鉆井隔水管接頭選型研究

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摘 要：隨著技術(shù)的進步和能源需求的增長以及陸上發(fā)現(xiàn)和開采難度的增大，石油開發(fā)的重心已轉(zhuǎn)向海洋尤其是深海，鉆井隔水管是深海洋油氣開發(fā)的重要設(shè)備，近年來得到迅速發(fā)展。海洋隔水管系統(tǒng)選型配置技術(shù)是海洋隔水管系統(tǒng)的核心技術(shù)，目前被國外少數(shù)公司壟斷。為突破國外相關(guān)技術(shù)的壟斷，不斷降低我國海洋油氣開發(fā)成本，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的深海資源勘探開發(fā)的核心能力技術(shù)，為我國儲備和培養(yǎng)深海油氣勘探開發(fā)核心裝備的技術(shù)人才和管線人才，研發(fā)深水裝備實現(xiàn)深海油氣勘探開發(fā)技術(shù)的發(fā)展。本文主要探索海洋隔水管系統(tǒng)配置選型的研究成果，將為我國海洋隔水管技術(shù)研發(fā)應(yīng)用提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：鉆井隔水管；海洋油氣開發(fā)；技術(shù)支持

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.074

1 引言

中國南海深水區(qū)域（水深300米～3000米）蘊藏著豐富的油氣資源，解決深水海域油氣勘探技術(shù)和裝備是油氣資源的勘探開發(fā)的重點，國內(nèi)自主研發(fā)深水裝備核心技術(shù)，突破被國外少數(shù)國家壟斷的深水勘探開發(fā)裝備的關(guān)鍵技術(shù)，初步形成自主的深水油氣勘探開發(fā)能力，為我國深水大中型油氣的勘探、開發(fā)提供核心技術(shù)支撐。

海洋隔水管系統(tǒng)選型配置技術(shù)是海洋隔水管系統(tǒng)的核心技術(shù)，目前被國外少數(shù)公司壟斷。為突破國外相關(guān)技術(shù)的壟斷，不斷降低我國海洋油氣開發(fā)成本，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的深海資源勘探開發(fā)的核心能力技術(shù)，為我國儲備培養(yǎng)深海油氣勘探的裝備開發(fā)人才，研發(fā)深水裝備實現(xiàn)深海油氣勘探開發(fā)技術(shù)的發(fā)展。

海洋隔水管系統(tǒng)配置選型的研究成果，將為我國海洋隔水管技術(shù)研發(fā)應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2 設(shè)計概述

（1）隔水管設(shè)計的環(huán)境因素分析（環(huán)境條件對隔水管的影響，如水深、波浪、海流）。

水深、地理位置、地質(zhì)條件和環(huán)境數(shù)據(jù)、船體響應(yīng)、海流、波浪、風、海底土壤特性、潮汐。

（2）隔水管設(shè)計的作業(yè)因素分析 （作業(yè)條件對隔水管的影響，如修井液密度、管線工作壓力等）。

1）設(shè)計壓力；2）設(shè)計溫度；3）內(nèi)部流體特性；4）是否具有抗腐蝕功能；5）節(jié)流壓井增壓管匯特性；6）最小隔水管內(nèi)徑；7）使用周期，頻率；8）頂部張緊力。

（3）設(shè)計需要考慮哪些方面。確定隔水管單根長度、隔水管單根及輔助管線壁厚尺寸、配置隔水管系統(tǒng)涉及設(shè)備、張緊器工作參數(shù)設(shè)計、隔水管下放/回收分析、緊急脫開后的抗反沖流分析、隔水管系統(tǒng)懸掛分析、鉆井工況分析、水下漂移分析和系統(tǒng)弱點分析、渦激振動分析和疲勞分析。

3 隔水管接頭

隔水管接頭承受載荷主要包括隔水管受拉力、內(nèi)部壓力、外部壓力、彎矩、溫度影響。選型主要考慮接頭的強度和密封性。

隔水管接頭采取的設(shè)計載荷條件為軸對稱張力。隔水管彎矩轉(zhuǎn)換為等效張力TEQ，接頭設(shè)計載荷按量值Tdesign確定。

（1）

上式：C——隔水管平均半徑，m；I——隔水管慣性距，m4；A——隔水管橫截面面積，m2；do——隔水管外徑，m；t——隔水管壁厚，m。

初始接頭計算基于較保守的假定（修井液考慮較重的16ppg，假設(shè)靜態(tài)下LMRP底部有200kips過度張力）.動態(tài)因子選1.3，經(jīng)計算，隔水管最大的頂部張力為949kips。假定彎曲應(yīng)力為10ksi。根據(jù)以上公式接頭設(shè)計載荷為：

