張鵬舉， 袁錦紅， 馮建同， 郝偉修

（1.美鉆能源科技（上海）有限公司，上海 200943；2.中海石油深海開發(fā)有限公司，深圳 518000）

0 引言

在海洋油氣開采及生產(chǎn)過程中，因臨時(shí)棄井需要對水下井口裝置或在完井后進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)須對水下采油樹（內(nèi)置采油樹帽）進(jìn)行保護(hù)，常用的一種裝置就是防腐蝕帽。在水下成套開采設(shè)備中，水下井口防腐蝕帽的主要功能是：防止水下井口裝置或水下采油樹受到巖屑、海洋生物的污染，同時(shí)對水下井口裝置或水下采油樹提供防腐蝕（注防腐劑）及防外物拖掛保護(hù)?？紤]到防腐蝕帽本身的防腐蝕，防腐帽也須有陰極保護(hù)。防腐蝕帽通常鎖定在井口頭的外部鎖緊型面上，取送防腐蝕帽，可用專用工具安裝在鉆桿并借助遙控ROV在水下進(jìn)行。和其它水下設(shè)備一樣，防腐蝕帽及其取送工具的設(shè)計(jì)除要滿足上述的功能外，還須具有簡單的安裝下入操作動(dòng)作即能實(shí)現(xiàn)鎖緊定位可靠和回收取出操作簡便的特點(diǎn)。

1 傳統(tǒng)水下井口防腐蝕帽及其取送工具的結(jié)構(gòu)及功能要求

因?yàn)榉栏g帽要求水下安裝，須設(shè)計(jì)專門的取送工具，受水下環(huán)境的限制，因而對一般水下設(shè)備及其取送工具的設(shè)計(jì)要求滿足以下條件：1）水下井口防腐蝕帽的水下安裝取送，一般借助專用工具及水下遙控ROV進(jìn)行，受水下操控條件限制，水下遙控ROV所能承擔(dān)的作業(yè)時(shí)間不能太長，同時(shí)其操控動(dòng)作也相對簡單（其功能已標(biāo)準(zhǔn)化），因此要求水下設(shè)備通過取送工具在水下安裝時(shí)，其作業(yè)動(dòng)作不能過于復(fù)雜（適于水下ROV操作），同時(shí)還能確保安裝到位，可靠鎖緊；2）水下設(shè)備及其取送工具設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到在水下安裝取送時(shí)要有一定導(dǎo)向功能，以便于在取送操作時(shí)具有一定的定位導(dǎo)向功能；3）水下設(shè)備及其取送工具設(shè)計(jì)時(shí)，在水下安裝取送時(shí)其鎖緊及解鎖操作必須簡單可靠，以方便ROV操作，同時(shí)確保在安裝及維修時(shí)能可靠地完成取送；4）水下設(shè)備為確保操控安全，往往采用備份式冗余設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)先用液控或電控操作，一旦前者失效，再考慮用機(jī)械式裝置來完成取送功能。因此，機(jī)械式水下取送工具往往是最終的安全解決方式。

傳統(tǒng)的水下井口防腐蝕帽結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由帽蓋、筒罩、底座組成。帽蓋主要提供取送工具安裝接口，確保取送時(shí)能可靠地與防腐蝕帽實(shí)現(xiàn)鎖緊與解鎖，同時(shí)提供腐蝕液注入通道。筒罩用以罩住井口頭部分，保證里面有一個(gè)相對封閉的空間，防止防腐液外溢。導(dǎo)向底座設(shè)計(jì)成錐形結(jié)構(gòu)，以方便和水下井口自適應(yīng)對中。

圖1 傳統(tǒng)的水下井口防腐蝕帽結(jié)構(gòu)

2 新型水下井口防腐蝕帽及其取送工具的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

針對中國南海番禺油氣田的水下采油樹項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了一種新型的水下井口防腐蝕帽及取送工具。新型防腐蝕帽的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

新型防腐蝕帽取送工具的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 新型防腐蝕帽

新型防腐蝕帽及機(jī)械式取送工具的設(shè)計(jì)功能如下：

1）新設(shè)計(jì)的防腐蝕帽的水下安裝及取出通過其配套的防腐蝕帽取送工具完成。取送工具的本體上部可通過專用螺紋與鉆桿相連，以實(shí)現(xiàn)對防腐蝕帽的取送操作。

2）通過旋轉(zhuǎn)取送工具的搖桿，帶動(dòng)偏心轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，因偏心轉(zhuǎn)軸上的偏心凸臺(tái)與可沿芯軸作垂直滑動(dòng)的滑套的凹環(huán)槽構(gòu)成嵌入式配合，因而偏心轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其偏心凸臺(tái)可帶動(dòng)滑套沿芯軸上下滑動(dòng)，進(jìn)而通過滑套底部的斜錐面配合推動(dòng)各鎖緊卡牙沿周向均布的方孔作橫向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鎖緊及解鎖。

圖3 新型防腐蝕帽取送工具結(jié)構(gòu)

