井口装置技术研究及发展建议

金 弢，王定亚

（1．宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2．国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002）

井口装置技术研究及发展建议

金 弢1，2，王定亚1，2

（1．宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2．国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002）

介绍了井口装置的组成、类型及发展现状，重点对陆地与海洋井口装置技术特点进行了详细分析，总结出井口装置今后的发展方向，并提出全力搞好陆地高端井口装置研发和加强海洋井口装置开发的2点建议。

井口装置；技术研究；发展方向；开发建议

井口装置是整个油气钻采装备中最关键的安全设备之一，不仅用来悬挂井口套管、密封套管之间的环空、定位安装支撑采油树等，而且更重要的是用于安全输送井下油气，有效防止井口高压和有害有毒气体等喷射、散发到环境中给环境和生物造成伤害。因此，该设备长期以来倍受国内外相关专业研究机构的重视和广大油田用户的普遍关注。

井口装置是石油钻采设备中不可或缺的设备，也是油田作业中使用数量最大、种类最多的设备，不仅要求每口油气井必须配备，而且随着地层变化、环境不同、井压各异、油气状态、油气密度及所含有害物质的种类和组份的大小等均对井口装置提出了不同的设计要求。因此，认真分析研究满足各种复杂工况要求和安全可靠的井口装置，对不断缩小我国与国际发达国家之间的差距，有效提升我国在该领域的影响和市场竞争力等均有着非常重要的意义。

1 技术现状

井口装置从最原始、最简易的钻井采油工艺开始，可以说经历了上百年的发展历史，且多少年来，多个国家、多个企业仍不断加大人力、物力投入并致力于该装备技术研究，其主要原因不仅由于其使用环境和使用条件变化引起，更主要的是经常有不安全的事故发生，例如，2003年重庆开县发生的“12· 23”井喷事故、2010-04-20墨西哥湾“深水地平线”钻井平台井口爆炸事故等，给全世界敲响了井口井控装备安全的警钟。

全球的井口装备技术发展速度最快、性能先进、规格齐全的企业主要集中在欧美等西方发达国家，尤其美国在该类产品的设计、制造、试验、检测和市场占有率方面一直处于世界领先地位。例如美国FMC公司、GE-Vetco Gray公司、Cameron公司和挪威的Aker Kvaerner公司等均是该装备领域技术的引领者，不仅产品适用范围广、安全可靠性高，且产品规格全、性能先进。其中：FMC公司是最早涉足水下井口装置的企业，多年来，该公司在海洋水下装备技术研究及产品开发方面已积累了丰富的经验；GE-Vetco Gray公司和Cameron公司以生产研制陆上和海洋井口、井控类产品、水下采油及海洋钻井隔水管等技术产品见长，其产品在国际上占据着巨大的市场份额；Aker Kvaerner公司在海洋钻采平台、平台钻井设备及水下井口井控等设备开发方面具备较强的综合实力，在世界海洋装备研究领域享有较高的地位。相比较，我国在该装备研发方面则起步较晚，大约起源于20世纪五六十年代，最初以模仿前苏联、罗马尼亚等国家的产品为主，大约到了20世纪六七十年代才逐渐开始具有一定的设计和制造能力。发展至今，尤其近十几年来，无论在产能上还是在技术水平上均有了快速发展。据了解，我国目前约有150多家企业在从事该类装备的生产制造工作，可以称得上是井口装置及采油树制造的一个大国，产品压力级别通常在14～140 MPa，材料级别AA～H H，产品规范级别PSLl～PSL4，性能级别可以达到PR1，基本能够满足国内常规需求。尽管如此，其技术水平和产品性能，仍处于低、中端位置，特别是需要满足PR2级的陆地高压采油、采气井口及平台台面安装井口仍然需要进口，缺少高技术、高附加值、适用深海环境作业要求的水下井口井控设备。

2 组成与类型分析

井口装置多种多样，形式各异，但就其基本组成而言，通常由套管头、套管头四通、套管悬挂器、密封装置、平板闸阀等主要部件组成。对海洋等特殊环境使用的井口装置来说，受其使用条件限制及安装作业要求，其产品配套组成各有自己的特点。例如：水下井口装置还需配套安装基座，按是否需要导向绳等决定是否配置导向基座等［1］。

