钻井作业井喷抢险装置设计

牛文杰 郑士坡 徐国慧 刘赫 徐箐箐

中国石油大学（华东）机电工程学院

钻井过程中的井喷失控事故造成的直接和间接损失都极其严重［1］。目前中国陆地生产井井喷抢险装置的研究比较成熟，如中国石化胜利石油管理局研制的HK-3油气井抢险控制装置［2］、抢喷作业机［3］；中国石油大学（华东）研制的井下作业抢喷装置［4］、生产井液压抢喷系统［5］等。这些装置的共同缺陷是封井压力小（25 MPa左右）、自动化程度低，能在生产井井喷事故中发挥一定的作用，但不能应用于钻井作业［6-7］。国外针对海洋钻井平台海底井口设计了闸板防喷器结构式、阀门结构式、分体结构式3种井喷抢险装置［8-10］。这3种井喷抢险装置体积庞大，上下两端分别与井口和隔水管连接，无法解决陆地钻井和海洋平台水上井口钻井作业中的井喷失控事故。目前对于陆地钻井和海洋平台水上井口钻井作业过程中发生的井喷失控事故，最可靠的处理方法是打救援井，此方法作业时间长，极易导致井喷事故恶化，加重损失。

针对钻井过程中发生的井喷事故，设计了井喷抢险装置。当套管头法兰损坏时，该装置可封闭并切除套管头后的光套管。装置中所有运动部件均采用液压驱动，通过人工远程控制进行井喷抢险作业，提高了作业的安全性。

1 结构设计

Structural design

井喷抢险装置的结构如图1所示，包括支撑系统、生根系统、起升系统、对中系统、封井系统和套管卡紧系统。

1.1 支撑系统

Supporting system

支撑系统由矩形钢和槽钢焊接而成，左右两侧分别安装有液压缸。支撑系统的作用有2个：一是将井喷抢险装置支撑在地面上；二是在两侧液压缸的推动作用下，固定架能在支撑系统的轨道上进行前后运动。

1.2 生根系统

Root system

井喷抢险装置与井口对中连接的过程中会受到流体强大冲击力作用，从而引起强烈震动与摇晃。针对此问题，设计了生根系统。井喷抢险装置与井口对中前，利用生根系统卡紧套管本体，使井喷抢险装置有一个稳定的根基，为之后封井系统与光套管间的对中与连接提供一个平稳的运动环境。

图1 井喷抢险装置结构示意图Fig. 1 Schematic structure of blowout emergency rescue device

生根系统主要由外壳体、卡紧油缸、卡紧总成、锁紧块和锁紧油缸等组成，其结构如图2所示。

图2 生根系统结构示意图Fig. 2 Schematic structure of root system

工作时卡紧总成在卡紧油缸作用下从外壳体伸出卡紧套管本体，两侧锁紧块在锁紧油缸作用下向前运动直到与卡紧总成的斜面接触，两者间利用斜面的自锁原理保持卡紧总成位置固定，设计斜面的角度为5.7°。当井喷抢险装置受到向上的冲击力时，卡紧总成中的剪切螺钉被剪断，利用卡瓦的自锁原理紧紧卡紧套管本体［11-14］，其结构如图3所示。

1.3 升降系统

Hoisting system

升降系统由固定架、升降油缸、伸缩架组成。伸缩架在升降油缸的作用下可以在固定架内伸缩，从而调节封井系统的高度，调节高度为2.5 m。

图3 卡紧总成结构Fig. 3 Structure of clamping assembly

封井系统与套管对中前，在升降系统作用下上升一定的距离；封井系统与套管对中后，在升降系统作用下下降一定的距离，使封井系统罩住光套管。

1.4 对中系统

Centralizing system

对中系统的作用是实现封井系统在水平面内的前后左右运动，使封井系统的轴线与套管的轴线共线。其主要由架体、纵向导轨、纵向运动油缸、移动架、横向导轨、横向运动油缸、滚轮总成和连接架组成，结构如图4所示。移动架和连接架分别在纵向、横向运动油缸的作用下沿纵向、横向轨道运动，从而实现封井系统在水平面内的对中。

图4 对中系统结构示意图Fig. 4 Schematic structure of centralizing system

1.5 套管卡紧系统

Casing clamping system

以井喷抢险装置的封井压力35 MPa、封闭套管直径340 mm计算，封井系统关闭井口后，受到井内流体作用力为3 176 kN。在强大的作用力下，为使封井系统与光套管可靠连接，设计了套管卡紧系统。其主要由导向口、本体、液压缸、卡瓦、连接销、连接盘等组成，结构如图5所示。本体内表面为圆锥面，圆锥面上设计有均匀分布的3条轨道，3片卡瓦可以沿轨道上下移动。卡紧套管前，液压缸将3片卡瓦提升一定高度，3片卡瓦围成的中间空间变大，当套管穿过中间空间后，3片卡瓦下降，利用卡瓦的自锁原理卡紧套管。

