鉆井作業井噴搶險裝置設計

牛文杰 鄭士坡 徐國慧 劉赫 徐箐箐

中國石油大學（華東）機電工程學院

鉆井過程中的井噴失控事故造成的直接和間接損失都極其嚴重［1］。目前中國陸地生產井井噴搶險裝置的研究比較成熟，如中國石化勝利石油管理局研制的HK-3油氣井搶險控制裝置［2］、搶噴作業機［3］；中國石油大學（華東）研制的井下作業搶噴裝置［4］、生產井液壓搶噴系統［5］等。這些裝置的共同缺陷是封井壓力小（25 MPa左右）、自動化程度低，能在生產井井噴事故中發揮一定的作用，但不能應用于鉆井作業［6-7］。國外針對海洋鉆井平臺海底井口設計了閘板防噴器結構式、閥門結構式、分體結構式3種井噴搶險裝置［8-10］。這3種井噴搶險裝置體積龐大，上下兩端分別與井口和隔水管連接，無法解決陸地鉆井和海洋平臺水上井口鉆井作業中的井噴失控事故。目前對于陸地鉆井和海洋平臺水上井口鉆井作業過程中發生的井噴失控事故，最可靠的處理方法是打救援井，此方法作業時間長，極易導致井噴事故惡化，加重損失。

針對鉆井過程中發生的井噴事故，設計了井噴搶險裝置。當套管頭法蘭損壞時，該裝置可封閉并切除套管頭后的光套管。裝置中所有運動部件均采用液壓驅動，通過人工遠程控制進行井噴搶險作業，提高了作業的安全性。

1 結構設計

Structural design

井噴搶險裝置的結構如圖1所示，包括支撐系統、生根系統、起升系統、對中系統、封井系統和套管卡緊系統。

1.1 支撐系統

Supporting system

支撐系統由矩形鋼和槽鋼焊接而成，左右兩側分別安裝有液壓缸。支撐系統的作用有2個：一是將井噴搶險裝置支撐在地面上；二是在兩側液壓缸的推動作用下，固定架能在支撐系統的軌道上進行前后運動。

1.2 生根系統

Root system

井噴搶險裝置與井口對中連接的過程中會受到流體強大沖擊力作用，從而引起強烈震動與搖晃。針對此問題，設計了生根系統。井噴搶險裝置與井口對中前，利用生根系統卡緊套管本體，使井噴搶險裝置有一個穩定的根基，為之后封井系統與光套管間的對中與連接提供一個平穩的運動環境。

圖1 井噴搶險裝置結構示意圖Fig. 1 Schematic structure of blowout emergency rescue device

生根系統主要由外殼體、卡緊油缸、卡緊總成、鎖緊塊和鎖緊油缸等組成，其結構如圖2所示。

圖2 生根系統結構示意圖Fig. 2 Schematic structure of root system

工作時卡緊總成在卡緊油缸作用下從外殼體伸出卡緊套管本體，兩側鎖緊塊在鎖緊油缸作用下向前運動直到與卡緊總成的斜面接觸，兩者間利用斜面的自鎖原理保持卡緊總成位置固定，設計斜面的角度為5.7°。當井噴搶險裝置受到向上的沖擊力時，卡緊總成中的剪切螺釘被剪斷，利用卡瓦的自鎖原理緊緊卡緊套管本體［11-14］，其結構如圖3所示。

1.3 升降系統

Hoisting system

升降系統由固定架、升降油缸、伸縮架組成。伸縮架在升降油缸的作用下可以在固定架內伸縮，從而調節封井系統的高度，調節高度為2.5 m。

圖3 卡緊總成結構Fig. 3 Structure of clamping assembly

封井系統與套管對中前，在升降系統作用下上升一定的距離；封井系統與套管對中后，在升降系統作用下下降一定的距離，使封井系統罩住光套管。

1.4 對中系統

Centralizing system

對中系統的作用是實現封井系統在水平面內的前后左右運動，使封井系統的軸線與套管的軸線共線。其主要由架體、縱向導軌、縱向運動油缸、移動架、橫向導軌、橫向運動油缸、滾輪總成和連接架組成，結構如圖4所示。移動架和連接架分別在縱向、橫向運動油缸的作用下沿縱向、橫向軌道運動，從而實現封井系統在水平面內的對中。

圖4 對中系統結構示意圖Fig. 4 Schematic structure of centralizing system

1.5 套管卡緊系統

Casing clamping system

以井噴搶險裝置的封井壓力35 MPa、封閉套管直徑340 mm計算，封井系統關閉井口后，受到井內流體作用力為3 176 kN。在強大的作用力下，為使封井系統與光套管可靠連接，設計了套管卡緊系統。其主要由導向口、本體、液壓缸、卡瓦、連接銷、連接盤等組成，結構如圖5所示。本體內表面為圓錐面，圓錐面上設計有均勻分布的3條軌道，3片卡瓦可以沿軌道上下移動。卡緊套管前，液壓缸將3片卡瓦提升一定高度，3片卡瓦圍成的中間空間變大，當套管穿過中間空間后，3片卡瓦下降，利用卡瓦的自鎖原理卡緊套管。

