失控井井口重置底法蘭抱箍研制與應(yīng)用

劉貴義 謝意湘 王超 李紅兵 錢衛(wèi)斌

（川慶鉆探工程有限公司井控應(yīng)急救援響應(yīng)中心）

隨著油氣勘探開發(fā)向超深層、新領(lǐng)域、新層系大舉進軍，井控風(fēng)險與挑戰(zhàn)持續(xù)增大，井控工作面臨的形勢依然嚴(yán)峻，對井控技術(shù)和鉆井相關(guān)人員的要求越來越高[1]。

油氣井井噴失控[2]或著火后，因其井內(nèi)流體性質(zhì)、地層壓力、現(xiàn)場設(shè)備損毀程度、現(xiàn)場環(huán)境、現(xiàn)場氣候等不確定因素，給搶險作業(yè)帶來極大挑戰(zhàn)[3]。

井噴失控井的搶險處置包括險情勘察、冷卻掩護、清障、井口切割、井口重置等基本程序[4]。其中，井口重置是井噴失控應(yīng)急搶險的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是使井口得到有效控制的最后一步[5]。目前，失控井井口重置時，搶險人員進井口進行新井口法蘭與失控井底法蘭連接作業(yè)是井口重置作業(yè)風(fēng)險最高的環(huán)節(jié)。為了從根本上解決這個井口重置作業(yè)中風(fēng)險最高的安全問題，研制了一種具備遠(yuǎn)程液壓操作的底法蘭抱箍。底法蘭抱箍與遠(yuǎn)程液壓控制的井口重置重力加壓機具配套后，實現(xiàn)了失控井口重置作業(yè)全過程遠(yuǎn)程操作，使特殊雙法蘭短節(jié)下法蘭與失控井底法蘭連接作業(yè)無人化，有效降低了搶險人員作業(yè)風(fēng)險，踐行了“生命至上、科學(xué)救援”的搶險理念。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

目前，失控井井口重置有在失控井井口底法蘭上進行井口重置和在失控井井口光套管上進行井口重置兩種作業(yè)工況[6]。

在“高壓、高產(chǎn)”失控井井口底法蘭上進行井口重置有兩種方法：

1）搶險人員先將新井口安裝在重力加壓機具動力頭上，再通過遠(yuǎn)程遙控操作重力加壓機具將新井口運移至失控井井口上方后讓重力加壓機具動力頭下行至新井口坐在失控井井口底法蘭上，最后搶險人員靠近井口進行新井口法蘭與失控井井口底法蘭連接作業(yè)。

2）搶險人員先在失控井井口底法蘭下面安裝加壓導(dǎo)向輪，再將新井口安裝在加壓機具上，并用加壓繩將井口、底法蘭、加壓導(dǎo)向滑輪相連，然后通過遠(yuǎn)程遙控操作加壓機具加壓，將新井口坐在失控井底法蘭上，最后搶險人員靠近井口進行新井口法蘭與失控井井口底法蘭連接作業(yè)。

在“高壓、高產(chǎn)”失控井井口光套管上進行井口重置有三種方法：

1）先將新井口安裝在重力加壓機具動力頭上，再將“失控井一體化井口重置裝置”連接在新井口下法蘭上，然后通過遠(yuǎn)程遙控操作重力加壓機具將新井口運移至失控井井口上方后讓重力加壓機具動力頭下行至光套管套入“一體化井口重置裝置”內(nèi)，最后通過遠(yuǎn)程遙控操作關(guān)閉一體化井口重置裝置半封閘板防噴器。

2）先在光套管上安裝搶險套管頭，再將新井口安裝在重力加壓機具動力頭上，然后通過遠(yuǎn)程遙控操作重力加壓機具將新井口運移至失控井井口上方后讓重力加壓機具動力頭下行至新井口坐在失控井井口搶險套管頭上，最后搶險人員靠近井口進行新井口法蘭與搶險套管頭法蘭連接作業(yè)。

3）在光套管上安裝搶險套管頭，再在搶險套管頭下面安裝加壓導(dǎo)向輪，然后將新井口安裝在加壓機具上，并用加壓繩將井口、搶險套管頭、加壓導(dǎo)向輪相連，最后通過遠(yuǎn)程遙控操作加壓機具加壓，將新井口坐在搶險套管頭上后，搶險人員靠近井口進行新井口法蘭與搶險套管頭法蘭連接作業(yè)。

