海洋鉆井井口承壓保護(hù)裝置的研制

劉景超 黃毓祥 周文博

（1.西安石油大學(xué)，陜西西安 710065；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

隨著油田開發(fā)的不斷深入，批鉆批完作業(yè)應(yīng)用廣泛，鉆井作業(yè)后敞放井口的情況越來(lái)越多，若在油管四通和采油樹未到貨的情況下進(jìn)行鉆井作業(yè)，鉆井作業(yè)后只能敞放井口，存在安全隱患風(fēng)險(xiǎn)，在固井質(zhì)量不合格的情況下，套管內(nèi)外都有油氣溢出，沒有安裝油管四通，生產(chǎn)套管和表層套管環(huán)空無(wú)法進(jìn)行控制壓力；由于沒有安裝采油樹或盲法蘭，無(wú)法控制套管內(nèi)的壓力，有可能導(dǎo)致井涌、井噴等事故［1-5］。針對(duì)上述安全問(wèn)題，結(jié)合海上油氣田的實(shí)際情況，研制開發(fā)了井口承壓保護(hù)裝置。該裝置能夠在鉆井作業(yè)結(jié)束后直接安裝在套管頭或油管四通上，通過(guò)試壓檢驗(yàn)密封性，能夠監(jiān)測(cè)井內(nèi)壓力變化，在發(fā)生溢流井涌的情況下能夠進(jìn)行壓井作業(yè)，另外，安裝井口承壓保護(hù)裝置后，可以防止井內(nèi)落物，使生產(chǎn)套管內(nèi)外的壓力受到控制，保證作業(yè)安全。

1 結(jié)構(gòu)及主要功能

1.1 結(jié)構(gòu)

海洋鉆井井口承壓保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)見圖1。當(dāng)針閥打開時(shí)，壓力表可以時(shí)刻監(jiān)測(cè)該裝置的內(nèi)部壓力；當(dāng)需要更換壓力表時(shí)，只需關(guān)閉針閥，即可更換壓力表。

圖1 海洋鉆井井口承壓保護(hù)裝置

該裝置設(shè)計(jì)和制造完全符合API規(guī)范要求，具有集成程度高、密封性能好、操作方便靈活、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，填補(bǔ)海油井口保護(hù)空白，能夠顯著提高批鉆批完鉆井模式的安全性。

1.2 主要功能

（1）監(jiān)測(cè)井內(nèi)壓力變化。安裝井口承壓保護(hù)裝置后，鉆桿旋塞閥處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)壓力表時(shí)刻監(jiān)測(cè)井內(nèi)壓力變化情況，一旦出現(xiàn)壓力異常情況，報(bào)警裝置啟動(dòng)，及時(shí)報(bào)警，具有泄壓功能。

（2）該裝置上安裝有泄壓閥，當(dāng)井內(nèi)壓力不太高時(shí)，可以開啟泄壓閥，方便泄壓。

（3）擠推壓井法。直接在該裝置上連接循環(huán)接頭（4-1/2IF公扣×1502扣），在1502扣接上壓井管線，打開保護(hù)裝置上的旋塞閥即可實(shí)施。

（4）置換壓井法。在旋塞閥接頭上連接防噴管，并試壓合格；然后下入連續(xù)油管（可適用直徑38.1～60.325 mm的油管），在管柱上安裝單流閥，利用防噴管的功能，防止在下入連續(xù)油管時(shí)發(fā)生無(wú)節(jié)制外溢或噴涌；連續(xù)油管下到位后，從連續(xù)油管內(nèi)泵入壓井液，從防噴管或油管四通翼閥回收井內(nèi)流體，提高井內(nèi)液柱壓力，恢復(fù)井下壓力平衡。

2 安全性分析

井口承壓保護(hù)裝置通過(guò)法蘭安裝在井口上，正常情況下內(nèi)部沒有壓力，當(dāng)井內(nèi)壓力過(guò)高，出現(xiàn)井涌、溢流等情況時(shí)，井口承壓保護(hù)裝置內(nèi)部受到來(lái)自井內(nèi)液體的壓力，此時(shí)，其本體的受力如圖2所示。

圖2 本體受力示意圖

2.1 本體可靠性計(jì)算分析

本體的材料為30CrMo，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，其屈服強(qiáng)度為 σb=620 MPa，許用應(yīng)力 σs=410 MPa，設(shè)置該裝置的極限工作壓力為34.474 MPa（5 000 psi）。

如圖2所示，本體為筒狀，D1=346.1 mm，D2=481 mm，桶蓋面積A=π/4=94 031.49 mm2,最薄壁處為側(cè)壁，側(cè)壁橫截面積A1=π（–）/4=87 586.995 mm2,此處受到來(lái)自桶蓋的拉力F和軸向拉力強(qiáng)度p1為

