海上井噴失控井口應(yīng)急回接裝置設(shè)計(jì)探討

朱連望，蔣 凱，初德軍，杜 威，張 帥

(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)

我國(guó)海洋油氣資源豐富，是當(dāng)前重要的油氣勘探領(lǐng)域，也是未來(lái)油氣勘探和增儲(chǔ)上產(chǎn)的主要來(lái)源。但海洋油氣勘探開發(fā)作業(yè)存在較高風(fēng)險(xiǎn)，鉆井過(guò)程中如果對(duì)溢流處置不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致井噴事故發(fā)生，如不及時(shí)有效處置會(huì)進(jìn)一步惡化成井噴失控。井噴失控是油氣行業(yè)最嚴(yán)重的惡性事故之一，會(huì)造成油氣資源嚴(yán)重破壞，以及人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失、環(huán)境污染、負(fù)面輿論等嚴(yán)重后果。因此開展井噴失控應(yīng)急處置技術(shù)研究，對(duì)于保障海上油氣資源勘探開發(fā)安全具有重要意義[1-4]。

海上井噴失控應(yīng)急處置存在諸多難點(diǎn)，其處理措施主要有事故井口的割斷、拆除，新井口的安裝重建，井噴流體的控制、處理等。海洋井控應(yīng)急設(shè)備還需滿足海洋鉆井平臺(tái)、拖輪或者生產(chǎn)平臺(tái)的安裝需求[5]，其中井口重建可以實(shí)現(xiàn)泄露油氣源頭控制，為后續(xù)壓井等作業(yè)創(chuàng)造條件，是應(yīng)急搶險(xiǎn)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到搶險(xiǎn)工作的成敗。因此，設(shè)計(jì)研發(fā)適用于海上平臺(tái)的井口重建設(shè)備是十分必要的。

1 井口重建設(shè)備的類型及特點(diǎn)

油氣井井噴失控后井場(chǎng)設(shè)備損毀，井口損壞。其搶險(xiǎn)救援通常的做法是：先清除井口周圍的設(shè)備設(shè)施，切割井口。在比較嚴(yán)重的情形下井口底法蘭損壞，則在底法蘭下部套管處切割井口。如何在光套管上快速有效安裝新井口是目前研究的重點(diǎn)方向。

分瓣式套管頭采用分體式結(jié)構(gòu)，分為上、下兩部分，由鎖緊裝置連接。預(yù)先將快裝搶險(xiǎn)套管頭上半部分與防噴器通過(guò)鉸鏈連接，下半部分采用錐形分瓣式結(jié)構(gòu)的套管卡瓦，可自動(dòng)對(duì)光套管進(jìn)行中心定位并在光套管上安裝。井噴發(fā)生時(shí)通過(guò)翻轉(zhuǎn)防噴器將其扣裝到井口上，可快速準(zhǔn)確地完成搶裝作業(yè)。由于該工具對(duì)安裝精度要求較高，需要人員近距離靠近井口操作，不利于人員生命安全和快捷操作，且安裝到位后無(wú)法單獨(dú)試驗(yàn)環(huán)空密封壓力，對(duì)作業(yè)可靠性和成功率有一定影響[6-9]。

油氣井井噴失控?fù)岆U(xiǎn)用井口裝置通過(guò)生根卡瓦固定在套管上，分別關(guān)閉上部全封閘板防噴器的全封閘板總成、應(yīng)急搶險(xiǎn)防噴器頂密封倒置的閘板總成，使整套裝置構(gòu)成一個(gè)應(yīng)急搶險(xiǎn)通道，通過(guò)四通側(cè)出口進(jìn)行鉆井液分流和壓井作業(yè)。該井口重建方式具有較好的安全性和可靠性，但是裝置體積較大，對(duì)于作業(yè)環(huán)境和空間要求較高，故不適用于海上平臺(tái)井口重建和水下井口重建[10]。

水下應(yīng)急封井器是一種安裝在水下井噴井口上方，用來(lái)臨時(shí)封閉事故井眼和轉(zhuǎn)噴分流井噴流體的設(shè)備。2010 年7 月，英國(guó)石油公司制造出世界上第一套水下應(yīng)急封井裝置，并成功應(yīng)用于墨西哥灣深水地平線鉆井平臺(tái)井噴事故搶險(xiǎn)救援。作為井控應(yīng)急源頭控制系統(tǒng)裝備的一部分，與水下蓋帽、分流裝置、回收設(shè)備、回收罩以及水面船舶等相關(guān)設(shè)備組成一個(gè)源控制裝備系統(tǒng)，是水下專用井口重建裝置[11-12]。

