海洋油氣井水下井口回接裝置

曹 川，馮 宇，王金宏，耿 麗

（1.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京100195；2.中國石油天然氣集團公司，北京100009） ①

海洋油氣井水下井口回接裝置

曹 川1，馮 宇2，王金宏1，耿 麗1

（1.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京100195；2.中國石油天然氣集團公司，北京100009）①

海洋油氣井水下井口回接是海洋油氣井通過水下井口與海面采油平臺建立采油采氣通道的一種方法。介紹了回接連接裝置的結構、組合式金屬膨脹密封環的設計方案及其工作原理。該方案設計的裝置結構簡單、操作方便，為國內在海上油氣井回接系統方面的研究提供新的設計思路。

水下井口；回接；工作原理；密封結構

海洋油氣井水下井口回接是海洋油氣井通過水下井口與海面采油平臺建立采油、采氣通道的一種方法（如圖1）。當鉆井平臺鉆完1口井后，生產平臺要對該井進行生產作業，這時將回接連接裝置與相應的回接管柱相連，從海面的平臺下放到海底的水下井口頭上，根據水深下放的回接管柱通常在幾十米到上千米不等，通過回接連接裝置與水下井口頭的連接，來建立一條由海平面到海底的采油采氣的通道［1－4］。生產平臺上建立好采油樹后，在最內層的回接管柱中下入油管進行采油采氣作業。

圖1 海洋油氣井水下井口回接示意

在采油采氣過程中，內層回接管柱連接的回接連接裝置通常要承受很高的壓力，對密封性能要求相當高。常用橡膠密封材料在惡劣的環境中容易失效或者老化，其耐高壓的能力差，采用橡膠密封材料進行密封，不如金屬對金屬密封，因此很多海上油氣井的回接連接機構中都采用金屬－金屬密封，但金屬－金屬密封機構復雜，精度高，開啟密封需要很大壓力。海上油氣田勘探開發的成本要遠高于陸上，而使用的水下設備一旦發生功能性失效，其對人員、環境以及油氣田的勘探開發所造成的損失會很大。由于水下環境的特殊性，則要求回接連接的結構盡可能地簡單、有效。

本文介紹了采用重力鎖環式的回接連接結構，并采用通過激活方式開啟的金屬密封結構來提高其安全可靠性。

1 技術分析

1.1 基本結構設計

密封回接連接裝置由回接連接裝置本體、重力鎖環、橡膠密封圈、上部金屬密封環、下部金屬密封環和密封環基座組成（如圖2）。

圖2 回接連接裝置結構

回接連接裝置本體中部的內壁上分布有凹陷的扭轉鍵槽，能使后續下入的專用扭轉工具上扭轉鍵的端部插入配合，帶動回接連接裝置本體旋轉。外壁下部的斜面臺階用于在水下井口頭內相應的位置的支撐；在斜面臺階下部的環形凹槽，用于卡放重力鎖環；其上部均勻分布的圓弧形凸臺能承受回接連接裝置本體旋轉時帶來的反扭矩。

重力鎖環從上到下是縱截面為鋸齒形的螺紋，其上有縱向斷開口，當受到向外的徑向力時會向外擴張。本體在旋轉時帶動重力鎖環一起旋轉。外壁上，在環形凹槽下部有橡膠密封圈，當回接連接裝置本體下端插入水下井口頭的套管懸掛器內，并與套管懸掛器內徑配合，橡膠密封圈起到臨時密封作用。1.2 組合式金屬密封

在回接連接裝置本體下端套有密封環基座，用剪釘將密封環基座固定在圓柱體上，并且密封環基座的下端面在圓柱體下端面之下，即密封環基座下端比圓柱體下端長3～15mm。當密封環基座受到足夠大的向上推力時，密封環基座向上運動能剪斷剪釘。在密封環基座的頂部與本體向下的臺階面之間有上部金屬密封環和下部金屬密封環。上部金屬密封環和下部金屬密封環是1個組合式金屬膨脹密封環（如圖3）。

圖3 組合式金屬密封

上、下部金屬密封環是1個圓環體，圓環體的一側縱剖面下部有楔形體；下部金屬密封環的一側縱剖面上部有楔形槽。上部金屬密封環的楔形體插入下部金屬密封環的楔形槽內。當上部金屬密封環與下部金屬密封環兩端受到軸向壓力時，上部金屬密封環楔形體更深地插入下部金屬密封環的楔形槽內，使下部金屬密封環徑向擴張，最終使下部金屬密封環的外壁與套管懸掛器內孔之間形成密封。