式中，p為本體工作抗壓強(qiáng)度，取34.474 MPa。

計(jì)算本體內(nèi)部所能承受的極限荷載（安全系數(shù)取 0.8）。當(dāng) pmax=σs=410 MPa時(shí)，材料達(dá)到極限，此時(shí)軸向所受拉力

液體抗壓強(qiáng)度

乘以安全系數(shù)，即當(dāng)裝置內(nèi)部壓力達(dá)到44 214 psi（305 MPa）時(shí)，裝置所用30CrMo材質(zhì)達(dá)到其屈服強(qiáng)度。

2.2 螺栓強(qiáng)度校核

連接螺栓的材質(zhì)為42CrMo，調(diào)質(zhì)處理，其屈服強(qiáng)度σb=900 MPa，許用應(yīng)力σs=650 MPa。本體下端直徑D=408 mm,設(shè)置該裝置的極限工作抗壓強(qiáng)度為 34.474 MPa（5 000 psi）。

本體下端面面積

故此處所受拉力F下為

每只螺栓受力

螺栓直徑41.28 mm，則螺栓橫截面積

則螺栓所受軸向拉力p2為

計(jì)算螺栓所能承受的極限荷載（安全系數(shù)取3）。當(dāng)p2=σs=650 MPa時(shí)，材料達(dá)到極限，此時(shí)軸向所受拉力

此時(shí)，液體壓力p下為

即當(dāng)裝置內(nèi)部壓力達(dá)到15 440 psi（106.5 MPa）時(shí)，螺栓所用42CrMo材質(zhì)達(dá)到其屈服強(qiáng)度。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 應(yīng)用背景

陸豐13-1某調(diào)整井根據(jù)作業(yè)計(jì)劃，在棄井起完生產(chǎn)管柱后先轉(zhuǎn)入其他井修井作業(yè)，等修井結(jié)束后再繼續(xù)調(diào)整井作業(yè)。如果按照以往的設(shè)施條件和井控規(guī)定，就需要安裝采油樹，需要作業(yè)工期和成本，若井下發(fā)生溢流井涌，現(xiàn)場(chǎng)處理手段有限。在此背景下，甲方準(zhǔn)備使用井口承壓保護(hù)裝置。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

井口承壓保護(hù)裝置在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)之前，先進(jìn)行了JSA安全風(fēng)險(xiǎn)分析，重點(diǎn)關(guān)注了吊裝、安裝、試壓等環(huán)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)分析，從而保證了整個(gè)作業(yè)過(guò)程的安全有序進(jìn)行。施工步驟如下。

（1）安裝井口承壓保護(hù)裝置之前，再次檢查其法蘭面，確認(rèn)無(wú)問(wèn)題后，均勻涂抹上黃油。

（2）鉆桿提絲連接鉆桿旋塞閥（考克），穿好吊帶。用絞車將井口承壓保護(hù)裝置緩緩?fù)滤椭吝M(jìn)口，裝置送入過(guò)程中，應(yīng)系好牽引繩，防止工具在送入過(guò)程中劇烈擺動(dòng)。

（3）將裝置安裝到油管四通上，用螺栓進(jìn)行連接、緊固，針閥及壓力表、報(bào)警裝置安裝完畢。

（4）通過(guò)油管四通進(jìn)行試壓作業(yè)：用專用手柄將旋塞閥關(guān)閉，打開壓力表前的針閥，試壓流體通過(guò)油管四通翼閥進(jìn)入到井口保護(hù)裝置，觀察壓力表變化。試壓到額定壓力，壓力表讀數(shù)穩(wěn)定，裝置無(wú)泄漏，裝置可以正常工作。

（5）監(jiān)測(cè)讀數(shù)及報(bào)警情況。井口承壓保護(hù)裝置安裝到油管四通正常工作期間，作業(yè)人員應(yīng)密切關(guān)注壓力表讀數(shù)情況，實(shí)時(shí)了解井下壓力情況。發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)及時(shí)匯報(bào)給當(dāng)班監(jiān)督，以便第一時(shí)間采取相應(yīng)的井控措施。

3.3 應(yīng)用結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)工程師記錄的不同時(shí)段的壓力表的讀數(shù)均為0。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)安裝使用，證明本裝置密封性能好，性能穩(wěn)定可靠，操作方便靈活，能夠有效監(jiān)測(cè)井內(nèi)壓力變化，提前預(yù)警，防止井內(nèi)油氣溢出；同時(shí)，可以通過(guò)壓井控制套管內(nèi)的壓力，有效防止井涌、井噴等事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

（1）海洋鉆井井口承壓保護(hù)裝置能夠進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流、井涌等復(fù)雜情況。

（2）該裝置有效地防范了批鉆批完鉆井作業(yè)模式存在的安全隱患風(fēng)險(xiǎn)，具有質(zhì)量穩(wěn)定可靠，應(yīng)急反應(yīng)快，安全性能好等特點(diǎn)。

（3）該裝置有助于鉆完井作業(yè)安全進(jìn)行，有利于保護(hù)不可再生的油氣資源，避免環(huán)境污染，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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