井喷失控井一体化井口重建装置的研制

2022-05-18胡旭光何弦桀段慕白

钻采工艺 2022年2期

胡旭光，何弦桀，段慕白

1中国石油川庆钻探工程有限公司井控应急救援响应中心 2西南石油大学石油与天然气工程学院 3中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院

0 引言

井喷失控着火后，为实现对井口的重新控制，通常要进行险情侦察、冷却掩护、切割清障、井口重建四个步骤，井口重建是最后一步也是最为关键的一步[1-4]。传统的井口重建主要依靠抢险人员近井口作业，具体做法可分为八个步骤：①在套管上安装一个防沉卡瓦；②在防沉卡瓦上安装特殊套管头托盘；③安装特殊套管头本体，形成底法兰；④安装防顶卡瓦；⑤安装套管头密封盘根座；⑥安装密封盘根并固定；⑦采用吊装或重力加压等方式将防喷器组与套管头法兰对中；⑧连接、紧固螺栓，关井，控制井口。整个过程中抢险人员需多次到近井口进行长时间作业，如安装防沉死卡需要至少3人在井口作业20 min，安装特殊套管头需要至少5人在井口作业30 min，螺栓连接与紧固需要至少5人在井口作业30 min，尤其当面临真实的抢险环境时，作业时间可能远远高于预估时间，对抢险人员的身体及心理造成极大挑战，稍有不慎便会导致人员伤亡、井口重建失败[5-8]。针对此种情况，川庆钻探工程有限公司通过科技攻关，研制了井喷失控井一体化井口重建装置，适用于井喷失控后底法兰损坏、井口仅剩光套管情况下的井口重建，该装置将卡紧装置、密封装置设计为一个整体，同时具备卡紧、密封功能，可通过远程控制键实现卡瓦及防喷器的关闭，全过程无需人员近井口操作，将传统光套管井口重建“八步法”变为远程一键关井“一步法”。室内试验及大型演练表明，该装置性能稳定，可在1 h内完成关井，极大提升了井喷失控后井口重建效率，有效降低了人员风险，为“三高井”井喷失控后的井口重建提供了有力的装备支撑。

1 重建装置组成

合理的重建装置组合方式是减少人员近井口次数及有效控制井喷的关键。若要完成井口重建，需实现重建装置卡紧在套管上以及对井内压力的密封。基于此两点，井喷失控井一体化井口装置设计由卡紧装置和密封装置两部分组成，见图1，设计参数见表1。卡紧装置通过液压控制提供夹紧套管的初始力并克服井筒内高压流体的上顶力，其下部装有导流钟罩，可对高压流体进行引流并实现卡紧装置与套管之间的快速对中与定位。密封装置位于上部，其作用是密封井口，卡紧装置与密封装置配合使用，实现井喷失控后套管卡紧与密封。

图1 井喷失控井一体化井口装置示意图

表1 井喷失控井一体化井口装置设计参数表

2 卡紧装置设计研究

2.1 卡紧装置设计

该装置由卡紧装置本体和导流罩两部分组成。卡紧装置通过外接回路为液压油缸提供动力，油缸伸缩带动卡瓦体沿导轨滑动，提供夹紧套管的初始夹紧力。其上端安装有抢险专用防喷装置，在抢险防喷器组关闭后，卡紧装置能够提供足够的卡紧力，克服井筒内高压流体产生的上顶力，将重建装置稳定可靠的固定在井口套管上[9-11]。为防止井内压力波动或者外部干扰造成卡瓦松动，可旋紧螺纹顶丝，将卡瓦位销楔紧在牙板压盖上，确保卡瓦牢靠地夹紧在套管上，其结构见图2，设计参数见表2。在抢险卡紧装置和防喷装置安装到套管上的过程中，导流罩对高压流体进行引流，并实现井口卡紧装置与井口套管之间的快速对中和定位，其结构见图3。

图3 导流罩结构图

表2 卡紧装置设计参数表

图2 卡紧装置结构图

2.2 卡紧装置强度校核

为保证卡紧装置能够提供足够的卡紧力，以克服井筒中高压流体作用在防喷装置的上顶力[12-15]，对卡紧装置强度进行模拟计算分析，采用三维模拟软件建立了井喷失控井一体化井口卡紧装置卡瓦座和卡瓦体的三维模型，并进行有限元计算分析，卡瓦座材料为锻件Q345，卡瓦体材料为锻件4130，校核结果见图4。根据校核结果，当加载1 500 kN时，卡瓦座平均应力165 MPa，小于Q345材料的屈服强度345 MPa，满足强度要求。当加载1 500 kN时，卡瓦体平均应力400 MPa，小于锻件4130材料屈服强度600 MPa，满足强度要求。

图4 卡瓦装置强度有限元校核图

3 密封装置设计研究

3.1 密封装置设计

3.1.1 密封闸板设计

闸板总成设计为长圆形整体式，其密封胶芯采用前密封和顶密封组装结构，见图5。装配时首先装入前密封，再装入顶密封，将顶密封轻轻敲入顶密封槽，拆卸时首先向上撬出顶密封，向前撬出前密封。前密封和顶密封可根据损坏情况不同单独更换，拆装方便快速。