1.3 技術特點

1） 回接連接裝置直接與回接管柱連接下入，并與水下井口頭內的套管懸掛器連接。

2） 采用重力鎖環形成主要連接，通過彈性卡鎖，旋轉扭緊，來提供簡單、可靠的水下井口回接連接。

3） 采用組合式金屬密封結構，可通過旋轉進行選擇性開啟，簡化施工工藝。

4） 通過專用工具完成試壓，密封開啟，節省了工人勞動強度。

2 工作原理

回接連接裝置上端連接回接管柱，并插入到水下井口頭內的套管懸掛器中，重力鎖環靠回接管柱自身重力滑入到套管懸掛器內壁上相應內螺紋鎖槽內，然后從海面采油平臺下入扭轉工具，使扭轉工具上的扭轉鍵插入到回接連接裝置本體內壁上的扭轉鍵槽中，旋轉扭轉工具帶動本體旋轉，通過本體環形槽上凸臺與重力鎖環相對應的卡槽配合，使重力鎖環旋緊在套管懸掛器內螺紋上［5］。同時，在重力鎖環旋緊于套管懸掛器內螺紋過程中，由于回接連接裝置下入到水下井口頭內的套管懸掛器時，其下端斜面臺階坐在套管懸掛器內壁相應斜面上，其上端斜面臺階與套管懸掛器內壁相應斜面保留一定距離，使得回接連接裝置本體有足夠的下行空間來開啟金屬密封［6］。即使本體與套管懸掛器能產生相對位移，當其軸向力超過剪釘設計剪切力時，剪釘被剪斷，回接連接裝置本體向下運動，將上部金屬密封環的楔形的圓環擠壓到下部金屬密封環的環形槽中，使槽的左右壁向外擴張，下部金屬密封環的環形槽2個金屬密封外壁分別貼合于回接連接裝置本體下端外壁和套管懸掛器內壁上，起到金屬密封作用。當重力鎖環旋緊于套管懸掛器內壁螺紋上時，同時保持對金屬密封環的擠壓力，使得金屬密封環始終保持密封狀態。

3 結語

本文介紹的回接裝置通過重力鎖環形成主要連接，并采用組合式金屬密封結構可通過旋轉進行選擇性開啟，提供了簡單、可靠的水下井口回接連接。該裝置可減輕工人勞動強度，并為國內在回接裝置方面的自主研發提供了參考。

［1］ Griffith D L.Analysis Techniques for Offshore Platform Tieback Systems［G］.SPE 11746，1983.

［2］ Pecue w w.Design and Operational Considerations for Subsea Wellhead iebacks to Deepwater（Fixed）Platforms［G］.OTC 6953，1992.

［3］ 劉承通，肖文生，葉道輝，等.深水鉆井關鍵裝備現狀與選擇［J］.石油礦場機械，2009，38（10）：1－4.

［4］ 侯福祥，張永紅，王 輝，等.深水水下井口頭系統研究［J］.石油礦場機械，2009，38（5）：26－30.

［5］ 鄒阿七，鄭惠如.平湖油氣田井口回接技術［J］.石油鉆探技術，2000，28（1）：22－23.

［6］ 張新平，余雄鷹.平湖油氣田A5井水下井口重回接工藝的改進［J］.中國海上油氣，2005，17（4）：265－267.

Subsea Wellhead Tieback Device for Offshore Construction

CAO Chuan1，FENG Yu2，WANG Jin－hong1，Geng Li1
（1.CNPC Drilling Research Institute，Beijing100195，China；2.China National Petroleum Corporation，Beijing100009，China）

Subsea wellhead tieback device is used to establish the channel which enables the oil or gas to be brought from subsea wellhead to production platform.The paper firstlyintroducesthestructure of subsea wellhead tieback device and the design of expandable combined metal seal ring，and then discusses about working principle of the designed device.The designed subsea wellhead tieback device is simple in structure，easy to operate，and can provide a new design concept for domestic R ＆D of tieback system.

subsea wellhead；tieback；working principle；seal structure

1001－3482（2012）01－0088－03

TE952.03

B

2011－07－29

曹 川（1985－），男，北京人，助理工程師，主要從事鉆井裝備與工具研究，E－mail：caochuandri＠cnpc.com.cn。