海洋水下井口密封技術(shù)分析

徐振宇

（渤海裝備遼河熱采機(jī)械公司井口制造廠，遼寧盤(pán)錦 124209）

0 引言

海洋水下井口裝置技術(shù)大都被歐美國(guó)家所牢牢把控，國(guó)內(nèi)對(duì)于這方面的研究仍處于起步階段。目前，國(guó)內(nèi)多家石油開(kāi)采、鉆探和設(shè)備生產(chǎn)公司在開(kāi)發(fā)與制造水下井口裝置臺(tái)樣機(jī)，并積極進(jìn)行試驗(yàn)。為了確保該過(guò)程的順利進(jìn)行，需要明確其中的關(guān)鍵技術(shù)和操作要求。在水下井口裝置中，密封技術(shù)是最關(guān)鍵的技術(shù)之一，其性能水平和質(zhì)量關(guān)系到整個(gè)海洋石油的開(kāi)采可靠性和安全性。因此需要深度研究國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和密封技術(shù)，促進(jìn)國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的研究、發(fā)展，對(duì)提高我國(guó)海洋石油開(kāi)采能力和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有重要意義。

1 海洋水下井口裝置的密封

圖1 所示為海洋水下井口裝置的密封辦法和結(jié)構(gòu)位置。海洋水下井口裝置的密封包括環(huán)空密封與井口頭密封。其中井口頭密封就是連接器和井口頭在連接以后使用密封墊環(huán)構(gòu)成的密封系統(tǒng)。密封井口頭是在井口頭的上部分內(nèi)控、金屬密封墊環(huán)的上半部分、連接器的內(nèi)控中分別設(shè)計(jì)用于密封的密封面。使用連接器使密封面相互擠壓、緊密壓實(shí)，密封墊環(huán)在彈性作用下達(dá)成密封效果。密封的目的是為了隔離海水和井內(nèi)的流體[1]。整體來(lái)說(shuō)，密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。環(huán)空密封是懸掛井內(nèi)套管柱懸掛器與井口頭中間的密封系統(tǒng)。環(huán)空密封需要在環(huán)空密封總成、套管懸掛器、井口頭內(nèi)控3 個(gè)部位分別設(shè)計(jì)密封面。使用對(duì)應(yīng)的密封工具將環(huán)空密封的總成安裝在套管懸掛器和井口頭環(huán)空部位，并建立密封。環(huán)空密封用作相鄰套管柱環(huán)形空間密封，以避免地層高壓油氣流到海底。目前，海洋水下井口裝置的密封壓力包括103.5 MPa、69.0 MPa、34.5 MPa 這3 個(gè)等級(jí)[2]。其中環(huán)空密封的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，不論是安裝還是拆卸都需要許多專用工具，且環(huán)空密封沒(méi)有統(tǒng)一的制造、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，幾乎所有專業(yè)公司的密封技術(shù)都獨(dú)特而特殊。密封結(jié)構(gòu)有很多專利保護(hù)。

2 國(guó)內(nèi)海洋水下井口裝置密封技術(shù)現(xiàn)狀

事實(shí)上，我國(guó)是在“十一五”期間才開(kāi)始海洋水下井口裝置方面的研究，該階段水下井口裝置的開(kāi)發(fā)正式成為國(guó)家863項(xiàng)目。就此出現(xiàn)了很多關(guān)于這方面的課題、研究和研發(fā)計(jì)劃。因?yàn)楹Ｑ笏戮谘b置過(guò)去長(zhǎng)期以來(lái)依賴進(jìn)口，我們?nèi)狈ψ銐虻脑O(shè)備、技術(shù)條件，基礎(chǔ)水平比較薄弱，因此國(guó)內(nèi)對(duì)該產(chǎn)品、系統(tǒng)的了解不夠深入，尤其是欠缺對(duì)密封技術(shù)的掌握。目前，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司研發(fā)的壓入式密封結(jié)構(gòu)成為了代表性產(chǎn)品，除此之外，還有江蘇金石油氣井口科技有限公司開(kāi)發(fā)的雙重鎖定插入式金屬密封機(jī)構(gòu)。這兩種產(chǎn)品目前正在進(jìn)行試驗(yàn)，如果成功且性能達(dá)標(biāo)將會(huì)成為未來(lái)我國(guó)井口密封的重要設(shè)備與技術(shù)。

