FFH75×500Z型海洋钻井分流器研制

宋志刚，梁顺安，南树岐，严小妮（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）

FFH75×500Z型海洋钻井分流器研制

宋志刚1，2，梁顺安1，2，南树岐1，2，严小妮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）

对海洋钻井分流器系统进行了技术分析，研制了适配于91.44 m（300英尺）自升式钻井平台的FFH75×500Z型海洋钻井分流器。试验证明：该分流器使用操作简单，对额定工作压力下的井液密封可靠。同时，针对研制过程中发现的问题，给出了具体的改进建议。

分流器；自升式钻井平台；研制；改进

分流器系统是海洋石油钻井系统中的一个重要单元设备，安装在隔水套管的上端，主要用途是关闭海洋立管连接的垂直流动，引导浅层气流离开钻台，并将其排离现场，消除对人员及设备的威胁［1］。我国海洋油气钻采装备研制起步较晚，目前，还没有完全自主研制的海洋平台分流器在配套应用。为满足我国自升式平台配套的需要，自主开发了分流器系统。

1　技术分析

1.1主要结构

分流器主要由支撑壳体、分流器总成、伸缩节总成等组成，如图1所示。

1）支撑壳体。支撑壳体有7个侧出口，各个侧出口方位根据用户要求配置。支撑壳体上配有液压锁，用于固定支撑壳体和分流器总成。

2）分流器总成。分流器总成是分流系统的主要部件，由壳体、顶盖、胶芯、壳体密封环等组成。

3）伸缩节总成。伸缩节是一种高度补偿装置，当井口和钻台面的距离由于海浪的作用发生变化时，伸缩节的内、外筒可进行上下浮动，来补偿升沉高度的变化。

图1　FFH75×500Z型分流器结构

1.2工作原理

分流器系统是用来控制地下浅层气流流向安全区域的井控装置。在表层钻井时，分流器胶芯开启，其侧出口泥浆返回口开启，可进行钻井液的正常循环。

当溢流或浅气层出现，需要密封钻具、引流放喷时，控制系统的高压油将压迫胶芯挤向井口中心，从而密封钻具。同时，打开引流放喷口的液动球阀，将井内流体经引流放喷口、放喷管线输送到指定地点。密封解除时，分流器密封胶芯靠自身弹力复位，引流放喷侧出口的球阀关闭，同时泥浆返回口球阀打开，泥浆循环恢复正常。

1.3主要技术参数

由于分流器的主要作用是防范浅层气流的溢出，根据91.44m（300英尺）自升式钻井平台总体技术要求，确定其主要技术参数如下。

额定工作压力3.5MPa（500 psi）最大液控操作压力10.35MPa（1500 psi）支撑壳体通径1195mm（47 in）引流放喷口直径304.8mm（12 in）

2　关键技术设计

2.1伸缩节行程确定［2］

自升式平台必须配置伸缩节，用来调节隔水导管的伸缩运动，因此，必须针对不同水深及不同隔水套管配置分流器伸缩节，并计算确定其设计长度。

图2为自升式钻井平台钻井工况示意图，隔水套管底部位于泥线以下，套管张紧器提供一定张力于隔水套管顶部，以支撑防喷器组和井口。

针对隔水管的简化模型，采用ABAQUS有限元软件对隔水管进行动力学响应特性分析，以DSJ300平台隔水套管为例，初步考虑5种顶张力分别为1300、1700、2100、2500、3000kN的隔水管受力。

图2　自升式钻井平台钻井工况示意

计算结果如表1所示。

表1　508mm（20英寸）隔水套管不同顶部张力下的弯矩及轴向位移

表1的数据表明，随着顶部张紧力的增大，相应最大弯曲应力逐渐减小；顶部最大纵向位移也逐渐减小。参考国内外分流器伸缩节的设计行程，同时考虑到安装可靠性，设计伸缩节的行程为800mm，完全满足其升沉运动行程。

2.2分流器主密封胶芯计算

该产品的关键技术为实现3.5 MPa的井眼压力的密封技术。对分流器的设计首先要考虑密封胶芯能否在该压力下抱紧钻杆且密封可靠。为了实现设计验证，对胶芯进行了有限元分析。

