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水上井口井喷抢险应急井口连接器的研制

2019-06-11刘英伟张红生李福明张旭张文喜

科技创新导报 2019年6期
关键词:铰链井喷

刘英伟 张红生 李福明 张旭 张文喜

摘   要:为三级井控应急抢险重新安装井口防喷器,设计了应急井口连接器。该装置主要由分瓣式套管头、变扣法兰和铰链式套管头组成。分瓣式套管头可以避开井喷流体安装在光套管上,并可靠密封环空,为防喷器的安装创造条件。铰链利用事故井井口的可用法兰,形成转轴,实现防喷器的扣装。以井口压力34.5MPa,结合339.7mm套管,对装置的结构、力学性能进行了设计和校验。样机及室内模拟试验表明,新装置连接可靠,密封有效,达到了预定的性能指标。

关键词:三级井控  井口连接器  套管头  井喷  铰链

中图分类号:TE2                                    文献标识码:A                        文章编号:1674-098X(2019)02(c)-0077-02

井喷失控时常伴随着人员安全,财产损失和环境污染问题[1]。在中石油1970年—2009年发生的79起井喷失控案例中,由于井口无防喷器或者防喷器失效,引起的井喷失控为35起,占比44.3%[2]。为控制高速喷出的井口流体,重新安装防喷器,建立压井通道,恢复对事故井的控制,国内先后研制了多种类型的抢险装置,如中国石油大学(华东)研制的钻井井喷抢险装置[3],生产井液压抢喷系统[4],中石油大港油田公司研制的重力自封抢喷专用装置[5]等。这些装置的共同特点是,均需从井口上方切入流体,从垂直方向上安装新的防喷器,在陆地或者场地空间许可的条件下能够应用。

对于设置在导管架上的海洋石油水上井口,导管架周围为开阔海面,在井口上方受钻井船悬臂梁影响,在井口周围受导管架上丛式井井口套管头和采油树的空间限制,大型机具的作业场地受限,上述套管头的安装应用受到限制。为解决这一问题,专门设计了采用翻转式扣装的应急井口连接器。

1  技术分析

1.1 结构设计

应急井口连接器的结构如图1所示,包括分瓣式套管头、变扣法兰、可固定钢圈、铰链式套管头四部分。其中,分瓣式套管头由支撑架、本体、工字块、卡瓦、卡瓦定位块、阶梯衬环、密封圈和橡胶盘根组成。变扣法兰由倒锥形本体和标准顶法兰组成。铰链由变扣法兰、上卡体、转轴、可固定钢圈、下卡体、限位块、引导块组成。

1.2 工作原理

清理出事故井的光套管,放置支撑架并调平,放置分瓣式套管头本体并砸紧工字块,安装卡瓦并紧固,依次安放卡瓦限位块,阶梯垫环,密封圈和盘根,通过变扣法兰的锥形结构,使盘根有效密封套管外环空。变扣法兰的顶部的标准法兰,可与抢险的防喷器连接。在关井的情况下,利用井喷流体的上顶力,使分瓣式套管头本体上行,由于分瓣式套管头本体和卡瓦的接触面为锥形,迫使卡瓦牢牢咬合在套管本体上,从而让整个井口不会被井喷流体顶开。调节支撑架的丝杠,提供一定的额外支撑力,防止整个井口意外下沉。

将铰链式套管头的下卡瓦固定在分瓣式套管头的顶法兰上,下卡瓦固定在抢险防喷器的底法兰上,在辅助工具的配合下,穿转轴,在钢丝的牵引下,翻转井口防喷器,完成扣装作业。

分瓣式套管头既可单独使用,采用吊装的方式完成防喷器安装,也可与铰链式套管头配合使用,采用扣装的方式完成防喷器安装。

1.3 关键技术

卡瓦和本体的锥形接触面设计,将井喷上冲的反作用力变为卡瓦的咬合力,实现“井压锁紧”。

阶梯垫环能将4块卡瓦调平,并形成一个整体,防止受力不均,同时能为密封圈创造一个安装槽。密封圈为精细切割,分瓣式设计,软金属材质,进一步缩小环空的间隙,在橡胶盘根放置后,在变扣法兰锥形面的压合作用下,利用橡胶的流动变形特性,在周向和轴向上有效密封环空,见图2。

1.4 技术参数

(1)分瓣式套管头可抵抗的上顶力为360t;

(2)耐压为35MPa;

(3)材料EE級;

(4)铰链式套管头转轴可承受的井压为198MPa。

1.5 计算和校核

(1)分瓣式套管头卡瓦抗剪强度计算、变扣法兰紧固螺栓抗拉强度计算、工字块抗拉强度计算;

(2)铰链式套管头转轴剪切强度校核、下卡体剪切强度校核、升高短节紧固螺栓抗拉强度校核、下卡体限位块剪切强度校核[6-7]。

2  室内试验

完成样机试制后,对应急井口连接器进行了室内试验。选择壁厚为12.2mm,钢级P110,抗内压的47.6MPa的339.7mm套管,进行了35MPa的静压下的卡瓦锁紧和环空密封试验,卡瓦成功锁紧,无下滑,连续3次试压,稳压10分钟,最大压降为0.17MPa,符合规范要求[8];铰链翻转灵活,引导块对中引导良好,功能满足设计预期。

3  结语

(1)应急井口连接器能够弥补现有抢险套管头对安装空间和场地的要求,尤其在海洋石油水上井口抢险中,适用性更强;

(2)分瓣式安装避开了井喷流体的冲蚀,安装方便,安全可靠;

(3)铰链式套管头能抵御井喷流体冲击产生的晃动,为抢险防喷器的安装带来了新的“扣装”方式;

(4)分瓣式套管头和铰链式套管头既可组合使用,也可分开使用,提高了设备的通用性;

(5)可针对不同尺寸套管和压力等级,进行系列化生产。

参考文献

[1] 吴志均,陈刚,郎淑敏,等.天然气钻井井控技术的发展[J].石油钻采工艺,2010,32(5):56-60.

[2] 杨庆理,金华,秦文贵,等.中国石油天然气集团公司井喷事故案例汇编[M].北京:石油工业出版社,2006.

[3] 牛文杰,郑士坡,徐国慧,等.钻井作业井喷抢险装置设计[J].石油钻采工艺,2017,39(6):707-712.

[4] 杨东泽.生产井液压抢喷系统的设计与研究[D].青岛:中国石油大学(华东),2010.

[5] 谢华,刘金环,谢青,等.井口套管头损坏井喷抢险配套技术[J].石油钻采工艺,2010,32(5):107-109.

[6] 綦耀光.机械设计基础[M].东营:中国石油大学出版社,2006.

[7] 刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,1985.

[8] 王乐闻,陈惠琴,吴贤柱,等.钻井井控装置组合配套、安装调试与维护:4调试:SY/T 5964-2006[S].北京:石油工业出版社,2006.

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