水上井口井喷抢险应急井口连接器的研制

刘英伟 张红生 李福明 张旭 张文喜

摘   要：为三级井控应急抢险重新安装井口防喷器，设计了应急井口连接器。该装置主要由分瓣式套管头、变扣法兰和铰链式套管头组成。分瓣式套管头可以避开井喷流体安装在光套管上，并可靠密封环空，为防喷器的安装创造条件。铰链利用事故井井口的可用法兰，形成转轴，实现防喷器的扣装。以井口压力34.5MPa，结合339.7mm套管，对装置的结构、力学性能进行了设计和校验。样机及室内模拟试验表明，新装置连接可靠，密封有效，达到了预定的性能指标。

关键词：三级井控  井口连接器  套管头  井喷  铰链

中图分类号：TE2                                    文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）02（c）-0077-02

井喷失控时常伴随着人员安全，财产损失和环境污染问题[1]。在中石油1970年—2009年发生的79起井喷失控案例中，由于井口无防喷器或者防喷器失效，引起的井喷失控为35起，占比44.3%[2]。为控制高速喷出的井口流体，重新安装防喷器，建立压井通道，恢复对事故井的控制，国内先后研制了多种类型的抢险装置，如中国石油大学（华东）研制的钻井井喷抢险装置[3]，生产井液压抢喷系统[4]，中石油大港油田公司研制的重力自封抢喷专用装置[5]等。这些装置的共同特点是，均需从井口上方切入流体，从垂直方向上安装新的防喷器，在陆地或者场地空间许可的条件下能够应用。

对于设置在导管架上的海洋石油水上井口，导管架周围为开阔海面，在井口上方受钻井船悬臂梁影响，在井口周围受导管架上丛式井井口套管头和采油树的空间限制，大型机具的作业场地受限，上述套管头的安装应用受到限制。为解决这一问题，专门设计了采用翻转式扣装的应急井口连接器。

1  技术分析

1.1 结构设计

应急井口连接器的结构如图1所示，包括分瓣式套管头、变扣法兰、可固定钢圈、铰链式套管头四部分。其中，分瓣式套管头由支撑架、本体、工字块、卡瓦、卡瓦定位块、阶梯衬环、密封圈和橡胶盘根组成。变扣法兰由倒锥形本体和标准顶法兰组成。铰链由变扣法兰、上卡体、转轴、可固定钢圈、下卡体、限位块、引导块组成。

1.2 工作原理

清理出事故井的光套管，放置支撑架并调平，放置分瓣式套管头本体并砸紧工字块，安装卡瓦并紧固，依次安放卡瓦限位块，阶梯垫环，密封圈和盘根，通过变扣法兰的锥形结构，使盘根有效密封套管外环空。变扣法兰的顶部的标准法兰，可与抢险的防喷器连接。在关井的情况下，利用井喷流体的上顶力，使分瓣式套管头本体上行，由于分瓣式套管头本体和卡瓦的接触面为锥形，迫使卡瓦牢牢咬合在套管本体上，从而让整个井口不会被井喷流体顶开。调节支撑架的丝杠，提供一定的额外支撑力，防止整个井口意外下沉。

将铰链式套管头的下卡瓦固定在分瓣式套管头的顶法兰上，下卡瓦固定在抢险防喷器的底法兰上，在辅助工具的配合下，穿转轴，在钢丝的牵引下，翻转井口防喷器，完成扣装作业。

分瓣式套管头既可单独使用，采用吊装的方式完成防喷器安装，也可与铰链式套管头配合使用，采用扣装的方式完成防喷器安装。

1.3 关键技术

卡瓦和本体的锥形接触面设计，将井喷上冲的反作用力变为卡瓦的咬合力，实现“井压锁紧”。

阶梯垫环能将4块卡瓦调平，并形成一个整体，防止受力不均，同时能为密封圈创造一个安装槽。密封圈为精细切割，分瓣式设计，软金属材质，进一步缩小环空的间隙，在橡胶盘根放置后，在变扣法兰锥形面的压合作用下，利用橡胶的流动变形特性，在周向和轴向上有效密封环空，见图2。

1.4 技术参数

（1）分瓣式套管头可抵抗的上顶力为360t;

（2）耐压为35MPa;

（3）材料EE級;

（4）铰链式套管头转轴可承受的井压为198MPa。

1.5 计算和校核

（1）分瓣式套管头卡瓦抗剪强度计算、变扣法兰紧固螺栓抗拉强度计算、工字块抗拉强度计算;

（2）铰链式套管头转轴剪切强度校核、下卡体剪切强度校核、升高短节紧固螺栓抗拉强度校核、下卡体限位块剪切强度校核[6-7]。

2  室内试验

完成样机试制后，对应急井口连接器进行了室内试验。选择壁厚为12.2mm，钢级P110，抗内压的47.6MPa的339.7mm套管，进行了35MPa的静压下的卡瓦锁紧和环空密封试验，卡瓦成功锁紧，无下滑，连续3次试压，稳压10分钟，最大压降为0.17MPa，符合规范要求[8];铰链翻转灵活，引导块对中引导良好，功能满足设计预期。

3  结语

（1）应急井口连接器能够弥补现有抢险套管头对安装空间和场地的要求，尤其在海洋石油水上井口抢险中，适用性更强;

（2）分瓣式安装避开了井喷流体的冲蚀，安装方便，安全可靠;

（3）铰链式套管头能抵御井喷流体冲击产生的晃动，为抢险防喷器的安装带来了新的“扣装”方式;

（4）分瓣式套管头和铰链式套管头既可组合使用，也可分开使用，提高了设备的通用性;

（5）可针对不同尺寸套管和压力等级，进行系列化生产。

参考文献

[1] 吴志均，陈刚，郎淑敏，等.天然气钻井井控技术的发展[J].石油钻采工艺，2010，32（5）：56-60.

[2] 杨庆理，金华，秦文贵，等.中国石油天然气集团公司井喷事故案例汇编[M].北京：石油工业出版社，2006.

[3] 牛文杰，郑士坡，徐国慧，等.钻井作业井喷抢险装置设计[J].石油钻采工艺，2017，39（6）：707-712.

[4] 杨东泽.生产井液压抢喷系统的设计与研究[D].青岛：中国石油大学（华东），2010.

[5] 谢华，刘金环，谢青，等.井口套管头损坏井喷抢险配套技术[J].石油钻采工艺，2010，32（5）：107-109.

[6] 綦耀光.机械设计基础[M].东营：中国石油大学出版社，2006.

[7] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，1985.

[8] 王乐闻，陈惠琴，吴贤柱，等.钻井井控装置组合配套、安装调试与维护：4调试：SY/T 5964-2006[S].北京：石油工业出版社，2006.