目前，井口装置有多种分类方式。按照用途井口装置可分为：采油井口装置、采气井口装置、压裂／酸化井口装置、热采井口装置等几种形式。该分类方法在井口装置开发设计过程中，需重点关注和研究的是所输送介质的状态特性和成分特性，并对其相关的密封、材料等进行必要的设计，以便开发出适合其不同用途要求的井口产品。按照井口装置的结构形式，井口装置可分为整体式和分体式等，整体式结构具有高度低、体积小、质量轻、连接环节少等优点，适合海洋平台作业要求；分体式结构简单、方便、互换性强，通常多使用在陆地井口上安装。按照连接方式，井口装置又可分为法兰式、卡箍式等，法兰式连接稳定性好，连接强度高；卡箍式则连接更换快捷方便、节约时间等。另外，从工作环境来说，井口装置可分为陆地井口装置、浅海平台井口装置和深海水下井口装置。本文主要对适应这3种条件下的井口装置进行深入研究。

3 陆地与海洋井口装置技术特点

3．1 陆地油气井口装置

就目前而言，陆上井口装置从开发程序、执行标准、制造方法、产品品种、结构形式等多个方面均已积累了大量成熟的经验，一般来说，只要具有相当工业基础的国家就能够研制开发相应的产品。但就其高性能、高级别和适应复杂地况条件下的井口装置来说，其技术仍掌握在为数不多的企业当中，例如美国GE公司开发的H H级井口装置最高工作压力可达140 MPa（20 000 psi），闸阀最高工作压力为210 MPa（30 000 psi）；美国的Cameron和MCEVOY公司研制的双管采油井口装置，最大通径为ø179．4 mm（71/16英寸），最大工作压力为140 MPa（20 000 psi），采用扇形法兰连接方式；Cameron公司生产的井口装置系统主要采用“SB”套管悬挂器，具有自密封性能，只要很小的坐封载荷就可自动增强密封性能，使悬挂管柱更准确；FMC公司生产的具有长设计寿命的井口装置，使用寿命可长达20～25 a；国内宝鸡石油机械有限责任公司为我国四川元坝油田研制的具有抗高压、耐腐蚀性能的井口装置，不仅能满足105 MPa（15 000 psi）的工作压力，且具有较强的抗H2S等防腐性能［2］。

3．2 浅海油气井口装置

浅海井口装置通常安装在固定式、自升式等钻采平台上，目前常见的形式有2种类型：一种是安装在平台甲板上与采油树配套工作，其设备性能与陆地井口装置有许多类似的地方，所不同的是应该考虑平台安装要求和作业特点，一般要求设备体积小、质量轻、安装快捷方便，外表具有防海水腐蚀性能等（例如：DrilQuip公司生产研制的紧凑整体式井口装置，井口装置和采油树之间的快速连接采用DrilQuip QuilClamp快速连接装置，就非常适合平台安装配套使用）；另一种是安装在浅海泥线附近，也称泥线悬挂装置，该装置多与自升式平台配套使用，通常安装方式与隔水导管对接，与井口装置安装在甲板上相比，其最大的特点是能够保证使井内下入的套管重力直接传递到海床上，使平台不承受下入已钻井眼内套管的重力，不仅大幅减轻了平台的工作载荷，而且节约了平台操作空间。目前在国际上使用已比较普遍，典型结构形式包括Plesus公司研制的TRT-S型、ECO型、TRT-E型，GE-Vetco gray公司的ML-L、ML-S、ML-H型等，其产品性能各具特色［3］。

3．3 深水油气井口装置

深水井口装置安装在深海海底，通常称为水下井口装置。与常规井口装置相比，水下井口装置所涉及的工况非常复杂，不但要考虑海洋环境波、浪、流及在安装下放时的载荷工况和隔水管对其产生的拉力、扭矩等作用力，而且要考虑海底安放基础因素、海水长期腐蚀因素、维修连接互换性及其适用平台作业条件下起吊、下放等多种复杂条件下的安全可靠性能。另外，从整个水下生产系统来说，海洋水下井口仅是水下生产系统当中的一个单元产品，1套水下井口一般只对应1个海底油井，而1套水下生产系统可以包含多个水下井口装备等产品。为此，水下生产系统对包括水下井口在内的各个设备均提出了非常高的要求，不仅要求互换性好、适应能力强，而且要求绝对安全可靠。其工作流程为：安装在海床上的各个水下井口、采油树采出的井液通过水下管汇输送到水下管汇中心，水下管汇中心完成对各井井液的单井计量、汇集、增压后通过海底管线输送到浮式生产系统上进行处理和储运，而水上控制系统通过水下管汇中心对水下井口进行控制、关断、注水、注气、注化学药剂以及维护作业等。由此可见，水下井口在技术开发、生产制造、试验检验的每一个环节上都要求非常苛刻。目前，该技术基本掌握在西方发达国家仅有的几个著名企业内部，例如FMC公司主要研制UWDⅡ和UWD15型，其中UWDⅡ的额定压力为70 MPa（10 000 psi），而UWD15使用更加普遍，额定压力为105 MPa（15 000 psi）；GE-Vetco gray公司的SG-5型、MS-700型占有当前市场较大份额，大约已制造了2 000套，具有良好的深海使用性能［4-5］。

