劉景超 黃毓祥 周文博

（1.西安石油大學，陜西西安 710065；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

隨著油田開發(fā)的不斷深入，批鉆批完作業(yè)應(yīng)用廣泛，鉆井作業(yè)后敞放井口的情況越來越多，若在油管四通和采油樹未到貨的情況下進行鉆井作業(yè)，鉆井作業(yè)后只能敞放井口，存在安全隱患風險，在固井質(zhì)量不合格的情況下，套管內(nèi)外都有油氣溢出，沒有安裝油管四通，生產(chǎn)套管和表層套管環(huán)空無法進行控制壓力；由于沒有安裝采油樹或盲法蘭，無法控制套管內(nèi)的壓力，有可能導致井涌、井噴等事故［1-5］。針對上述安全問題，結(jié)合海上油氣田的實際情況，研制開發(fā)了井口承壓保護裝置。該裝置能夠在鉆井作業(yè)結(jié)束后直接安裝在套管頭或油管四通上，通過試壓檢驗密封性，能夠監(jiān)測井內(nèi)壓力變化，在發(fā)生溢流井涌的情況下能夠進行壓井作業(yè)，另外，安裝井口承壓保護裝置后，可以防止井內(nèi)落物，使生產(chǎn)套管內(nèi)外的壓力受到控制，保證作業(yè)安全。

1 結(jié)構(gòu)及主要功能

1.1 結(jié)構(gòu)

海洋鉆井井口承壓保護裝置結(jié)構(gòu)見圖1。當針閥打開時，壓力表可以時刻監(jiān)測該裝置的內(nèi)部壓力；當需要更換壓力表時，只需關(guān)閉針閥，即可更換壓力表。

圖1 海洋鉆井井口承壓保護裝置

該裝置設(shè)計和制造完全符合API規(guī)范要求，具有集成程度高、密封性能好、操作方便靈活、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，填補海油井口保護空白，能夠顯著提高批鉆批完鉆井模式的安全性。

1.2 主要功能

（1）監(jiān)測井內(nèi)壓力變化。安裝井口承壓保護裝置后，鉆桿旋塞閥處于關(guān)閉狀態(tài)，此時壓力表時刻監(jiān)測井內(nèi)壓力變化情況，一旦出現(xiàn)壓力異常情況，報警裝置啟動，及時報警，具有泄壓功能。

（2）該裝置上安裝有泄壓閥，當井內(nèi)壓力不太高時，可以開啟泄壓閥，方便泄壓。

（3）擠推壓井法。直接在該裝置上連接循環(huán)接頭（4-1/2IF公扣×1502扣），在1502扣接上壓井管線，打開保護裝置上的旋塞閥即可實施。

（4）置換壓井法。在旋塞閥接頭上連接防噴管，并試壓合格；然后下入連續(xù)油管（可適用直徑38.1～60.325 mm的油管），在管柱上安裝單流閥，利用防噴管的功能，防止在下入連續(xù)油管時發(fā)生無節(jié)制外溢或噴涌；連續(xù)油管下到位后，從連續(xù)油管內(nèi)泵入壓井液，從防噴管或油管四通翼閥回收井內(nèi)流體，提高井內(nèi)液柱壓力，恢復(fù)井下壓力平衡。

2 安全性分析

井口承壓保護裝置通過法蘭安裝在井口上，正常情況下內(nèi)部沒有壓力，當井內(nèi)壓力過高，出現(xiàn)井涌、溢流等情況時，井口承壓保護裝置內(nèi)部受到來自井內(nèi)液體的壓力，此時，其本體的受力如圖2所示。

圖2 本體受力示意圖

2.1 本體可靠性計算分析

本體的材料為30CrMo，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，其屈服強度為 σb=620 MPa，許用應(yīng)力 σs=410 MPa，設(shè)置該裝置的極限工作壓力為34.474 MPa（5 000 psi）。

如圖2所示，本體為筒狀，D1=346.1 mm，D2=481 mm，桶蓋面積A=π/4=94 031.49 mm2,最薄壁處為側(cè)壁，側(cè)壁橫截面積A1=π（–）/4=87 586.995 mm2,此處受到來自桶蓋的拉力F和軸向拉力強度p1為

