項明　韓豐欣　李斌

摘 要：海洋石油鉆井具有高技術(shù)、高風(fēng)險、高成本的特點，隨著石油資源的不斷開采，大規(guī)模的整裝油田越來越難以發(fā)現(xiàn)，致使海洋鉆井作業(yè)成本越來越高。如何控制成本、保障鉆井作業(yè)優(yōu)快實施已成為各個石油企業(yè)日益關(guān)注的焦點。該文所提出的海上鉆井用隔水導(dǎo)管座掛密封裝置是針對表層作業(yè)專門設(shè)計，它采用聯(lián)座方式實現(xiàn)快速安裝和多層密封。從作業(yè)安全、作業(yè)方式和作業(yè)效率3個方面攻克了傳統(tǒng)作業(yè)方式的弊端，從而達(dá)到安全快速作業(yè)、降低開發(fā)成本的目的。

關(guān)鍵詞：海洋鉆井 表層井口安裝 降本提效

中圖分類號：TE21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（b）-0058-03

在采用隔水導(dǎo)管鉆井時，一般需建立閉路循環(huán)通道井口，其中的熱工作業(yè)焊接、切割升高管等作業(yè)過程耗時較長，安裝強(qiáng)度大、風(fēng)險高，且返工率高。針對此情況，筆者從現(xiàn)場拆裝方式及安全經(jīng)濟(jì)有效性入手，設(shè)計了一種隔水導(dǎo)管座掛密封裝置，并結(jié)合基于ABAQUS的數(shù)值模擬和室內(nèi)安裝及密封性實驗對該裝置進(jìn)行了綜合應(yīng)用評價。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用表明，其安全性、經(jīng)濟(jì)性較高。

1 技術(shù)分析

1.1 工具結(jié)構(gòu)

隔水導(dǎo)管座掛密封裝置是一種可重復(fù)利用、座落密封可靠的隔水導(dǎo)管與升高管的連接裝置，具有安裝連接方便、多級密封可靠、工具面適應(yīng)性好的特點，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，密封部分主要有密封膠圈、銅密封、密封氣胎組成，形成多級密封，當(dāng)安裝完成后，增加井口上部載荷，增加密封強(qiáng)度。

1.2 工作原理

安裝前，先將隔水導(dǎo)管端頭進(jìn)行端面處理，以保證端口的平整性與水平度，安裝后隨著升高管上的載荷增加，隔水導(dǎo)管座掛裝置的多級膠圈密封、銅密閉被自封，同時多級膠圈密封和銅密封均具有一定的密封性自適應(yīng)能力。最后，將鋼絲繩、安全螺栓緊固，即可進(jìn)行下步作業(yè)工序。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

延伸內(nèi)筒：內(nèi)徑457.2 mm，外徑558.8 mm，長度450 mm。

延伸外筒：內(nèi)徑618 mm，外徑698 mm， 長度250 mm。

最大密封壓力等級：21 MPa。

升高返出管最大荷載：100 kN。

適宜工作溫度：150 ℃。

1.4 主要技術(shù)及性能特點

（1）海上井口現(xiàn)場的安裝過程簡單，施工質(zhì)量可控，摒棄了費(fèi)時、質(zhì)量不可控、作業(yè)窗口窄、操作面狹小的井口熱工操作，從而降低施工風(fēng)險。安裝井口時，該隔水導(dǎo)管座掛密封裝置與井口隔水管的連接處采用高強(qiáng)度螺栓固定并且保證密封，使用時擰緊螺栓即可進(jìn)行鉆井作業(yè)；拆卸時，只需松開螺栓即可將升高管提起，密封也隨之解除。

（2）多級密封機(jī)構(gòu)的設(shè)計，安全可靠。從室內(nèi)試驗評價來看，當(dāng)管內(nèi)壓力升高至20 MPa時，密封性完好。

（3）拆卸過程方便，大大節(jié)約工時，減少海上非鉆進(jìn)作業(yè)時間，提高生產(chǎn)效率?？s短了表層閉路鉆進(jìn)拆裝井口的時間，每口井由原來的3 h多縮短至十幾分鐘。

（4）適應(yīng)面廣，實用性強(qiáng)。對升高返出管的高度、管徑適應(yīng)性好，對隔水導(dǎo)管的端口處理、垂度適應(yīng)性高，同時經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。

2 基于ABAQUS的強(qiáng)度校核

2.1 建模主要參數(shù)