以上方法中，“失控井一體化井口重置裝置”在“高壓、高產(chǎn)”失控井井口光套管上進行井口重置時，搶險人員雖不用靠近井口進行新井口法蘭與失控井井口底法蘭連接作業(yè)，但裝置還未形成系列產(chǎn)品，其安全性、可靠性還有待檢驗。而其它方法不但作業(yè)效率低，還需要搶險人員進入危險區(qū)域，長時間在高溫、噪音等惡劣環(huán)境中作業(yè)。為了降低作業(yè)人員風(fēng)險，提高失控井井口重置作業(yè)效率[7]，提出了“高壓、高產(chǎn)”失控工況下安全快速實現(xiàn)新井口法蘭與失控井底法蘭連接的需求。

2 底法蘭抱箍結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了在失控井井口重置惡劣的作業(yè)環(huán)境下順利完成新井口法蘭與失控井底法蘭連接作業(yè)，該底法蘭抱箍摒棄了新井口法蘭與失控井底法蘭需要螺栓連接的設(shè)計理念，采用了液壓式抱箍的結(jié)構(gòu)設(shè)計，液壓式底法蘭抱箍結(jié)構(gòu)見圖1，抱箍主要包括：懸掛機構(gòu)、浮動承重桿、抱箍導(dǎo)向桿、抱箍、手動鎖緊螺母、開關(guān)液缸等。

圖1 液壓式底法蘭抱箍結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of hydraulic bottom flange hoop

底法蘭抱箍由兩瓣組成，兩瓣抱箍與液缸通過連接銷連接固定，底法蘭抱箍及液缸通過懸掛機構(gòu)與特殊雙法蘭短節(jié)連接固定，而特殊雙法蘭短節(jié)安裝在防噴器組下方，防噴器組上法蘭與重力加壓機具連接。

井口重置時，先用遙控重力加壓機具將防噴器組及液壓式底法蘭抱箍送至失控井井口底法蘭上方，再由導(dǎo)向限位弧形塊實現(xiàn)特殊雙法蘭短節(jié)下法蘭與失控井底法蘭快速對中，最后通過遙控關(guān)閉抱箍液缸，使液壓油從開關(guān)液缸中間進油，兩端回油，液缸兩端缸桿縮回，抱箍經(jīng)導(dǎo)向桿抱合，特殊雙法蘭短節(jié)下法蘭與失控井底法蘭無需螺栓就能實現(xiàn)連接，保障了在惡劣的井口重置環(huán)境下可以實現(xiàn)井口重置，有利于加快失控井搶險進程。

3 關(guān)鍵問題

石油天然氣鉆井采油設(shè)備中，法蘭間用抱箍連接及螺栓連接都有相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[8]。抱箍連接時，連接的兩個法蘭采用斜坡的榖式設(shè)計；螺栓連接時，兩個法蘭采用直臺階的盤式設(shè)計。該裝置在不改變原底法蘭的情況下將螺栓連接改為抱箍連接，且實現(xiàn)液控操作。要完成這些功能，抱箍的設(shè)計需要解決幾個關(guān)鍵問題：

1）抱箍關(guān)閉時，如何在原底法蘭下部為直角臺階的情況下將抱箍的水平方向的力轉(zhuǎn)換為上下方向的法蘭安裝預(yù)緊力。

為有效解決這一問題，該底法蘭抱箍采用了兩個關(guān)鍵設(shè)計創(chuàng)新：一是設(shè)計一個特殊的雙法蘭短節(jié)，下法蘭的上端面設(shè)計為斜面；抱箍設(shè)計為非對稱式結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)原常規(guī)底法蘭的連接及法蘭的連接卡緊，非對稱底法蘭抱箍見圖2。二是因底法蘭下端面為水平直角，抱箍關(guān)閉時要將底法蘭抱緊，抱箍需要有一個向上的移動動作。為此，抱箍的承重桿可上下浮動，確保抱箍處于開位時與底法蘭下端面有一定間隙，抱箍關(guān)閉的同時向上移動，順利抱合及卡緊底法蘭。

圖2 非對稱底法蘭抱箍Fig.2 Asymmetric bottom flange hoops

2）抱箍關(guān)閉時，可能出現(xiàn)因開關(guān)液缸速度不一致導(dǎo)致抱箍在底法蘭周向的預(yù)緊力不一致，從而出現(xiàn)法蘭密封墊環(huán)無法實現(xiàn)有效密封的問題。為避免這一情況的出現(xiàn)，設(shè)計了四根抱箍開關(guān)導(dǎo)向桿[9]。導(dǎo)向桿還可避免液缸桿因承受較大的徑向力而發(fā)生失效。導(dǎo)向桿的兩端設(shè)計具備鎖緊功能的手動鎖緊螺母，可防止液壓失效導(dǎo)致抱箍失控的次生事故。