2 應(yīng)急回接裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有井噴應(yīng)急搶險(xiǎn)井口重建設(shè)備不適用于海上井噴應(yīng)急搶險(xiǎn)，研制了一種海上井噴失控井口應(yīng)急回接裝置(圖1)，包括回接系統(tǒng)、生根系統(tǒng)、密封系統(tǒng)。該裝置主要應(yīng)用于海上油氣井井噴事故的應(yīng)急救援，不僅可以在水上井口使用，也可以在水下井口使用。

2.1 回接系統(tǒng)

即本體外殼部分，作為連接失控井口與防噴器的中間結(jié)構(gòu)，上部為API 標(biāo)準(zhǔn)法蘭，連接防噴器后實(shí)現(xiàn)封井功能；下部設(shè)置喇叭口，以便在整體下放過(guò)程中順利滑入完成與事故井的套管回接。

2.2 生根系統(tǒng)

應(yīng)急回接工具連接防噴器后整體下放過(guò)程中會(huì)受到井噴流體的沖擊，因此設(shè)計(jì)卡瓦楔形夾緊機(jī)構(gòu)，利用活塞外部的止動(dòng)機(jī)構(gòu)鎖住活塞，確保在失去液壓后仍能限制活塞移動(dòng)，確保卡瓦鎖緊力，同時(shí)由于錐度效應(yīng)，在套管受力過(guò)程中帶動(dòng)卡瓦移動(dòng)趨勢(shì)，使卡瓦更加鎖緊套管，且卡瓦錐度可以降低對(duì)套管尺寸或形狀的要求。

2.3 密封系統(tǒng)

在本體內(nèi)墻設(shè)置密封總成，依靠液壓作用擠壓密封總成實(shí)現(xiàn)高壓密封。其保護(hù)短節(jié)可以避免安裝過(guò)程中的井噴流體沖蝕損壞或火場(chǎng)中高溫?zé)龤Чぞ呙芊饪偝?。密封總成可選用類似水下套管掛的密封總成結(jié)構(gòu)，具備金屬密封功能，增強(qiáng)重建井口的密封性能和壽命。

3 工作原理及作業(yè)流程

3.1 工作原理

該工具本體上部具有連接法蘭與井口防噴器連接，在連接不同規(guī)格的套管時(shí)無(wú)需在防噴器上安裝額外轉(zhuǎn)換法蘭，僅通過(guò)更換內(nèi)部的密封套件和套管鎖緊塊即可完成與不同套管規(guī)格配合安裝，減少安裝時(shí)間和工作量，可連接7 in(177.8 mm)～16 in(406.4 mm)的套管，最高工作壓力達(dá)105 MPa。

該工具利用套管卡瓦鎖定功能將裝置與套管牢固連接。利用內(nèi)部密封滑套對(duì)裝置內(nèi)部密封件進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)密封件具備試壓功能，在井口防噴器未關(guān)閉前可對(duì)裝置與套管間的密封性能做測(cè)試，規(guī)避由于裝置與套管密封無(wú)效造成的關(guān)井失敗。該裝置有外接噴淋冷卻接口，可對(duì)內(nèi)部盤根盒進(jìn)行冷卻，可適用于水上帶火高溫環(huán)境的井口重建。

3.2 作業(yè)流程

3.2.1 接入步驟

①將應(yīng)急回接裝置與防噴器連接，下入試壓工具對(duì)防噴器與工具法蘭連接處試壓，以確保完好，備用。

②應(yīng)急回接前須對(duì)套管切割修整并確認(rèn)套管尺寸與工具配套，安裝前防噴器保持打開狀態(tài)。

③將應(yīng)急回接裝置與防噴器整體吊到回接套管上方，在導(dǎo)向喇叭口作用下導(dǎo)向?qū)χ胁⒒牍ぞ咧校谔坠芘c密封總成保護(hù)短節(jié)接觸并繼續(xù)下放工具，在重力作用下保護(hù)短節(jié)剪切銷切斷，保護(hù)短節(jié)隨著套管的進(jìn)入上移直到碰到限位環(huán)，下放10～15 t 重量確保應(yīng)急回接裝置完全下入到位。

④對(duì)液缸試壓操作，液壓將卡瓦驅(qū)動(dòng)環(huán)上行，由于卡瓦驅(qū)動(dòng)環(huán)的上行使卡瓦擠壓鎖緊在套管上，檢查下推桿位置確保鎖塊嚙合。