4 发展方向

纵观国内外近年来石油钻采装备的发展方向，井口装置的发展充分体现了5个特征：

1） 井口装置在阀门结构上广泛采用全通式、结构阻力小、密封性能可靠、寿命长的平板阀，以适应高参数、自动化的需要。

2） 在操作方式上，从手动操作开始向机械化、自动化方向拓展。目前已有气动、液动和气液联动以及靠介质压力自控来实现遥控等操作方式的井口装置。

3） 在产品性能上，围绕PR2性能级别、HH级材料特性、PSL4规范等目标提升，国外个别企业已开发出了满足其使用要求的相关产品。

4） 在设计方法上，应用有限元分析技术和电子计算机结合的方式，对井口装置的壳体、密封件等关键零件结构进行优化并确保设计方案达到最优已成为一种潮流。

5） 在适应环境上，当前世界多个国家均已开始把目标瞄准深海，并已开始了相应的研究工作等。

5 结论

1） 全力搞好陆地高端井口装置研发。由国有大中型企业牵头，集中国内各相关企业的有生资源，重点对当前困扰陆地井口装置的H H级高性能材料、耐高压高温元件、密封装置和高H2S、CO2等防腐技术及关键件制造工艺技术难点等实施攻关，以期早日解决和掌握其技术精髓，满足我国油气装备发展需要。

2） 加快、加大海洋井口装置的开发。加大海洋油气开发力度是我国的战略路线，海洋井口装备属于高难度、高技术、高风险项目，鉴于当前对海洋水下装备的认识和实际情况，采取加强与国际之间的技术合作或技术引进等方式则更为快速有效。我国多年来油气钻采装备的历史经验说明，采取有效合作与技术引进不失为一种快速、稳妥的发展渠道。

［1］黄侠，李啸南，王辉．注汽采油多用井口装置研制［J］．石油矿场机械，2010，39（4）：87-89．

［2］刘小卫，朱舟．105 MPa抗硫井口装置研制与应用［J］．石油矿场机械，2012，41（9）：57-59．

［3］刘小卫，王定亚，陈雪娟，等．套管泥线悬挂系统技术分析与发展建议［J］．石油机械，2012，40（8）：72-75．

［4］曹川，冯宇，王金宏，等．海洋油气井水下井口回接装置［J］．石油矿场机械，2012，41（1）：88-90．

［5］刘承通，肖文生，叶道辉，等．深水水下井口头系统研究［J］．石油矿场机械，2009，38（5）：26-30．

Technology Research and Development Suggestion of Wellhead Equipment

JIN Tao1，2，WANG Ding-ya1，2
（1．Baoji Oilfield Machinery Co．，Ltd．，Baoji 721002，China；2．National Engineering Research Center of Oil and Gas Drilling Equipment，Baoji 721002，China）

The development situations，composition and types of the wellhead equipments are introduced．The technical characteristics of wellhead equipments used in land and subsea are analyzed in detail．Then the future development direction of wellhead equipments is produced．Finally，two suggestions of developing wellhead equipments are offered，which are improving the advanced land wellhead equipments and increasing the research on the subsea wellhead equipments expeditiously．

wellhead equipment；technology research；development direction；development suggestion

TE931．1

A

1001-3482（2014）01-0014-03

2013-07-11

中国石油天然气集团公司“十二五”技术攻关项目“钻井新装备新工具研制”（2011B-4300）

金 弢（1969-），女，江苏常熟人，工程师，主要从事海洋新装备技术研究，E-mail：hys_jjt＠126．com。