升高返出管外徑508 mm（20″），升高返出管內(nèi)徑（延伸內(nèi)筒內(nèi)徑）457.2 mm。

隔水導(dǎo)管外徑609.6 mm（24″），隔水導(dǎo)管內(nèi)徑（延伸內(nèi)筒外徑）558.8 mm。

其他詳細(xì)尺寸參數(shù)，如圖2所示。

該裝置屬于典型的軸對稱模型，所建立的有限元模型剖視圖如圖2所示。

2.2 數(shù)值分析結(jié)果

數(shù)值計算結(jié)果如圖3、圖4所示，從數(shù)值分析結(jié)果看，座掛密封裝置的法蘭、延伸內(nèi)筒、延伸外筒、環(huán)槽應(yīng)力及位移均呈軸對稱分布，法蘭作為該裝置最薄弱、最關(guān)鍵的部件，應(yīng)力和位移均最大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在20″升高返出管與法蘭接觸處，法蘭最大應(yīng)力是14.05 MPa，最大位移是0.178 7 mm。法蘭材質(zhì)是Q235鋼，屈服強(qiáng)度為235 MPa，安全系數(shù)為16.726，完全滿足強(qiáng)度要求，該裝置安全、可靠。計算發(fā)現(xiàn)，升高返出管與法蘭接觸處存在一定程度應(yīng)力集中現(xiàn)象，現(xiàn)場作業(yè)中，盡量做到每個連接螺栓位置平整、受力均勻，防止應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇。

3 室內(nèi)實驗及分析

3.1 座掛裝置密封性試驗

在延伸內(nèi)筒上用短導(dǎo)管接頭進(jìn)行套接，并將升高返出管、短導(dǎo)管接頭進(jìn)行端頭密封，記錄座掛工具各部件位置。用電動試壓泵加壓，記錄工具內(nèi)壓力值、憋壓時間，并記錄多級密封的密封情況。壓力每上升1 MPa，憋壓10 min，記錄憋壓漏失情況。試驗結(jié)果表明，當(dāng)壓力升高至20 MPa時，憋壓10 min，多級密封圈可有效密封、無漏失現(xiàn)象。

3.2 座掛裝置承載力試驗

將隔水管座掛密封裝置固定在承載力試驗臺上，將座掛裝置上端面與液壓加載工具進(jìn)行連接，然后再在上端面均勻布置4片應(yīng)力應(yīng)變片。用電動液壓加載系統(tǒng)對工具進(jìn)行逐級加載。試驗結(jié)果表明，當(dāng)加壓至100 kN時，應(yīng)力、應(yīng)變值為12.67 MPa、0.13 mm，與數(shù)值模擬結(jié)果對比吻合度較高。

4 現(xiàn)場應(yīng)用分析

在表層作業(yè)中，安裝井口這一部分作業(yè)一般占到表層作業(yè)總時間的10%左右。但升高管連接處發(fā)生鉆井液泄漏的幾率相當(dāng)高，泄漏后處理起來費(fèi)時費(fèi)力。處理好安裝井口這一環(huán)節(jié)，做到既保證密封又實現(xiàn)快速安裝，在井?dāng)?shù)量大的情況下，將會節(jié)省大量的作業(yè)時間，從而達(dá)到節(jié)約成本的目的。

該隔水導(dǎo)管座掛密封裝置在數(shù)十口井上成功應(yīng)用，成果安全有效率100%，安裝返出管的單井平均耗時降低至20.5 min，與之前的傳統(tǒng)做法相比，提高生產(chǎn)時效610%，取得了較為可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

海洋石油是一個高風(fēng)險、高成本的行業(yè)，每一個環(huán)節(jié)都會影響整個工程的進(jìn)度和成本。為提高開發(fā)效益，目前大型導(dǎo)管架正成為一種趨勢，安裝井口的作業(yè)將會越來越頻繁。文章所提出的海上鉆井用隔水導(dǎo)管座掛密封裝置有效避免了常規(guī)裝井口作業(yè)的諸多弊端，在井?dāng)?shù)量大的情況下其優(yōu)勢將會得到更大體現(xiàn)，并且在進(jìn)度和安全上提供了更多的保證。其應(yīng)用范圍在：（1）需要進(jìn)行閉路循環(huán)的鉆井作業(yè)中；（2）隔水導(dǎo)管內(nèi)徑在22``及以上以滿足鉆具尺寸要求。

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