分析对象为双层密封胶芯密封中间钻杆的力学特性和变形特性。分流器的橡胶材料选用丁腈橡胶，采用的橡胶模型为Mooney-Rivlin模型。假设橡胶不可压缩、钢材为线弹性材料。由于橡胶材料属于超大变形材料，采用Abaqus软件的MAPSO-LUTION技术，得到计算结果如下：

在3.5MPa额定工作压力，外部环空施加6 MPa压力下，从变形情况（如图3）可以看出密封胶芯与钻杆接触部分中接触长度大约为115mm。从接触部分的接触应力（如图4）在钻杆与与胶芯间的最大应力为0.35 MPa，故二者紧密结合在一起，能满足密封要求。

2.3分流器控制系统设计［3］

分流器控制系统主要是用来控制分流器主密封胶芯的关闭、分流器各个侧出口的球阀开关、伸缩节密封的开关、液压锁的关闭。控制系统采用液压控制，包括就近控制和远程控制功能，如图5。

图3　水平方向上位移变化情况

图4　施加载荷后整体　Misses应力云图

图5　分流器控制系统

分流器属于井控系列产品，其安装于放喷器之上。分流器在使用的时候，防喷器不工作。防喷器使用的时候，分流器不工作。为了节省平台空间，分流器控制系统和防喷器共用一套控制系统。

3　试验

分流器试验主要是考虑主胶芯抱紧钻杆后整个腔体的密闭性能。试验需要专门设计的堵头将下端封闭，如图6所示。用一个专用的工具将堵头连接并一起下入分流器，将下端封闭，然后从分流器的一个侧出口加压，验证主密封胶芯的密封性能。

根据现场试验记录数据，分流器完全满足密封额定压力3.5 MPa的要求。在满足密封额定压力的条件下，控制系统作用在主密封胶芯外筒上的压力为4～6 MPa，小于最大液控操作压力10.35MPa。

图6　现场试验

4　结论

1）FFH75×500Z型海洋钻井分流器达到了设计要求，性能稳定。

2）随着海洋钻井深度不断增加，要求分流器通径也要随之增大，使得研制大通径密封胶芯变得困难，因此，需要加大对抗拉强度、撕裂强度高的橡胶材料的研究工作。

3）一体式阀门更适合作为分流器的排出管线阀门。当关闭环形胶芯时，也即关闭了返回管线，同时自动开启排出管线，引导浅层气流流出。而且，关闭分流器胶芯和开启阀门使用同一液路，也排除了完全关井的安全隐患。

4）由于钻井遇到浅层气的概率较小，分流器有可能长时间闲置，因此业主必须定期对其进行良好的维护。

［1］王定亚，李爱利.海洋钻井隔水管系统配套技术研究［J］.石油矿场机械.2010，39（7）：12-15.

［2］南树歧，肖锐，叶大建，等.隔水套管张紧系统配置方案分析［J］.石油机械，2012，40（9）：54-56.

［3］任钢锋，王定亚，毋永锋，等.深水钻井防喷器系统关键设备技术研究［J］.石油矿场机械，2014，43（12）：95-98.

Development of FFH75×500Z Offshore Drilling Diverter

SONG Zhigang1，2，LIANG Shunan1，2，NAN Shuqi1，2，YANXiaoni1，2
（1．Baoji Oilfield Machinery Co．，Ltd．，Baoji 721002，China；2．National Engineering Technology Research Center of Oil and Gas Drilling Equipment，Baoji 721002，China）

Through technical analysis on the offshore drilling Diverter system，adaptation was de-veloped in 300 feet self-elevating drilling platform of FFH75×500Z offshore drilling diverter to complete commissioning test of diverter.The test proved that FFH75×500Z diverter operation is easy to use and the tested working pressure of well fluid sealing is reliable.At the same time，in view of the problems found in the course of the development，specific suggestion for improvement is given.

diverter；self-elevating drilling platform；development；improve

TE951

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.018

1001-3482（2015）12-0070-04

2015-08-13

国家高技术研究发展计划（863计划）项目“9000米海洋钻井包研制”（2011AA090203）

宋志刚（1979-），男，河南周口人，工程师，硕士，现从事石油钻井装备技术研究工作，Email：szg＠bomco.cn。