海上井喷失控井口应急回接装置设计探讨

2022-12-07朱连望初德军

天津科技 2022年1期

朱连望，蒋凯，初德军，杜威，张帅

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司天津 300452)

我国海洋油气资源丰富，是当前重要的油气勘探领域，也是未来油气勘探和增储上产的主要来源。但海洋油气勘探开发作业存在较高风险，钻井过程中如果对溢流处置不当，会导致井喷事故发生，如不及时有效处置会进一步恶化成井喷失控。井喷失控是油气行业最严重的恶性事故之一，会造成油气资源严重破坏，以及人员伤亡、财产损失、环境污染、负面舆论等严重后果。因此开展井喷失控应急处置技术研究，对于保障海上油气资源勘探开发安全具有重要意义[1-4]。

海上井喷失控应急处置存在诸多难点，其处理措施主要有事故井口的割断、拆除，新井口的安装重建，井喷流体的控制、处理等。海洋井控应急设备还需满足海洋钻井平台、拖轮或者生产平台的安装需求[5]，其中井口重建可以实现泄露油气源头控制，为后续压井等作业创造条件，是应急抢险最关键的环节，直接关系到抢险工作的成败。因此，设计研发适用于海上平台的井口重建设备是十分必要的。

1 井口重建设备的类型及特点

油气井井喷失控后井场设备损毁，井口损坏。其抢险救援通常的做法是：先清除井口周围的设备设施，切割井口。在比较严重的情形下井口底法兰损坏，则在底法兰下部套管处切割井口。如何在光套管上快速有效安装新井口是目前研究的重点方向。

分瓣式套管头采用分体式结构，分为上、下两部分，由锁紧装置连接。预先将快装抢险套管头上半部分与防喷器通过铰链连接，下半部分采用锥形分瓣式结构的套管卡瓦，可自动对光套管进行中心定位并在光套管上安装。井喷发生时通过翻转防喷器将其扣装到井口上，可快速准确地完成抢装作业。由于该工具对安装精度要求较高，需要人员近距离靠近井口操作，不利于人员生命安全和快捷操作，且安装到位后无法单独试验环空密封压力，对作业可靠性和成功率有一定影响[6-9]。

油气井井喷失控抢险用井口装置通过生根卡瓦固定在套管上，分别关闭上部全封闸板防喷器的全封闸板总成、应急抢险防喷器顶密封倒置的闸板总成，使整套装置构成一个应急抢险通道，通过四通侧出口进行钻井液分流和压井作业。该井口重建方式具有较好的安全性和可靠性，但是装置体积较大，对于作业环境和空间要求较高，故不适用于海上平台井口重建和水下井口重建[10]。

水下应急封井器是一种安装在水下井喷井口上方，用来临时封闭事故井眼和转喷分流井喷流体的设备。2010 年7 月，英国石油公司制造出世界上第一套水下应急封井装置，并成功应用于墨西哥湾深水地平线钻井平台井喷事故抢险救援。作为井控应急源头控制系统装备的一部分，与水下盖帽、分流装置、回收设备、回收罩以及水面船舶等相关设备组成一个源控制装备系统，是水下专用井口重建装置[11-12]。

2 应急回接装置结构设计

针对现有井喷应急抢险井口重建设备不适用于海上井喷应急抢险，研制了一种海上井喷失控井口应急回接装置(图1)，包括回接系统、生根系统、密封系统。该装置主要应用于海上油气井井喷事故的应急救援，不仅可以在水上井口使用，也可以在水下井口使用。

2.1 回接系统

即本体外壳部分，作为连接失控井口与防喷器的中间结构，上部为API 标准法兰，连接防喷器后实现封井功能；下部设置喇叭口，以便在整体下放过程中顺利滑入完成与事故井的套管回接。

2.2 生根系统

应急回接工具连接防喷器后整体下放过程中会受到井喷流体的冲击，因此设计卡瓦楔形夹紧机构，利用活塞外部的止动机构锁住活塞，确保在失去液压后仍能限制活塞移动，确保卡瓦锁紧力，同时由于锥度效应，在套管受力过程中带动卡瓦移动趋势，使卡瓦更加锁紧套管，且卡瓦锥度可以降低对套管尺寸或形状的要求。

