遙控液壓關(guān)閉抱箍，井內(nèi)流體從防噴器上方噴出，特殊短節(jié)下法蘭與失控井底法蘭之間無(wú)流體刺漏，達(dá)到了特殊短節(jié)下法蘭與失控井底法蘭連接效果。

4.2 壓力測(cè)試

測(cè)試的是35-70井口法蘭規(guī)格的液壓式底法蘭抱箍。將相應(yīng)規(guī)格防噴器組連接在井口重置底法蘭抱箍上，再將壓力測(cè)試盲板法蘭放置在液壓式底法蘭抱箍下方，最后用液壓關(guān)閉液壓式底法蘭抱箍進(jìn)行壓力測(cè)試。

試壓70 MPa，液壓式底法蘭抱箍無(wú)變形、特殊短節(jié)下法蘭與失控井底法蘭之間無(wú)刺漏、無(wú)壓降，底法蘭抱箍壓力測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。表明液壓式底法蘭抱箍的預(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。手動(dòng)鎖緊螺母安裝后，將抱箍液缸液壓油卸載，試壓70 MPa，抱箍連接位置無(wú)泄漏，手動(dòng)鎖緊功能達(dá)到了防止抱箍液缸液壓失效的效果[10]。

表1 底法蘭抱箍壓力測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 The pressure test data of bottom flange hoop

從以上試驗(yàn)可以看出，采用液壓式底法蘭抱箍進(jìn)行新井口法蘭與失控井口底法蘭連接作業(yè)，避免了搶險(xiǎn)人員在近井口進(jìn)行法蘭連接作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程一鍵完成新井口法蘭與失控井底法蘭連接作業(yè)，從根本上降低了搶險(xiǎn)人員的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

但是，從試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，液壓式底法蘭抱箍的特殊雙法蘭短節(jié)下法蘭與失控井底法蘭對(duì)中過(guò)程耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，判斷特殊雙法蘭短節(jié)下法蘭是否與失控井底法蘭完全對(duì)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)側(cè)方設(shè)計(jì)了導(dǎo)向限位對(duì)中機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)采用弧形設(shè)計(jì)，當(dāng)特殊雙法蘭短節(jié)下法蘭下移動(dòng)與失控井底法蘭靠近，由弧形板導(dǎo)向限位，快速實(shí)現(xiàn)特殊雙法蘭短節(jié)下法蘭與失控井底法蘭的對(duì)中作業(yè)。導(dǎo)向限位對(duì)中機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 導(dǎo)向限位對(duì)中機(jī)構(gòu)Fig.3 Guide limit centering institutions

4.3 應(yīng)用情況

失控井井口重置底法蘭抱箍已在中國(guó)石油井控應(yīng)急救援響應(yīng)中心實(shí)訓(xùn)場(chǎng)井口重置訓(xùn)練和中國(guó)石油2021年井控警示月井噴失控應(yīng)急實(shí)戰(zhàn)演練中應(yīng)用。

失控井井口重置底法蘭抱箍通過(guò)遠(yuǎn)程操作重力加壓機(jī)具下移，先由弧形導(dǎo)向限位板完成特殊雙法蘭短節(jié)下法蘭與失控井底法蘭對(duì)中作業(yè)，再用液壓遠(yuǎn)程關(guān)閉抱箍液缸，快速完成特殊雙法蘭短節(jié)下法蘭與失控井底法蘭連接作業(yè)。

5 結(jié)論

裝置利用抱箍的特殊結(jié)構(gòu)，在失控井新井口重置時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)程遙控?fù)岆U(xiǎn)機(jī)具，先用弧形導(dǎo)向限位塊完成法蘭對(duì)中，再用液壓控制法蘭抱箍卡緊法蘭，一步快速完成新井口法蘭與失控井底法蘭的連接緊固作業(yè)，避免了搶險(xiǎn)人員到近井口進(jìn)行法蘭連接螺栓的緊固作業(yè)導(dǎo)致的身體傷害，踐行了“生命至上、科學(xué)救援”的搶險(xiǎn)理念。

失控井井口重置底法蘭抱箍研制成功，實(shí)現(xiàn)了失控著火井搶險(xiǎn)技術(shù)與搶險(xiǎn)機(jī)具的迭代更新，提高了油氣井井控應(yīng)急救援保障能力，提高了失控井搶險(xiǎn)效率，加快了失控井搶險(xiǎn)進(jìn)程，減少了失控油氣的浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境的污染，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益不可估量，必將在失控井搶險(xiǎn)中得到良好的應(yīng)用。