4 試驗效果

4.1 功能試驗

將防噴器組、液壓式底法蘭抱箍從上到下的順序連接在遙控重力加壓井口重置機具上，然后連接液壓式底法蘭抱箍液控管線與遙控重力加壓井口重置機具的備用液壓控制回路，測試各動作正常。在模擬井噴失控條件下，通過遙控重力加壓井口重置機具向下加壓，特殊短節(jié)下法蘭與失控井底法蘭對中貼合，遠(yuǎn)程遙控液壓關(guān)閉抱箍，井內(nèi)流體從防噴器上方噴出，特殊短節(jié)下法蘭與失控井底法蘭之間無流體刺漏，達(dá)到了特殊短節(jié)下法蘭與失控井底法蘭連接效果。

4.2 壓力測試

測試的是35-70井口法蘭規(guī)格的液壓式底法蘭抱箍。將相應(yīng)規(guī)格防噴器組連接在井口重置底法蘭抱箍上，再將壓力測試盲板法蘭放置在液壓式底法蘭抱箍下方，最后用液壓關(guān)閉液壓式底法蘭抱箍進行壓力測試。

試壓70 MPa，液壓式底法蘭抱箍無變形、特殊短節(jié)下法蘭與失控井底法蘭之間無刺漏、無壓降，底法蘭抱箍壓力測試數(shù)據(jù)見表1。表明液壓式底法蘭抱箍的預(yù)緊力足夠使密封墊環(huán)變形密封，特殊雙法蘭短節(jié)的斜角及液缸關(guān)閉的力達(dá)到法蘭連接的預(yù)緊力要求。手動鎖緊螺母安裝后，將抱箍液缸液壓油卸載，試壓70 MPa，抱箍連接位置無泄漏，手動鎖緊功能達(dá)到了防止抱箍液缸液壓失效的效果[10]。

表1 底法蘭抱箍壓力測試數(shù)據(jù)Tab.1 The pressure test data of bottom flange hoop

從以上試驗可以看出，采用液壓式底法蘭抱箍進行新井口法蘭與失控井口底法蘭連接作業(yè)，避免了搶險人員在近井口進行法蘭連接作業(yè)，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程一鍵完成新井口法蘭與失控井底法蘭連接作業(yè)，從根本上降低了搶險人員的作業(yè)風(fēng)險。

但是，從試驗過程中發(fā)現(xiàn)，液壓式底法蘭抱箍的特殊雙法蘭短節(jié)下法蘭與失控井底法蘭對中過程耗費的時間較長，判斷特殊雙法蘭短節(jié)下法蘭是否與失控井底法蘭完全對中較為困難，且容易損壞密封墊環(huán)。為此，在特殊雙法蘭短節(jié)側(cè)方設(shè)計了導(dǎo)向限位對中機構(gòu)，該機構(gòu)采用弧形設(shè)計，當(dāng)特殊雙法蘭短節(jié)下法蘭下移動與失控井底法蘭靠近，由弧形板導(dǎo)向限位，快速實現(xiàn)特殊雙法蘭短節(jié)下法蘭與失控井底法蘭的對中作業(yè)。導(dǎo)向限位對中機構(gòu)見圖3。

圖3 導(dǎo)向限位對中機構(gòu)Fig.3 Guide limit centering institutions

4.3 應(yīng)用情況

失控井井口重置底法蘭抱箍已在中國石油井控應(yīng)急救援響應(yīng)中心實訓(xùn)場井口重置訓(xùn)練和中國石油2021年井控警示月井噴失控應(yīng)急實戰(zhàn)演練中應(yīng)用。

失控井井口重置底法蘭抱箍通過遠(yuǎn)程操作重力加壓機具下移，先由弧形導(dǎo)向限位板完成特殊雙法蘭短節(jié)下法蘭與失控井底法蘭對中作業(yè)，再用液壓遠(yuǎn)程關(guān)閉抱箍液缸，快速完成特殊雙法蘭短節(jié)下法蘭與失控井底法蘭連接作業(yè)。

5 結(jié)論

裝置利用抱箍的特殊結(jié)構(gòu)，在失控井新井口重置時，通過遠(yuǎn)程遙控?fù)岆U機具，先用弧形導(dǎo)向限位塊完成法蘭對中，再用液壓控制法蘭抱箍卡緊法蘭，一步快速完成新井口法蘭與失控井底法蘭的連接緊固作業(yè)，避免了搶險人員到近井口進行法蘭連接螺栓的緊固作業(yè)導(dǎo)致的身體傷害，踐行了“生命至上、科學(xué)救援”的搶險理念。

失控井井口重置底法蘭抱箍研制成功，實現(xiàn)了失控著火井搶險技術(shù)與搶險機具的迭代更新，提高了油氣井井控應(yīng)急救援保障能力，提高了失控井搶險效率，加快了失控井搶險進程，減少了失控油氣的浪費和對環(huán)境的污染，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益與社會效益不可估量，必將在失控井搶險中得到良好的應(yīng)用。