深海高壓井口系統(tǒng)淺析

張興元

摘 要：深海井口系統(tǒng)是海上油氣開(kāi)采的重要裝備之一，15000PSI高壓井口系統(tǒng)適宜更高的工作水深及更大的油藏壓力，為一體兩掛式，全部為金屬材料，適用于臥式采油樹(shù)，與連接器接口型式通用，下放工具與套管掛上有大流體通道，可減小井間壓力。

關(guān)鍵詞：深海井口；套管掛密封總成結(jié)構(gòu)

一、概述

深海油氣開(kāi)采主要依靠海底生產(chǎn)系統(tǒng)將采集的油氣輸送至水面，其中與油氣最先接觸的井口系統(tǒng)，則是海底生產(chǎn)系統(tǒng)中必不可少的組成部分。深海井口頭系統(tǒng)是支持內(nèi)部套管柱的基礎(chǔ)，處于海底泥線之上，其安裝過(guò)程復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，同時(shí)要承受多種外部荷載。由于其高壓密封性，及在深水環(huán)境工作的特點(diǎn)，導(dǎo)致深海井口設(shè)計(jì)與陸地井口差別很大。根據(jù)API規(guī)范，水下井口系統(tǒng)根據(jù)其工作的水深和油藏壓力，可分為六個(gè)等級(jí)。其中工作壓力等級(jí)>5000PSI的井口系統(tǒng)為高壓系統(tǒng)，適宜更高的工作水深及更大的油藏壓力，其功能及結(jié)構(gòu)有更嚴(yán)格的要求。

二、深海高壓井口系統(tǒng)

（一）井口系統(tǒng)應(yīng)具備功能

由于井口系統(tǒng)是保護(hù)油氣鉆采生產(chǎn)安全的第一道屏障，是在海底泥線安裝鉆井工具的剛性基礎(chǔ)，是安裝防噴器和采油樹(shù)的基礎(chǔ)，是通過(guò)安裝防噴器與采油樹(shù)實(shí)現(xiàn)油氣鉆采過(guò)程中的防噴、放噴和壓井過(guò)程，所以將平臺(tái)和海底井口連接起來(lái)，引導(dǎo)鉆具進(jìn)入井眼，能夠隔絕油氣與海水，在鉆柱外形成環(huán)形空間，以便在鉆進(jìn)時(shí)循環(huán)鉆井液。

本文以15000PSI工作壓力等級(jí)的井口系統(tǒng)為例，介紹深海井口系統(tǒng)的基本組成及工作特性。15000PSI深海井口系統(tǒng)包括：30"導(dǎo)管頭、18-3/4"高壓井口頭、13-3/8”套管掛、9-5/8”

套管掛、金屬密封總成、防磨補(bǔ)芯及相應(yīng)下放工具。

（二）18-3/4”高壓井口頭本體

18-3/4"高壓井口頭裝配在30"導(dǎo)管頭內(nèi)部，是所有套管掛的支撐基礎(chǔ)，也是整個(gè)井口系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。本文介紹高壓井口系統(tǒng)為一體兩掛式，適用于臥式采油樹(shù)，所用材料需滿(mǎn)足API規(guī)范要求，抗H2S腐蝕。其外部錐臺(tái)與30"導(dǎo)管頭的內(nèi)部錐面配合；接觸錐面上部安裝有鎖環(huán)，防止棄井上提高壓井口頭時(shí)，高壓井口頭與30"導(dǎo)管頭脫離；下面的鎖環(huán)支撐導(dǎo)管頭上的圓錐凸臺(tái)。井口頭下部扶正環(huán)開(kāi)設(shè)流體通道，以便于泥漿和鉆井液流出。其本體上端外壁齒面與H-4連接器鎖塊嚙合，內(nèi)壁端部鍍有鎳合金堆焊層，為與H-4連接器VX密封面配合時(shí)起到防腐防磨的作用。內(nèi)壁齒面與下放工具鎖塊嚙合，內(nèi)壁有防轉(zhuǎn)鍵槽，防止與下放工具發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)。其本體內(nèi)壁密封槽通過(guò)與密封總成配合，起到隔絕壓力的作用。