Tdesign = T + TBQ = 1349 kips （2）

基于以上分析，選擇隔水管接頭承受1.5x106lbf，即選擇API D級。

典型的接頭類型包括：

3.1 Clip型接頭——breech lock型

Clip卡扣連接式鉆井隔水管是阿柯公司（Aker Kvaerner）設(shè)計開發(fā)的一種新型鉆井隔水管，該型號鉆井隔水管的特點是：

（1）使用上、下2層撥片式法蘭等分公母扣配合對準壓入后旋轉(zhuǎn)至到鎖定位置安裝連接形式，對接速度快捷，成功率高；

（2）內(nèi)螺紋以對焊的方式焊接在主管線上端，保證內(nèi)螺紋與主管的有效連接，在內(nèi)螺紋上設(shè)計圓形凸緣，可以支撐隔水管外圍引起的載荷；

（3）外螺紋部件以對焊的方式焊接在主管線下端，保證內(nèi)螺紋與主管的有效連接，外螺紋上設(shè)計有2個唇型密封緣；

（4）連接頭設(shè)計按照API 16R規(guī)范，整體載荷能力可達到1560噸。

法國IFP和framatome公司從上世紀80年底起就研究Clip卡扣連接型式隔水管。開發(fā)Clip卡扣連接型式隔水管能實現(xiàn)快速連接和連接可靠性的隔水管接頭，滿足大通徑，在超深水勘探開發(fā)所需的高作業(yè)壓力和高環(huán)境壓力的連接需求。

3.2 MR6H-SE接頭——Lock Dog型

MR-6H SE是維高公司（GE-Vetco Gray）近幾年新設(shè)計開發(fā)的一種鉆井隔水管系統(tǒng)，該型號產(chǎn)品設(shè)計曾獲得美國國際石油天然氣展覽會獎，其特點是：

（1）接頭設(shè)計使用卡扣連接方式，安裝和拆卸快捷、安全可靠性高；

（2）接頭連接時可完全自動化連接，使操作人員遠離接頭連接潛在的危險；

（3）外螺紋和內(nèi)螺紋設(shè)計有導向裝置，外螺紋可通過導向裝置與內(nèi)螺紋對正并連接，在卡套內(nèi)扣收縮后可自動連接并鎖定；

（4）組裝、拆卸效率非常高，為法蘭連接式裝卸效率的2倍；

3.3 法蘭螺栓型

（1）法蘭螺栓連接形式的鉆井隔水管最大可以承受1560噸的拉伸載荷，適合深水油田勘探作業(yè)環(huán)境；

（2）連接器兩端法蘭結(jié)構(gòu)相同，可以互換，在現(xiàn)場組裝時不需區(qū)分和辨認連接頭方向，能夠簡化鉆井隔水管現(xiàn)場安裝程序；

（3）連接器在上、下法蘭之間設(shè)計有內(nèi)襯套，內(nèi)襯套外壁上設(shè)計密封槽并安裝密封件，密封件與法蘭內(nèi)通徑表面良好的配合實現(xiàn)密封，安裝法蘭時只需法蘭對正安裝即可實現(xiàn)密封；

（4）螺栓、螺母的設(shè)計連接結(jié)構(gòu)通過連接套過渡與法蘭端面接觸，可延長法蘭使用壽命。

卡麥?。–ameron）公司的LoadKing隔水管系統(tǒng)使用此種類型接頭。該型連接采用機械法蘭連接，連接的可靠性非常高，但連接耗費的時間比較長，效率較低。

三種隔水管接頭的價格上相差不大，但是前兩者屬于快速接頭，可以大幅提高隔水管連接效率，降低施工成本，因此推薦前兩種，即Clip型接頭或MR-6H-SE型。由于兩種接頭都具備快速連接的優(yōu)點，且功能相似，具體型式選擇一般根據(jù)操作人員操作習慣進行選取。