⑤過(guò)提20 t 檢查套管鎖緊。

⑥對(duì)液缸活塞施加操作液壓，使活塞上行擠壓套管密封總成，檢查上推桿位置，確保鎖塊嚙合到位。

⑦通過(guò)試壓接口對(duì)密封總成進(jìn)行試壓，確保套管與工具內(nèi)腔環(huán)空密封。⑧按照關(guān)井程序進(jìn)行關(guān)井作業(yè)。

3.2.2 拆除步驟

①解除套管密封總成，操作液缸維持活塞擠壓狀態(tài)，對(duì)下推桿液缸施加壓力收回鎖塊，操作液壓使活塞下行，解除對(duì)密封總成擠壓。

②卡瓦解除：維持液缸鎖緊壓力，對(duì)下推桿液缸施加壓力收回鎖塊，操作液缸將套管卡瓦驅(qū)動(dòng)環(huán)下行，卡瓦與套管分離。

③提出防噴器和工具總成，完成工具回收作業(yè)。

4 設(shè)計(jì)創(chuàng)新性分析探討

①利用類似于套管尾管懸掛卡瓦技術(shù)(鉆具卡瓦技術(shù))，通過(guò)卡瓦楔形(錐度)夾緊機(jī)構(gòu)原理通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)活塞機(jī)構(gòu)將卡瓦鎖住套管，利用活塞外部的止動(dòng)機(jī)構(gòu)鎖住活塞，確保在失去液壓后仍能限制活塞移動(dòng)，確?？ㄍ哝i緊力，同時(shí)由于卡瓦楔形(錐度)效應(yīng)，在套管受力過(guò)程中帶動(dòng)卡瓦移動(dòng)趨勢(shì)，使卡瓦更加鎖緊套管，且可以降低對(duì)套管尺寸或形狀的要求(具備一定的尺寸銹蝕和圓度偏差范圍)。

②可更換不同尺寸卡瓦總成以滿足不同套管規(guī)格，降低設(shè)備的成本和重量。

③通過(guò)更換不同規(guī)格的密封總成(套管與工具環(huán)空密封)，以適應(yīng)工具與不同套管規(guī)格的配合要求。

④利用密封總成的雙面密封作用，在安裝后無(wú)需安裝井口防噴器即可進(jìn)行套管與工具連接的環(huán)空密封性能測(cè)試，避免安裝防噴器之后出現(xiàn)套管與工具環(huán)空密封性能失效，增加移除防噴器的工作量。

⑤工具內(nèi)密封總成的保護(hù)短節(jié)(套管短節(jié))可以避免安裝過(guò)程中的井噴流體沖蝕損壞或火場(chǎng)中高溫?zé)龤Чぞ呙芊饪偝伞?/p>

⑥保護(hù)短節(jié)的剪切銷可以避免密封總成保護(hù)短節(jié)異常脫離密封總成位置而造成保護(hù)失效。

⑦密封總成可選用類似水下套管掛的密封總成結(jié)構(gòu)，具備金屬密封功能，增強(qiáng)重建井口的密封性能和壽命。

⑧內(nèi)置的噴淋接口可降低火情對(duì)工具的溫度影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)密封件的保護(hù)。

⑨下部的喇叭口具備導(dǎo)向作用且無(wú)方向要求，降低對(duì)實(shí)施條件的要求。

⑩液壓活塞的止動(dòng)機(jī)構(gòu)可以起到保護(hù)失壓安全作用，即在液壓壓力卸載后仍維持工具鎖緊能力。

5 結(jié)論

①海上井噴失控井口應(yīng)急回接裝置研制是在現(xiàn)有井口重建技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合海上平臺(tái)特點(diǎn)總結(jié)、完善、創(chuàng)新的結(jié)果。主要應(yīng)用于海上油氣井井噴事故的應(yīng)急救援中，不僅可以在海上平臺(tái)水上和水下井口使用，也適用于陸地井口。

②該技術(shù)原理可行、結(jié)構(gòu)合理、工藝適應(yīng)性強(qiáng)，能及時(shí)有效地控制住海上井噴失控事故，提高了井噴事故搶險(xiǎn)處置的及時(shí)性和有效性，增加海上平臺(tái)井口重建的成功率。

③該技術(shù)搶險(xiǎn)針對(duì)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便、安全可靠，是一項(xiàng)成功的實(shí)用技術(shù)，可減少井噴帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，減輕井噴造成的損失和影響，具有較好的應(yīng)用前景。