（三）13-3/8”與9-5/8”套管掛

套管掛材料需滿(mǎn)足API規(guī)范中15000PSI等級(jí)要求，抗H2S腐蝕。套管掛依靠坐放斜肩與井口頭承載環(huán)或者上一層套管掛坐放面配合；其外壁開(kāi)有流體通道，用于下放和固井時(shí)泥漿返流；流體通道上端有密封環(huán)支撐面，其外壁為傾斜面，與密封總成配合，達(dá)到密封的作用；套管掛上端外壁設(shè)計(jì)環(huán)槽與密封總成內(nèi)鎖緊環(huán)配合，起到軸向固定密封總成的作用；下端開(kāi)有API偏梯形螺紋與相應(yīng)的套管連接；上端內(nèi)壁設(shè)計(jì)有凹槽和防轉(zhuǎn)槽與下放工具配合用。由于9”套管掛上端要回接其他油氣開(kāi)采用的套管掛，故為防腐防磨，上端內(nèi)壁需要堆焊625鎳基合金。

（四）金屬密封總成

金屬密封總成主要是隔絕高壓井口頭與套管之間的壓力，故對(duì)其尺寸和表面粗糙度要求較高。對(duì)于高壓井口系統(tǒng)，密封總成全部采用金屬材質(zhì)，為金屬對(duì)金屬密封，抗H2S腐蝕。金屬密封總成可適用于各種標(biāo)準(zhǔn)套管掛，16”套管掛除外。

金屬密封總成主要分為上端驅(qū)動(dòng)部分和下端密封部分，上下兩部分可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。密封總成內(nèi)壁有四個(gè)軸向槽，便于下放工具上的銷(xiāo)釘進(jìn)入密封總成的卡槽內(nèi)，起到懸掛密封總成，實(shí)現(xiàn)下放與回收的作用；其驅(qū)動(dòng)環(huán)擠壓密封環(huán)，使密封環(huán)產(chǎn)生塑性變形，與井口頭內(nèi)壁和套管掛外壁接觸面產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，從而達(dá)到密封的效果；其外圈有外鎖緊環(huán)，內(nèi)圈有內(nèi)鎖緊環(huán)，分別與高壓井口頭和套管掛的卡槽配合，起到軸向固定密封總成的作用；驅(qū)動(dòng)環(huán)上開(kāi)有垂直的流體通道，便于下放時(shí)泥漿返流。

（五）13-3/8”與9-5/8”防磨補(bǔ)芯

防磨補(bǔ)芯依靠坐放臺(tái)肩與相應(yīng)套管掛配合；外壁裝配有密封圈，通過(guò)與高壓井口內(nèi)壁的摩擦作用，防止在鉆井過(guò)程中防磨補(bǔ)芯與高壓井口頭發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)；防磨補(bǔ)芯內(nèi)壁上端有與下放工具配合的凹槽。

三、15000PSI高壓井口下放步驟

（一）下放導(dǎo)向基座及導(dǎo)管頭。首先在海底泥線附近下放導(dǎo)向基座，然后下放導(dǎo)管頭，一般先將導(dǎo)管頭預(yù)先裝入導(dǎo)向基座內(nèi)，然后利用導(dǎo)管頭下放工具，一起下放導(dǎo)管頭與導(dǎo)向基座。下放前需要鉆36寸井眼，下放后需用水泥固井，然后再鉆26寸井眼。

（二）下放18-3/4”高壓井口頭。鉆好26寸井眼后，下放18-3/4”高壓井口頭，井口頭下端焊接20寸套管。為了下放方便，先將防磨套筒裝入井口頭內(nèi)，下放到位后，固井，再連接防噴器、隔水導(dǎo)管，有時(shí)也需要下放采油樹(shù)，此時(shí)需要進(jìn)行BOP試壓，然后再鉆17-1/2”井眼，井眼完成后，回收防磨套筒，提出下放工具。