3）防腐蝕帽帽蓋內(nèi)腔型面與取送工具底部外圓相配合，取送工具底部的斜錐面設(shè)計(jì)以便于工具與防腐蝕帽能自適應(yīng)對中。

4）防腐蝕帽下入操作：在平臺(tái)上先將取送工具套入防腐蝕帽帽蓋內(nèi)腔，直至帽蓋定位止口與防腐蝕帽帽蓋上部端面相接觸，然后轉(zhuǎn)動(dòng)搖桿至鎖緊位置（指示為L-LOCK位置），此時(shí)卡牙已實(shí)現(xiàn)鎖緊，接著將整個(gè)裝置通過專用螺紋連接到鉆桿，然后通過鉆桿于平臺(tái)將防腐蝕帽及其取送工具下入到水下井口或水下采油樹的井口頭上，防腐蝕帽下部的錐形導(dǎo)向底座設(shè)計(jì)為方便防腐蝕帽與井口頭實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)導(dǎo)向?qū)χ?。?dāng)防腐蝕帽罩筒內(nèi)腔頂面與井口頭頂部端面接觸時(shí)，防腐蝕帽的彈簧鎖扣自動(dòng)扣緊在井口頭外部鎖緊型面上。此時(shí)防腐蝕帽已與井口頭實(shí)現(xiàn)鎖緊，接著通過ROV將取送工具的搖桿轉(zhuǎn)至解鎖位置（指示為UULOCK位置），此時(shí)提升鉆桿取送工具將隨鉆桿取出。

5）防腐蝕帽取出操作：在平臺(tái)上將取送工具與鉆桿連接，此時(shí)確保取送工具的搖桿處于解鎖位置，然后通過鉆桿下入到水下采油樹防腐蝕帽頂部帽蓋接口處，將取送工具套入防腐蝕帽帽蓋內(nèi)腔，直至帽蓋定位止口與防腐蝕帽帽蓋上部端面相接觸，此時(shí)通過ROV轉(zhuǎn)動(dòng)搖桿至鎖緊位置（指示為L），然后提升鉆桿便可將防腐蝕帽隨同取送工具一塊取出。

6）陰極保護(hù)座功能：以安裝鋅塊對整個(gè)防腐蝕帽獨(dú)立提供陰極保護(hù)。

7）防腐蝕帽及取送工具采用中空式設(shè)計(jì)，以方便進(jìn)行防腐蝕液的注入。

8）防腐蝕帽取送工具對稱式扶欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以方便借助其它工具進(jìn)行水下定位。

圖4 新型防腐蝕帽及機(jī)械式取送工具裝配狀態(tài)

新型防腐蝕帽及機(jī)械式取送工具裝配狀態(tài)如圖4所示。

3 新型防腐蝕帽及機(jī)械式取送工具的功能特點(diǎn)

1）由于防腐蝕帽取送工具設(shè)計(jì)采用獨(dú)特的“曲軸滑塊式”機(jī)構(gòu)，利用偏心轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)滑塊形成垂直直線運(yùn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)靈活的特點(diǎn)使得在水下進(jìn)行防腐蝕帽取送時(shí)操作非常簡單省力，設(shè)計(jì)操作力矩小于60 N·m，并且能可靠地實(shí)現(xiàn)鎖緊與解鎖，完全適應(yīng)水下ROV工具的操作要求，同時(shí)這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對其它的水下裝置及取送工具的設(shè)計(jì)具有很好的借鑒意義。

2）新型的彈簧式鎖緊扣設(shè)計(jì)既能保證防腐蝕帽在下入時(shí)方便地與井口頭實(shí)現(xiàn)鎖緊，同時(shí)在取出時(shí)也方便脫扣解鎖。

3）防腐蝕帽設(shè)計(jì)上增加了陰極保護(hù)座的設(shè)計(jì)以便安裝鋅塊，改善防腐蝕帽的獨(dú)立抗腐蝕能力。

4 結(jié)論

1）水下設(shè)備及其取送工具的設(shè)計(jì)必須適應(yīng)水下工作環(huán)境特點(diǎn)。

2）防腐蝕帽取送工具設(shè)計(jì)采用獨(dú)特的“曲軸滑塊式”結(jié)構(gòu)，完全滿足水下ROV工具操作特點(diǎn)。

3）類似的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完全可以應(yīng)用于其它水下設(shè)備及工具的設(shè)計(jì)。

4）水下設(shè)備及工具的設(shè)計(jì)應(yīng)在遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上具有充分防腐蝕性能。

［1］ ISO 13628-4-2011 Petroleum and natural gas industries design and operation of subsea production systems Part 4：subsea wellhead and tree equipment［S］.

［2］ ISO 13628-1-2005 Petroleum and natural gas industries design and operation of subsea production systems Part 1：General requirement and recommendations［S］.

［3］ ISO 13628-8-2002 Petroleum and natural gas industries design and operation of subsea production systems Part 8：Remotely Operated Vehicle （ROV）interfaceson subsea production systems［S］.