3 國(guó)外海洋水下井口密封技術(shù)分析

3.1 井口頭密封

3.1.1 VX 與VX-2 墊環(huán)

（1）VX 墊環(huán)密封。該型密封墊環(huán)被用在金屬密封墊環(huán)、連接器內(nèi)控、井口上部?jī)?nèi)控的上下面，分別設(shè)計(jì)成V 形密封面，使用連接器將密封面結(jié)合與擠壓成密封面。從材料角度分析，VX 墊環(huán)密封包括不銹鋼、低碳鋼兩種，絕大多數(shù)情況下使用不銹鋼材料。額定密封壓力103.5 MPa，恒定的工作溫度121 ℃[3]。低碳鋼材料生產(chǎn)成本不高，并且表面涂抹防腐層。VX 墊環(huán)在眾多墊環(huán)中的密封效果一般，其能夠承受的最大工作壓力為69.0 MPa。

（2）VX2 墊環(huán)。和VX墊環(huán)最大的不同是VX2 墊環(huán)V 形密封面總共有2 道環(huán)槽，這2道環(huán)槽能分隔密封面，將其變?yōu)? 個(gè)段，使密封面變得更加緊密、緊湊。VX2 墊環(huán)相較于VX 墊環(huán)有著更高的可靠性和更好的性能。

3.1.2 VGX 與VGX2 墊環(huán)

（1）VGX 密封墊環(huán)所用的密封面為圓弧結(jié)構(gòu)。密封接觸面的建立過(guò)程能有效改善封面接觸應(yīng)力的分布，從而更加均勻地讓密封面受力。VGX 的額定密封壓力103.5 MPa，額定的工作溫度177 ℃[4]。使用高強(qiáng)度不銹鋼材料作為墊環(huán)，墊環(huán)的表面有增加金屬銀的涂層，整體來(lái)說(shuō)，這種墊環(huán)的氣密性非常好，在海水腐蝕的環(huán)境中也有不錯(cuò)的表現(xiàn)。

（2）不同于VGX 的是，VGX2 墊環(huán)在圓弧密封面的表面總共有2 個(gè)環(huán)槽，環(huán)槽能夠讓密封面更緊密地接觸。并且CGX2 的工作溫度、工作壓力也和VGX 不同，有著很高的可靠性和性能。

3.1.3 VT 與VT2 墊層

VT 墊環(huán)密封和VX 墊環(huán)密封有很多相似之處，是因?yàn)閂T墊環(huán)密封本就是對(duì)VX 墊環(huán)密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。井口與VT 密封墊環(huán)的部位增加了直孔結(jié)構(gòu)的密封組織，在連接器、井口頭VX密封面被劃傷時(shí)，使用VT 密封墊環(huán)在井口頭的部位建立新的密封組織，滿足油氣作業(yè)的要求。在井口頭系統(tǒng)中，VT 墊環(huán)密封是十分重要的密封處理裝置和措施。但通常不會(huì)使用這種密封。VT 墊環(huán)密封的額定壓力為103.5 MPa，其額定工作狀態(tài)溫度121 ℃。生產(chǎn)中會(huì)用到高強(qiáng)度不銹鋼，并在表面涂一層金屬銀鍍層，有著不錯(cuò)的氣密性。

圖1 海洋水下井口裝置

和VT 墊環(huán)密封最大的不同在于VT2 墊環(huán)密封的V 形密封面表面擁有1 個(gè)環(huán)槽，該環(huán)槽能將密封面徹底變成兩部分，使密封面連接更加親密。

3.1.4 DX 墊環(huán)密封

在DX 墊環(huán)密封中，其上下密封部位都有2 個(gè)平行且獨(dú)立的密封面。除此之外，密封墊環(huán)還配有保障密封面壓力平衡的平衡通道。該密封墊環(huán)的額定壓力有103.5 MPa 和69.0 MPa 兩種，該密封接觸面多，并且工作十分可靠。