图5 密封闸板结构图

3.1.2 侧门与活塞轴之间的密封机构设计

侧门与活塞轴之间的良好密封是装置设计的关键点之一，为确保侧门与活塞轴之间的密封可靠性，密封结构采用双向密封，用Y形密封圈密封井压，用“O”形密封圈密封液控压力，其结构设计见图6。

1.孔用挡圈；2.垫片；3.“Y”形密封圈；4.矩形密封圈；5.矩形密封垫圈；6.“O”形密封圈。

3.1.3 二次密封机构设计

闸板轴与侧门之间的密封装置分为两部分：一部分是密封井压，一部分是密封液控的油压，二次密封机构位于这两部分之间，见图7。若该处密封圈损坏会导致密封不严，此时需要二次密封机构进行紧急处理。在封井工况下，如果观察孔(在侧门的下部)有流体流出，这就表明密封圈已损坏，可以根据流体的性质判断是封井压还是封油压的密封圈损坏。此时应立即卸开上部的注脂孔的螺塞，用内六角扳手顺时针旋转孔的螺钉，将棒状的二次密封脂通过单向阀、支承密封套的径向孔注入到环隙中，实现二次密封。

1.丝堵；2.压紧螺塞；3.二次密封脂；4.单向阀；5.带孔丝堵。

3.2 密封装置强度有限元校核

采用三维模拟软件PRO-E建立密封装置承压件壳体和侧门的三维模型，并进行有限元计算分析。该密封装置的模拟实验分为两种工况，分别为静水压强度实验和密封实验，强度实验对应的压力为140 MPa，密封实验对应的压力为密封装置的额定工作压力70 MPa。密封装置的壳体材料为锻件4130，其化学成分和力学性能参见材料规范JSBW-006，材料屈服强度RP 0.2≥517 MPa，载荷的施加分别采用额定工作压力70 MPa和强度试验压力105 MPa。

3.2.1 密封装置壳体应力校核

从图8、图9可以看出，强度试验压力下闸板腔内的应力最大，最大应力值为432.5 MPa，额定工作压力下闸板腔内的最大应力值为281.1 MPa，均小于API Spec 16A规定的该材料最大设计应力强度517 MPa，满足设计要求。

图8 强度试验压力下Mises应力云图

图9 额定工作压力下Mises应力云图

3.2.2 密封装置壳体变形校核

因密封装置壳体是受力的主要承受体，故进行壳体变形量分析，确保变形量不影响壳体密封件的正常工作。

图10、图11为强度试验压力/额定工作压力下竖直方向的位移云图。由壳体的受力状态可知，其竖直方向的位置最大，其中强度试验压力下最大位移为0.65 mm，额定工作压力下最大位移为0.42 mm，该变形量不影响壳体密封件包括闸板体密封件的安全工作。

图10 强度试验压力下竖直方向的位移云图

图11 额定工作压力下竖直方向的位移云图

3.2.3 密封装置侧门应力校核

密封装置的侧门材料为4130，有限元分析中载荷的施加分别采用额定工作压力70 MPa和强度试验压力105 MPa，在侧门的密封槽内部承压面上施加均布压力，侧门螺栓与侧门的接触部分施加位移约束，侧门的剖面上加对称约束。

3.2.3.1 额定工作压力下应力校核

在工作压力下，侧门的Mises应力云图如图12所示，在侧门螺栓固定处应力最大，最大值为410 MPa，属接触应力，且应力在其周围迅速减小至210 MPa。经分析，沿侧门厚度方向的平均薄膜应力仅为85.4 MPa，小于API 16A规范规定的设计许可应力344.6 MPa，满足设计要求。

图12 工作压力下的Mises应力云图

3.2.3.2 强度试验压力下应力校核

强度试验压力下侧门的Mises应力云图如图13所示。侧门螺栓固定处应力最大，最大值为512.5 MPa，属接触应力，且应力在其周围迅速减小至260 MPa，经分析，沿侧门厚度方向的平均薄膜应力仅为122 MPa，小于API 16A规范规定的设计许可应力465.3 MPa，符合设计要求。

图13 强度试验压力下的Mises应力云图

4 室内试验与演练

4.1 室内试验

井喷失控井一体化井口重建装置模拟试验主要测试卡瓦和密封装置的性能。将卡紧装置与泵站连接，泵站用来提供卡紧装置开关的动力；将密封装置的上端用盲板盖住，并在盲板上安装压力传感器，压力传感器与数据采集系统连接；密封装置的上端与试压泵连接，试压泵通过空压机提供动力，给密封装置内进行加压，远控房控制密封装置的开关，通过加压来测试密封装置的密封性，同时测试卡瓦是否能够承受足够的上顶力，实验示意图见图14。

图14 井喷失控井一体化井口重建装置试验示意图

打开试压泵与空压机，向密封装置内打压，为测试卡瓦是否能承受100 t的上顶力，测试最大压力为40 MPa，每加5 MPa停止观察10 min，并测量卡瓦与地面的高度。整个加压过程中，卡瓦一共移动了5 mm，该移动量不影响卡瓦卡紧工程，说明卡瓦能够承受设计上顶力指标。对密封装置试压，打开试压泵与空压机，测试压力为35 MPa，测试压力达到35 MPa后，稳压30 min并未出现压降情况，表明该密封装置达到设计要求。