圖5 套管卡緊系統結構Fig. 5 Structure of casing clamping system

1.6 封井系統設計

Capping system

封井系統由全封閘板防噴器、四通和環形防噴器組成，其結構如圖6所示。

圖6 封井系統結構Fig. 6 Structure of capping system

在井口沒有套管頭的情況下封井時，要封閉的流體通道是封井系統與套管間的環空空間和套管內孔，環形防噴器封閉環形空間，全封閘板防噴器封閉套管內孔［15］。環形防噴器與全封閘板防噴器的選型及參數如表1所示。四通的作用是封閉井口后進行壓井放噴等作業。

表1 井噴搶險裝置技術指標Table 1 Technical index of blowout emergency rescue device

2 工作原理

Working principle

井口安裝井噴搶險裝置前需要做一定的準備工作，包括清除井口障礙物、滅火、切割套管頭、清理套管周圍雜物等。準備工作完成后將井噴搶險裝置安裝在井口，封閉光套管，隨后進行放噴、壓井等作業，使井底重新建立壓力平衡。

井噴搶險裝置的作業過程如下：首先，支撐架將井噴搶險裝置支撐在井口，支撐架上的液壓缸推動固定架向前運動，當到達指定位置后生根系統卡緊套管本體，實現井噴搶險裝置的生根；然后，在對中系統的作用下，封井系統在水平面內前后左右運動，使封井系統的軸線與套管的軸線共線；隨后，升降系統帶動封井系統下降，到達指定位置后封井系統停止運動；最后，關閉環形防噴器和全封閘板防噴器，分別封閉封井系統與套管間的環空空間和套管內孔。具體操作流程如圖7所示。

圖7 操作流程Fig. 7 Operation flow chart

3 技術指標

Technical index

設計的井噴搶險裝置應用于陸地鉆井作業或海洋平臺水上井口鉆井作業，其技術指標如表2所示。

表2 井噴搶險裝置技術指標Table 2 Technical index of blowout emergency rescue device

4 關鍵零件有限元分析

Finite element analysis on key parts

4.1 生根系統外殼體

Shell of root system

首先在SolidWorks中建好生根系統外殼體的三維模型，然后將三維模型導入ABAQUS軟件中［16］，節約了在有限元軟件中的建模時間。外殼體選用的材料為Q345鋼，彈性模量210 GPa，泊松比0.3。在網格劃分時選擇外殼體的網格類型為C3D8R，設置網格大小10 mm，形狀選擇六面體網格，網格劃分如圖8所示。施加邊界條件時，在外殼體底面施加固定約束，在外殼體與卡緊總成、鎖緊塊的接觸表面上分別施加面載荷，隨后提交作業，最終得到外殼體的應力云圖見圖9，位移云圖見圖10。

圖8 外殼體網格劃分模型Fig. 8 Grid division model for the shell

圖9 外殼體應力云圖Fig. 9 Stress cloud chart of the shell

由分析結果可知，外殼體的最大應力值發生在上表面開口處，最大應力值為171 MPa，低于Q345鋼的屈服極限345 MPa，其安全系數2.0，外殼體的最大位移變形量約為0.509 mm，變形量遠小于外殼體的尺寸，不影響外殼體的剛度和正常使用，可忽略不計。因此外殼體的強度、剛度可滿足使用要求。

圖10 外殼體變形云圖Fig. 10 Deformation cloud chart of the shell

4.2 套管卡緊系統本體

Main body of casing clamping system

將套管卡緊系統本體在三維軟件中建模并對模型進行簡化，將簡化后的模型導入有限元分析軟件ABAQUS中進行分析。套管卡緊器本體選用材料Q420鋼，屈服強度 420 MPa，彈性模量 210 GPa，泊松比0.3。劃分網格時設置網格尺寸20 mm，網格形狀為四面體網格，單元類型為C3D10，錐形本體的網格劃分完成后如圖11所示。

圖11 本體網格圖Fig. 11 Grid diagram of the main body

在設定邊界條件時將本體向上的運動趨勢轉化為卡瓦向下的運動趨勢，施加邊界條件時在本體與環形防噴器連接法蘭的上表面施加固定約束，在本體的錐形內表面施加面載荷。完成載荷設定后提交作業，得到本體應力云圖見圖12，變形云圖見圖13。由圖12可知，本體的最大應力值發生在錐體與底邊連接處，最大應力值為234 MPa左右，低于所用材料的屈服強度420 MPa，安全系數1.8；由圖13可知，套管卡緊器本體的最大位移變形量約為0.388 mm，變形量很小，不影響本體的正常使用。所以，套管卡緊器錐形本體的強度、剛度均滿足使用要求。

圖12 本體應力云圖Fig. 12 Stress cloud chart of the main body

圖13 本體位移云圖Fig. 13 Displacement cloud chart of the main body

5 結論

Conclusions

（1）針對目前鉆井井噴事故中搶險時間長、作業危險性高的問題，設計了井噴搶險裝置，能夠快速與井口光套管連接，及時制止井噴。

（2）井噴搶險裝置采用全液壓驅動，可封閉壓力達35 MPa的井口，且能封閉套管頭損壞的井口，適用情況廣泛。

（3）下一步工作是試制樣機和進行現場試驗，分析試驗結果并對結構進行優化。

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