鉆井隔水導管座掛密封裝置設計與應用研究

項明　韓豐欣　李斌

摘 要：海洋石油鉆井具有高技術、高風險、高成本的特點，隨著石油資源的不斷開采，大規模的整裝油田越來越難以發現，致使海洋鉆井作業成本越來越高。如何控制成本、保障鉆井作業優快實施已成為各個石油企業日益關注的焦點。該文所提出的海上鉆井用隔水導管座掛密封裝置是針對表層作業專門設計，它采用聯座方式實現快速安裝和多層密封。從作業安全、作業方式和作業效率3個方面攻克了傳統作業方式的弊端，從而達到安全快速作業、降低開發成本的目的。

關鍵詞：海洋鉆井 表層井口安裝 降本提效

中圖分類號：TE21 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（b）-0058-03

在采用隔水導管鉆井時，一般需建立閉路循環通道井口，其中的熱工作業焊接、切割升高管等作業過程耗時較長，安裝強度大、風險高，且返工率高。針對此情況，筆者從現場拆裝方式及安全經濟有效性入手，設計了一種隔水導管座掛密封裝置，并結合基于ABAQUS的數值模擬和室內安裝及密封性實驗對該裝置進行了綜合應用評價。經現場應用表明，其安全性、經濟性較高。

1 技術分析

1.1 工具結構

隔水導管座掛密封裝置是一種可重復利用、座落密封可靠的隔水導管與升高管的連接裝置，具有安裝連接方便、多級密封可靠、工具面適應性好的特點，其結構如圖1所示。其中，密封部分主要有密封膠圈、銅密封、密封氣胎組成，形成多級密封，當安裝完成后，增加井口上部載荷，增加密封強度。

1.2 工作原理

安裝前，先將隔水導管端頭進行端面處理，以保證端口的平整性與水平度，安裝后隨著升高管上的載荷增加，隔水導管座掛裝置的多級膠圈密封、銅密閉被自封，同時多級膠圈密封和銅密封均具有一定的密封性自適應能力。最后，將鋼絲繩、安全螺栓緊固，即可進行下步作業工序。

1.3 主要技術參數

延伸內筒：內徑457.2 mm，外徑558.8 mm，長度450 mm。

延伸外筒：內徑618 mm，外徑698 mm， 長度250 mm。

最大密封壓力等級：21 MPa。

升高返出管最大荷載：100 kN。

適宜工作溫度：150 ℃。

1.4 主要技術及性能特點

（1）海上井口現場的安裝過程簡單，施工質量可控，摒棄了費時、質量不可控、作業窗口窄、操作面狹小的井口熱工操作，從而降低施工風險。安裝井口時，該隔水導管座掛密封裝置與井口隔水管的連接處采用高強度螺栓固定并且保證密封，使用時擰緊螺栓即可進行鉆井作業；拆卸時，只需松開螺栓即可將升高管提起，密封也隨之解除。

（2）多級密封機構的設計，安全可靠。從室內試驗評價來看，當管內壓力升高至20 MPa時，密封性完好。

（3）拆卸過程方便，大大節約工時，減少海上非鉆進作業時間，提高生產效率?？s短了表層閉路鉆進拆裝井口的時間，每口井由原來的3 h多縮短至十幾分鐘。

（4）適應面廣，實用性強。對升高返出管的高度、管徑適應性好，對隔水導管的端口處理、垂度適應性高，同時經濟性強。

2 基于ABAQUS的強度校核

2.1 建模主要參數

升高返出管外徑508 mm（20″），升高返出管內徑（延伸內筒內徑）457.2 mm。

隔水導管外徑609.6 mm（24″），隔水導管內徑（延伸內筒外徑）558.8 mm。

其他詳細尺寸參數，如圖2所示。

該裝置屬于典型的軸對稱模型，所建立的有限元模型剖視圖如圖2所示。

2.2 數值分析結果

數值計算結果如圖3、圖4所示，從數值分析結果看，座掛密封裝置的法蘭、延伸內筒、延伸外筒、環槽應力及位移均呈軸對稱分布，法蘭作為該裝置最薄弱、最關鍵的部件，應力和位移均最大，最大應力出現在20″升高返出管與法蘭接觸處，法蘭最大應力是14.05 MPa，最大位移是0.178 7 mm。法蘭材質是Q235鋼，屈服強度為235 MPa，安全系數為16.726，完全滿足強度要求，該裝置安全、可靠。計算發現，升高返出管與法蘭接觸處存在一定程度應力集中現象，現場作業中，盡量做到每個連接螺栓位置平整、受力均勻，防止應力集中現象加劇。

3 室內實驗及分析

3.1 座掛裝置密封性試驗

在延伸內筒上用短導管接頭進行套接，并將升高返出管、短導管接頭進行端頭密封，記錄座掛工具各部件位置。用電動試壓泵加壓，記錄工具內壓力值、憋壓時間，并記錄多級密封的密封情況。壓力每上升1 MPa，憋壓10 min，記錄憋壓漏失情況。試驗結果表明，當壓力升高至20 MPa時，憋壓10 min，多級密封圈可有效密封、無漏失現象。

3.2 座掛裝置承載力試驗

將隔水管座掛密封裝置固定在承載力試驗臺上，將座掛裝置上端面與液壓加載工具進行連接，然后再在上端面均勻布置4片應力應變片。用電動液壓加載系統對工具進行逐級加載。試驗結果表明，當加壓至100 kN時，應力、應變值為12.67 MPa、0.13 mm，與數值模擬結果對比吻合度較高。

4 現場應用分析

在表層作業中，安裝井口這一部分作業一般占到表層作業總時間的10%左右。但升高管連接處發生鉆井液泄漏的幾率相當高，泄漏后處理起來費時費力。處理好安裝井口這一環節，做到既保證密封又實現快速安裝，在井數量大的情況下，將會節省大量的作業時間，從而達到節約成本的目的。

該隔水導管座掛密封裝置在數十口井上成功應用，成果安全有效率100%，安裝返出管的單井平均耗時降低至20.5 min，與之前的傳統做法相比，提高生產時效610%，取得了較為可觀的經濟效益。

5 結語

海洋石油是一個高風險、高成本的行業，每一個環節都會影響整個工程的進度和成本。為提高開發效益，目前大型導管架正成為一種趨勢，安裝井口的作業將會越來越頻繁。文章所提出的海上鉆井用隔水導管座掛密封裝置有效避免了常規裝井口作業的諸多弊端，在井數量大的情況下其優勢將會得到更大體現，并且在進度和安全上提供了更多的保證。其應用范圍在：（1）需要進行閉路循環的鉆井作業中；（2）隔水導管內徑在22``及以上以滿足鉆具尺寸要求。

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