（三）下放13-3/8”套管掛及密封總成。繼續(xù)下放13-3/8”套管掛及套管，然后固井，再下放密封總成。為減少操作步驟，同時(shí)也便于密封總成與套管掛的對(duì)中，一般將密封總成與套管掛使用一個(gè)下放工具下放，即單程下放工具。使用單程下放工具下放時(shí)，將套管掛與密封總成同時(shí)連接到下放工具的相應(yīng)位置，然后先坐放套管掛，固井，再下放密封總成，其下放原理與單獨(dú)下放時(shí)相同。金屬密封總成下放完成后，提出下放工具，進(jìn)行BOP試壓，試壓完成確保滿(mǎn)足壓力要求后，再使用防磨補(bǔ)芯下放工具下放13-3/8”防磨補(bǔ)芯，并鉆12-1/4”井眼，回收防磨補(bǔ)芯。

（四）下放9-5/8”套管掛及密封總成。9-5/8”套管掛下放時(shí)重復(fù)13寸套管掛下放步驟，即下放套管掛及密封總成，固井，試壓，下放9-5/8”防磨補(bǔ)芯，再鉆8-1/2”井眼，回收防磨補(bǔ)芯。至此井口頭安裝完畢。

四、總結(jié)

（一）15000PSI井口系統(tǒng)總體特點(diǎn)：金屬對(duì)金屬密封，密封性能可靠性高；下放工具與套管掛上有大流體通道，可供泥漿返流，減小井間壓力；安裝步驟簡(jiǎn)單易行；下放工具具有多用途，可有效減少下放安裝步驟。

（二）18-3/4”高壓井口頭本體特點(diǎn)：額定工作壓力15000PSI（103.5MPa），抗H2S腐蝕；一體二掛式，配有兩層套管掛；井口頭連接器可用FMC連接器或客戶(hù)指定形式；井口內(nèi)壁底部坐放臺(tái)肩可承受所有套管重量；外壁底部的扶正環(huán)可以向30”導(dǎo)管頭傳遞彎曲載荷。

（三）13-3/8”與9-5/8”套管掛特點(diǎn)：所有套管重量可以通過(guò)套管掛傳遞到經(jīng)口頭上；

所有套管掛都可以居中懸掛于30°坐放臺(tái)肩上；每個(gè)套管掛都有大流體通道；每個(gè)套管掛額定工作壓力15000PSI（103.5MPa），抗H2S腐蝕；每層套管掛均配有密封裝置；每層套管掛均有回接結(jié)構(gòu)。

（四）金屬密封總成特點(diǎn)：在井口頭和套管掛之間建立金屬對(duì)金屬密封；密封總成靠重力坐封；與套管掛通過(guò)單程下放工具，同時(shí)下放，無(wú)需沖洗過(guò)程；密封總成可在必要的時(shí)候直接上提回收，不需要扭矩和左旋，上提下放工具可使用多用途工具；在同一尺寸的井口頭中，密封總成適應(yīng)于13-3/8”或更小尺寸套管掛；密封總成額定工作壓力15000PSI（103.5MPa），抗H2S腐蝕。

結(jié)語(yǔ)：總之，深海高壓井口系統(tǒng)是海上油氣鉆采的重要設(shè)備之一，是保護(hù)海上油氣生產(chǎn)安全的第一道屏障。但深海生產(chǎn)裝備制造技術(shù)長(zhǎng)期被歐美國(guó)家壟斷，至今未能完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化制造，因此掌握深海高壓井口系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及制造技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)深海油氣裝備國(guó)產(chǎn)化，對(duì)進(jìn)入國(guó)際深海油氣裝備市場(chǎng)具有重要的戰(zhàn)略意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] FMC Technology：Subsea Drilling Systems [M]：2008.