3.2 環(huán)空密封

（1）VetcoGray 環(huán)空密封。這種密封所用的方法為橡膠密封和金屬密封相結(jié)合。在運(yùn)行中，使用專門(mén)的工具旋轉(zhuǎn)密封，使內(nèi)部的套管懸掛器和內(nèi)壁螺紋充分旋合而鎖定井口頭，并朝向下方擠壓密封實(shí)體展開(kāi)密封。該裝置最大工作壓力103.5 MPa，最高工作溫度在121 ℃。此外，這種密封的缺點(diǎn)也十分明顯。首先這種裝置無(wú)法跟套管懸掛器一同下入井眼進(jìn)行安裝，安裝流程麻煩而繁瑣；其次這種設(shè)備的密封使用旋轉(zhuǎn)式安裝操作方式，很有可能會(huì)劃傷設(shè)備的封面；最后是井口頭和密封做不到有效鎖定，在井內(nèi)出現(xiàn)壓力、溫度變化時(shí)有可能出現(xiàn)松動(dòng)導(dǎo)致密封失效。

（2）VetcoGray 生產(chǎn)的MS 環(huán)空密封。這種密封是全金屬密封，能解決橡膠在流體腐蝕、溫度變化帶來(lái)的負(fù)面影響。壓入頭能將密封體的局部擠壓到井口頭內(nèi)壁，鎖定密封總成和實(shí)施密封。這種密封的優(yōu)勢(shì)在于使用重力進(jìn)行安裝，所以操作比較便利。并且用壓入頭鎖定和密封局部，應(yīng)用全金屬結(jié)構(gòu)保障耐腐蝕、耐高溫和使用壽命。該密封使用兩種不同硬度的材料，被用于應(yīng)急密封和常規(guī)密封。

（3）Dril-Quip 環(huán)空密封。該型環(huán)空密封包括應(yīng)急與常規(guī)兩種規(guī)格，最突出的特征是使用了橡膠與金屬組合的方式，應(yīng)急密封用的是橡膠，常規(guī)密封用的是金屬。密封總成使用鎖緊環(huán)被控制在井口頭，能夠防止內(nèi)外因荷載變化引起的失效和松動(dòng)發(fā)生。安裝和拆卸密封的時(shí)候應(yīng)用非旋轉(zhuǎn)壓入方式，安裝時(shí)66.7 kN，回收時(shí)111.2 kN，操作便利。該裝置下部有保護(hù)結(jié)構(gòu)，能夠避免劃傷。

4 技術(shù)分析

（1）密封技術(shù)。一般情況下，水下的井口裝置密封壓力都要超過(guò)34.5 MPa。因?yàn)槊芊庋b置長(zhǎng)期身處油氣井液和海水的腐蝕性環(huán)境，安裝密封和拆卸密封都要身處海底井口，人員無(wú)法近距離操作，因此需要保障密封設(shè)計(jì)效果和質(zhì)量。密封最基本的要求就是裝卸方便、結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、耐腐蝕、壽命長(zhǎng)、能夠承受高強(qiáng)度壓力。設(shè)計(jì)中可以用三維仿真軟件、模擬試驗(yàn)、有限元分析的方法，使受力和功能更加合理。

（2）密封加工制造。大多數(shù)水下井口裝置的密封件使用不銹鋼或低碳鋼材料，這兩種材料切削性能較差、硬度高。很多時(shí)候密封部位的形狀并不規(guī)則，很容易在加工中出現(xiàn)局部應(yīng)力集中和變形問(wèn)題，無(wú)法保障加工質(zhì)量和加工精度，因此，必須重視密封制造工藝。用噴涂噴焊、擠壓成型、精密鑄造等方法保障其加工質(zhì)量和精度。

5 結(jié)語(yǔ)

雖然水下井口裝置密封裝置結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，但仍要保障其結(jié)構(gòu)先進(jìn)性。使用合適的材料和技術(shù)，保障裝置壽命和抗壓能力。從尺寸精度、結(jié)構(gòu)和功能角度出發(fā)，多借鑒其他國(guó)家的成功經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)井口裝置的國(guó)產(chǎn)化。