鉆井隔水管接頭選型研究

盧沛偉

摘 要：隨著技術的進步和能源需求的增長以及陸上發現和開采難度的增大，石油開發的重心已轉向海洋尤其是深海，鉆井隔水管是深海洋油氣開發的重要設備，近年來得到迅速發展。海洋隔水管系統選型配置技術是海洋隔水管系統的核心技術，目前被國外少數公司壟斷。為突破國外相關技術的壟斷，不斷降低我國海洋油氣開發成本，形成具有自主知識產權的深海資源勘探開發的核心能力技術，為我國儲備和培養深海油氣勘探開發核心裝備的技術人才和管線人才，研發深水裝備實現深海油氣勘探開發技術的發展。本文主要探索海洋隔水管系統配置選型的研究成果，將為我國海洋隔水管技術研發應用提供技術支持。

關鍵詞：鉆井隔水管；海洋油氣開發；技術支持

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.074

1 引言

中國南海深水區域（水深300米～3000米）蘊藏著豐富的油氣資源，解決深水海域油氣勘探技術和裝備是油氣資源的勘探開發的重點，國內自主研發深水裝備核心技術，突破被國外少數國家壟斷的深水勘探開發裝備的關鍵技術，初步形成自主的深水油氣勘探開發能力，為我國深水大中型油氣的勘探、開發提供核心技術支撐。

海洋隔水管系統選型配置技術是海洋隔水管系統的核心技術，目前被國外少數公司壟斷。為突破國外相關技術的壟斷，不斷降低我國海洋油氣開發成本，形成具有自主知識產權的深海資源勘探開發的核心能力技術，為我國儲備培養深海油氣勘探的裝備開發人才，研發深水裝備實現深海油氣勘探開發技術的發展。

海洋隔水管系統配置選型的研究成果，將為我國海洋隔水管技術研發應用提供技術支持。

2 設計概述

（1）隔水管設計的環境因素分析（環境條件對隔水管的影響，如水深、波浪、海流）。

水深、地理位置、地質條件和環境數據、船體響應、海流、波浪、風、海底土壤特性、潮汐。

（2）隔水管設計的作業因素分析 （作業條件對隔水管的影響，如修井液密度、管線工作壓力等）。

1）設計壓力；2）設計溫度；3）內部流體特性；4）是否具有抗腐蝕功能；5）節流壓井增壓管匯特性；6）最小隔水管內徑；7）使用周期，頻率；8）頂部張緊力。

（3）設計需要考慮哪些方面。確定隔水管單根長度、隔水管單根及輔助管線壁厚尺寸、配置隔水管系統涉及設備、張緊器工作參數設計、隔水管下放/回收分析、緊急脫開后的抗反沖流分析、隔水管系統懸掛分析、鉆井工況分析、水下漂移分析和系統弱點分析、渦激振動分析和疲勞分析。

3 隔水管接頭

隔水管接頭承受載荷主要包括隔水管受拉力、內部壓力、外部壓力、彎矩、溫度影響。選型主要考慮接頭的強度和密封性。

隔水管接頭采取的設計載荷條件為軸對稱張力。隔水管彎矩轉換為等效張力TEQ，接頭設計載荷按量值Tdesign確定。

（1）

上式：C——隔水管平均半徑，m；I——隔水管慣性距，m4；A——隔水管橫截面面積，m2；do——隔水管外徑，m；t——隔水管壁厚，m。

初始接頭計算基于較保守的假定（修井液考慮較重的16ppg，假設靜態下LMRP底部有200kips過度張力）.動態因子選1.3，經計算，隔水管最大的頂部張力為949kips。假定彎曲應力為10ksi。根據以上公式接頭設計載荷為：

Tdesign = T + TBQ = 1349 kips （2）

基于以上分析，選擇隔水管接頭承受1.5x106lbf，即選擇API D級。

典型的接頭類型包括：

3.1 Clip型接頭——breech lock型

Clip卡扣連接式鉆井隔水管是阿柯公司（Aker Kvaerner）設計開發的一種新型鉆井隔水管，該型號鉆井隔水管的特點是：

（1）使用上、下2層撥片式法蘭等分公母扣配合對準壓入后旋轉至到鎖定位置安裝連接形式，對接速度快捷，成功率高；

（2）內螺紋以對焊的方式焊接在主管線上端，保證內螺紋與主管的有效連接，在內螺紋上設計圓形凸緣，可以支撐隔水管外圍引起的載荷；

（3）外螺紋部件以對焊的方式焊接在主管線下端，保證內螺紋與主管的有效連接，外螺紋上設計有2個唇型密封緣；

（4）連接頭設計按照API 16R規范，整體載荷能力可達到1560噸。

法國IFP和framatome公司從上世紀80年底起就研究Clip卡扣連接型式隔水管。開發Clip卡扣連接型式隔水管能實現快速連接和連接可靠性的隔水管接頭，滿足大通徑，在超深水勘探開發所需的高作業壓力和高環境壓力的連接需求。

3.2 MR6H-SE接頭——Lock Dog型

MR-6H SE是維高公司（GE-Vetco Gray）近幾年新設計開發的一種鉆井隔水管系統，該型號產品設計曾獲得美國國際石油天然氣展覽會獎，其特點是：

（1）接頭設計使用卡扣連接方式，安裝和拆卸快捷、安全可靠性高；

（2）接頭連接時可完全自動化連接，使操作人員遠離接頭連接潛在的危險；

（3）外螺紋和內螺紋設計有導向裝置，外螺紋可通過導向裝置與內螺紋對正并連接，在卡套內扣收縮后可自動連接并鎖定；

（4）組裝、拆卸效率非常高，為法蘭連接式裝卸效率的2倍；

3.3 法蘭螺栓型

（1）法蘭螺栓連接形式的鉆井隔水管最大可以承受1560噸的拉伸載荷，適合深水油田勘探作業環境；

（2）連接器兩端法蘭結構相同，可以互換，在現場組裝時不需區分和辨認連接頭方向，能夠簡化鉆井隔水管現場安裝程序；

（3）連接器在上、下法蘭之間設計有內襯套，內襯套外壁上設計密封槽并安裝密封件，密封件與法蘭內通徑表面良好的配合實現密封，安裝法蘭時只需法蘭對正安裝即可實現密封；

（4）螺栓、螺母的設計連接結構通過連接套過渡與法蘭端面接觸，可延長法蘭使用壽命。

卡麥隆（Cameron）公司的LoadKing隔水管系統使用此種類型接頭。該型連接采用機械法蘭連接，連接的可靠性非常高，但連接耗費的時間比較長，效率較低。

三種隔水管接頭的價格上相差不大，但是前兩者屬于快速接頭，可以大幅提高隔水管連接效率，降低施工成本，因此推薦前兩種，即Clip型接頭或MR-6H-SE型。由于兩種接頭都具備快速連接的優點，且功能相似，具體型式選擇一般根據操作人員操作習慣進行選取。