式中，p為本體工作抗壓強度，取34.474 MPa。

計算本體內(nèi)部所能承受的極限荷載（安全系數(shù)取 0.8）。當 pmax=σs=410 MPa時，材料達到極限，此時軸向所受拉力

液體抗壓強度

乘以安全系數(shù)，即當裝置內(nèi)部壓力達到44 214 psi（305 MPa）時，裝置所用30CrMo材質(zhì)達到其屈服強度。

2.2 螺栓強度校核

連接螺栓的材質(zhì)為42CrMo，調(diào)質(zhì)處理，其屈服強度σb=900 MPa，許用應(yīng)力σs=650 MPa。本體下端直徑D=408 mm,設(shè)置該裝置的極限工作抗壓強度為 34.474 MPa（5 000 psi）。

本體下端面面積

故此處所受拉力F下為

每只螺栓受力

螺栓直徑41.28 mm，則螺栓橫截面積

則螺栓所受軸向拉力p2為

計算螺栓所能承受的極限荷載（安全系數(shù)取3）。當p2=σs=650 MPa時，材料達到極限，此時軸向所受拉力

此時，液體壓力p下為

即當裝置內(nèi)部壓力達到15 440 psi（106.5 MPa）時，螺栓所用42CrMo材質(zhì)達到其屈服強度。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 應(yīng)用背景

陸豐13-1某調(diào)整井根據(jù)作業(yè)計劃，在棄井起完生產(chǎn)管柱后先轉(zhuǎn)入其他井修井作業(yè)，等修井結(jié)束后再繼續(xù)調(diào)整井作業(yè)。如果按照以往的設(shè)施條件和井控規(guī)定，就需要安裝采油樹，需要作業(yè)工期和成本，若井下發(fā)生溢流井涌，現(xiàn)場處理手段有限。在此背景下，甲方準備使用井口承壓保護裝置。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用

井口承壓保護裝置在現(xiàn)場作業(yè)之前，先進行了JSA安全風險分析，重點關(guān)注了吊裝、安裝、試壓等環(huán)節(jié)的風險分析，從而保證了整個作業(yè)過程的安全有序進行。施工步驟如下。

（1）安裝井口承壓保護裝置之前，再次檢查其法蘭面，確認無問題后，均勻涂抹上黃油。

（2）鉆桿提絲連接鉆桿旋塞閥（考克），穿好吊帶。用絞車將井口承壓保護裝置緩緩?fù)滤椭吝M口，裝置送入過程中，應(yīng)系好牽引繩，防止工具在送入過程中劇烈擺動。

（3）將裝置安裝到油管四通上，用螺栓進行連接、緊固，針閥及壓力表、報警裝置安裝完畢。

（4）通過油管四通進行試壓作業(yè)：用專用手柄將旋塞閥關(guān)閉，打開壓力表前的針閥，試壓流體通過油管四通翼閥進入到井口保護裝置，觀察壓力表變化。試壓到額定壓力，壓力表讀數(shù)穩(wěn)定，裝置無泄漏，裝置可以正常工作。

（5）監(jiān)測讀數(shù)及報警情況。井口承壓保護裝置安裝到油管四通正常工作期間，作業(yè)人員應(yīng)密切關(guān)注壓力表讀數(shù)情況，實時了解井下壓力情況。發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)及時匯報給當班監(jiān)督，以便第一時間采取相應(yīng)的井控措施。

3.3 應(yīng)用結(jié)果

現(xiàn)場工程師記錄的不同時段的壓力表的讀數(shù)均為0。經(jīng)現(xiàn)場安裝使用，證明本裝置密封性能好，性能穩(wěn)定可靠，操作方便靈活，能夠有效監(jiān)測井內(nèi)壓力變化，提前預(yù)警，防止井內(nèi)油氣溢出；同時，可以通過壓井控制套管內(nèi)的壓力，有效防止井涌、井噴等事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

（1）海洋鉆井井口承壓保護裝置能夠進行壓力監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)溢流、井涌等復(fù)雜情況。

（2）該裝置有效地防范了批鉆批完鉆井作業(yè)模式存在的安全隱患風險，具有質(zhì)量穩(wěn)定可靠，應(yīng)急反應(yīng)快，安全性能好等特點。

（3）該裝置有助于鉆完井作業(yè)安全進行，有利于保護不可再生的油氣資源，避免環(huán)境污染，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

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