2.3 密封系统

在本体内墙设置密封总成，依靠液压作用挤压密封总成实现高压密封。其保护短节可以避免安装过程中的井喷流体冲蚀损坏或火场中高温烧毁工具密封总成。密封总成可选用类似水下套管挂的密封总成结构，具备金属密封功能，增强重建井口的密封性能和寿命。

3 工作原理及作业流程

3.1 工作原理

该工具本体上部具有连接法兰与井口防喷器连接，在连接不同规格的套管时无需在防喷器上安装额外转换法兰，仅通过更换内部的密封套件和套管锁紧块即可完成与不同套管规格配合安装，减少安装时间和工作量，可连接7 in(177.8 mm)～16 in(406.4 mm)的套管，最高工作压力达105 MPa。

该工具利用套管卡瓦锁定功能将装置与套管牢固连接。利用内部密封滑套对装置内部密封件进行保护，同时密封件具备试压功能，在井口防喷器未关闭前可对装置与套管间的密封性能做测试，规避由于装置与套管密封无效造成的关井失败。该装置有外接喷淋冷却接口，可对内部盘根盒进行冷却，可适用于水上带火高温环境的井口重建。

3.2 作业流程

3.2.1 接入步骤

①将应急回接装置与防喷器连接，下入试压工具对防喷器与工具法兰连接处试压，以确保完好，备用。

②应急回接前须对套管切割修整并确认套管尺寸与工具配套，安装前防喷器保持打开状态。

③将应急回接装置与防喷器整体吊到回接套管上方，在导向喇叭口作用下导向对中并滑入工具中，在套管与密封总成保护短节接触并继续下放工具，在重力作用下保护短节剪切销切断，保护短节随着套管的进入上移直到碰到限位环，下放10～15 t 重量确保应急回接装置完全下入到位。

④对液缸试压操作，液压将卡瓦驱动环上行，由于卡瓦驱动环的上行使卡瓦挤压锁紧在套管上，检查下推杆位置确保锁块啮合。

⑤过提20 t 检查套管锁紧。

⑥对液缸活塞施加操作液压，使活塞上行挤压套管密封总成，检查上推杆位置，确保锁块啮合到位。

⑦通过试压接口对密封总成进行试压，确保套管与工具内腔环空密封。⑧按照关井程序进行关井作业。

3.2.2 拆除步骤

①解除套管密封总成，操作液缸维持活塞挤压状态，对下推杆液缸施加压力收回锁块，操作液压使活塞下行，解除对密封总成挤压。

②卡瓦解除：维持液缸锁紧压力，对下推杆液缸施加压力收回锁块，操作液缸将套管卡瓦驱动环下行，卡瓦与套管分离。

③提出防喷器和工具总成，完成工具回收作业。

4 设计创新性分析探讨

①利用类似于套管尾管悬挂卡瓦技术(钻具卡瓦技术)，通过卡瓦楔形(锥度)夹紧机构原理通过液压驱动活塞机构将卡瓦锁住套管，利用活塞外部的止动机构锁住活塞，确保在失去液压后仍能限制活塞移动，确保卡瓦锁紧力，同时由于卡瓦楔形(锥度)效应，在套管受力过程中带动卡瓦移动趋势，使卡瓦更加锁紧套管，且可以降低对套管尺寸或形状的要求(具备一定的尺寸锈蚀和圆度偏差范围)。

②可更换不同尺寸卡瓦总成以满足不同套管规格，降低设备的成本和重量。

③通过更换不同规格的密封总成(套管与工具环空密封)，以适应工具与不同套管规格的配合要求。

④利用密封总成的双面密封作用，在安装后无需安装井口防喷器即可进行套管与工具连接的环空密封性能测试，避免安装防喷器之后出现套管与工具环空密封性能失效，增加移除防喷器的工作量。

⑤工具内密封总成的保护短节(套管短节)可以避免安装过程中的井喷流体冲蚀损坏或火场中高温烧毁工具密封总成。

⑥保护短节的剪切销可以避免密封总成保护短节异常脱离密封总成位置而造成保护失效。

⑦密封总成可选用类似水下套管挂的密封总成结构，具备金属密封功能，增强重建井口的密封性能和寿命。

⑧内置的喷淋接口可降低火情对工具的温度影响，实现对各个密封件的保护。

⑨下部的喇叭口具备导向作用且无方向要求，降低对实施条件的要求。

⑩液压活塞的止动机构可以起到保护失压安全作用，即在液压压力卸载后仍维持工具锁紧能力。