图5 套管卡紧系统结构Fig. 5 Structure of casing clamping system

1.6 封井系统设计

Capping system

封井系统由全封闸板防喷器、四通和环形防喷器组成，其结构如图6所示。

图6 封井系统结构Fig. 6 Structure of capping system

在井口没有套管头的情况下封井时，要封闭的流体通道是封井系统与套管间的环空空间和套管内孔，环形防喷器封闭环形空间，全封闸板防喷器封闭套管内孔［15］。环形防喷器与全封闸板防喷器的选型及参数如表1所示。四通的作用是封闭井口后进行压井放喷等作业。

表1 井喷抢险装置技术指标Table 1 Technical index of blowout emergency rescue device

2 工作原理

Working principle

井口安装井喷抢险装置前需要做一定的准备工作，包括清除井口障碍物、灭火、切割套管头、清理套管周围杂物等。准备工作完成后将井喷抢险装置安装在井口，封闭光套管，随后进行放喷、压井等作业，使井底重新建立压力平衡。

井喷抢险装置的作业过程如下：首先，支撑架将井喷抢险装置支撑在井口，支撑架上的液压缸推动固定架向前运动，当到达指定位置后生根系统卡紧套管本体，实现井喷抢险装置的生根；然后，在对中系统的作用下，封井系统在水平面内前后左右运动，使封井系统的轴线与套管的轴线共线；随后，升降系统带动封井系统下降，到达指定位置后封井系统停止运动；最后，关闭环形防喷器和全封闸板防喷器，分别封闭封井系统与套管间的环空空间和套管内孔。具体操作流程如图7所示。

图7 操作流程Fig. 7 Operation flow chart

3 技术指标

Technical index

设计的井喷抢险装置应用于陆地钻井作业或海洋平台水上井口钻井作业，其技术指标如表2所示。

表2 井喷抢险装置技术指标Table 2 Technical index of blowout emergency rescue device

4 关键零件有限元分析

Finite element analysis on key parts

4.1 生根系统外壳体

Shell of root system

首先在SolidWorks中建好生根系统外壳体的三维模型，然后将三维模型导入ABAQUS软件中［16］，节约了在有限元软件中的建模时间。外壳体选用的材料为Q345钢，弹性模量210 GPa，泊松比0.3。在网格划分时选择外壳体的网格类型为C3D8R，设置网格大小10 mm，形状选择六面体网格，网格划分如图8所示。施加边界条件时，在外壳体底面施加固定约束，在外壳体与卡紧总成、锁紧块的接触表面上分别施加面载荷，随后提交作业，最终得到外壳体的应力云图见图9，位移云图见图10。

图8 外壳体网格划分模型Fig. 8 Grid division model for the shell

图9 外壳体应力云图Fig. 9 Stress cloud chart of the shell

由分析结果可知，外壳体的最大应力值发生在上表面开口处，最大应力值为171 MPa，低于Q345钢的屈服极限345 MPa，其安全系数2.0，外壳体的最大位移变形量约为0.509 mm，变形量远小于外壳体的尺寸，不影响外壳体的刚度和正常使用，可忽略不计。因此外壳体的强度、刚度可满足使用要求。

图10 外壳体变形云图Fig. 10 Deformation cloud chart of the shell

4.2 套管卡紧系统本体

Main body of casing clamping system

将套管卡紧系统本体在三维软件中建模并对模型进行简化，将简化后的模型导入有限元分析软件ABAQUS中进行分析。套管卡紧器本体选用材料Q420钢，屈服强度 420 MPa，弹性模量 210 GPa，泊松比0.3。划分网格时设置网格尺寸20 mm，网格形状为四面体网格，单元类型为C3D10，锥形本体的网格划分完成后如图11所示。

图11 本体网格图Fig. 11 Grid diagram of the main body

在设定边界条件时将本体向上的运动趋势转化为卡瓦向下的运动趋势，施加边界条件时在本体与环形防喷器连接法兰的上表面施加固定约束，在本体的锥形内表面施加面载荷。完成载荷设定后提交作业，得到本体应力云图见图12，变形云图见图13。由图12可知，本体的最大应力值发生在锥体与底边连接处，最大应力值为234 MPa左右，低于所用材料的屈服强度420 MPa，安全系数1.8；由图13可知，套管卡紧器本体的最大位移变形量约为0.388 mm，变形量很小，不影响本体的正常使用。所以，套管卡紧器锥形本体的强度、刚度均满足使用要求。

图12 本体应力云图Fig. 12 Stress cloud chart of the main body

图13 本体位移云图Fig. 13 Displacement cloud chart of the main body

5 结论

Conclusions

（1）针对目前钻井井喷事故中抢险时间长、作业危险性高的问题，设计了井喷抢险装置，能够快速与井口光套管连接，及时制止井喷。

（2）井喷抢险装置采用全液压驱动，可封闭压力达35 MPa的井口，且能封闭套管头损坏的井口，适用情况广泛。

（3）下一步工作是试制样机和进行现场试验，分析试验结果并对结构进行优化。

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