（机械工程专业论文）深水水下井口头回接系统结构设计及研究.pdf

摘要 深水水下井口头回接系统是将水下井口头与平台井口连接起来实现海洋油气开发 完井的重要装备。针对不同型号的井口头，要使用专门的回接系统。设计一套适用于已 开发的4 7 6 2 5 r a m ( 1 8 3 4 ”) ，6 9 m p a 深水水下井口头的回接装置，是实现我国深水油气 勘探开发装备国产化、独立化的重要突破点。 在总结分析国外先进回接技术的基础上，对比国外典型回接工具的结构、原理、特 点，对与井口头锁紧连接的5 0 8 m m ( 2 0 ”) 回接接头的形式进行深入对比研究，确定了适 用于4 7 6 2 5 m m ( 1 8 3 4 ”) ，6 9 m p a 深水水下井口头的回接系统的组成、接头形式、回接 扭矩清洗工具等零部件的设计方案，并制定了相应的回接操作流程，为回接系统的实际 作业程序提供了参考标准。 对回接系统在工作过程中可能面临的主要影响因素进行了详细的力学分析计算，得 出了回接系统的技术参数，结合国内外海洋油气勘探开发装备的相关标准，对回接系统 的各个零部件进行详细的结构设计分析及论证，并使用u g 三维软件建立了回接系统模 型。另外，利用a n s y s 有限元分析软件，以力学分析结果和设计数据为基础，对工作 状况下的回接系统关键部件进行分析，验证设计的合理性。 关键词：深水井口头，有限元模拟，回接系统 s t r u c t u r a ld e s i g na n dr e s e a r c ho ft i e b a c ks y s t e mf o r s u b s e a 纬色h h e a d c h iy u a n d i ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x i a ow e n s h e n g a b s t r a c t t h et i e b a c ks y s t e mo f s u b s e aw e l l h e a di sa ni m p o r t a n tk i n do fe q u i p m e n tt oc o n n e c tt h e s u b s e aw e l l h e a dt ot h ew e l lo np l a t f o r mt oc o m p l e t ed e v e l o p m e n to fc o m p l e t i o nf o r d e v e l o p i n go f f s h o r eo i la n dg a s t h et i e b a c ks y s t e mi su s e ds p e c i a l l yt od i f f e r e n tt y p e so f m a t c h i n gw e l l h e a d i ti sa np a r ta n dp a r c e lo fm a k i n gd e e p w a t e ro i la n dg a se x p l o r a t i o na n d d e v e l o p m e n te q u i p m e n t st ob ed o m e s t i ca n ds e l f - d e p e n d e n tt os t u d yt i e b a c ks y s t e mo f s u b s e a w e l l h e a df o rt h ed e v e l o p e d4 7 6 2 5 m m ( 18 - 3 4 ”) ，6 9 m p ad e e pw a t e rw e l l h e a d o nt h e b a s i so fs u m m a r i z i n ga n da n a l y s i n gt h ef o r e i g na d v a n c e dt e c h n o l o g yo f t i e b a c k i n g , t h i sp a p e rc o n t r a s t e dt h es t r u c t u r e ，p r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i c so ff o r e i g nt y p i c a l t i e b a c kt o o l s ；m a d ef u r t h e rc o m p a r a t i v es t u d y i n go ft h ef o r mo f5 0 8 m m ( 2 0 ”) t i e b a c kj o i n t s ， w h i c hc o n n e c tt ot h ew e l l h e a d ；d e t e r m i n e dt h ed e s i g ns c h e m eo ft h es t r u c t u r eo ft h et i e b a c k s y s t e ma n dt h et y p eo ft h et i e b a c kj o i n t s ，w h i c ha l ea p p l i e dt o t h e4 7 6 2 5 m m ( 18 - 3 4 ”) ， 6 9 m p as u b s e aw e l l d e a d ；a n df o r m u l a t e dr e l e v a n tt h eo p e r a t i o np r o c e s so ft i e b a c k i n g , p r o v i d e sr e f e r e n c es t a n d a r df o rp r a c t i c a lo p e r a t i o np r o g r a m t h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h em e c h a n i c sc a l c u l a t i o ni n d i c a t e dt h ef a c t o r st h a tt i e b a c k s y s t e mi nw o r k i n gp r o c e s sm a yf a c ea n do b t a i n e dt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so ft h es y s t e m a l s o ，t h i sp a p e ra n a l y s i s e da n dd e m o n s t r a t e dt ot h ed e t a i l e ds t r u c t u r ed e s i g no ft h ep a r t so f t i e b a c ks y s t e m ，w i t hc o m b i n i n gt h er e l a t e ds p e c i f i c a t i o n so fd o m e s t i ca n df o r e i g no i la n dg a s e x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n te q u i p m e n t , a n de s t a b l i s h e dt h es y s t e m sm o d e lb yu s e i n gu g i na d d i t i o n ，b u i l tm o d e l so fa n s y sf m i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，f i n i s h e dt h es y s t e ms i m u l a t i o n a n a l y s i sw i t hm e c h a n i c sa n a l y s i sr e s u l t sa n dd e s i g nd a t af o rb a s i st op r o v i n gt h er a t i o n a l i t yo f t h ed e s i g n k e y w o r d s ：s u b s e aw e l l h e a d ，f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，t i e b a c ks y s t e m 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题来源以及研究意义 第一章绪论 1 1 1 课题来源 国家在“十一五 期间立项8 6 3 计划海洋技术领域“南海深水油气勘探开发关键 技术及装备，本课题来源于其第二批立项课题“海洋水下井口头系统与生产平台采油 井口系统研制技术。 近年来，通过与国际各大石油公司的合作，我国已经基本掌握海上油田开发的关键 技术，但是这一般均在常规水深范围内，深水及超深水的开发尚处于起步阶段，在很多 方面缺乏关键技术，尤其是包括深水水下井口头及其回接系统在内的海洋石油钻采装 备，目前为止基本全部需要从国外进口，这已成为我国深水油气勘探开发的瓶颈心】， 研制具有独立产权的深水勘探开发装各是打破国外设备垄断的重要突破口。 1 1 2 研究意义 当今世界范围内的油气储量正在迅速递减，陆地油气资源日渐紧缺。海洋石油资源 潜力巨大，已成为世界各大石油公司竞争的热点领域。据国外权威机构预测，未来世界 油气总储量的4 4 将来海洋领域，其中有9 0 是在水深超过1 0 0 0 m 以下的地层中，即海 洋深水领域( 国际上通常将4 0 0 m 以内水深定义为常规水深，4 0 0 m 1 5 0 0 m 水深为深水，超 过1 5 0 0 m 则称为超深水【3 】) 。我国深水海域十分广阔，尤其是海域多达2 0 0 万k m 3 的南海， 蕴藏着丰富的油气资源，石油储量约有2 3 0 亿吨3 0 0 亿吨，天然气3 3 8 万亿m 3 ，其中大部 分都处在深水区域，向深水迸军，已成为我国深海油田勘探开发的战略目标f 】。 目前，对于深水水域，国际上比较通用的钻采装置是深水半潜式平台、张力腿平台、 柱筒式( s p a r ) 平台等。近年来，深水勘探开发技术发展迅速，资金投入巨大。如何在 钻井以及完井阶段更好的释放钻机资源，迅速回收资金成为一个非常现实的问题。为此， 考虑采用半潜式钻井平台进行钻井，同时采用水下井口头回接系统及其相关配套设备进 行回接完井，不仅能够满足生产需要，还能缩短作业时训6 1 。 海上钻井成本高，油田建设周期长。采用上述水下井口头回接方案能够降低钻开发 井的投资，加快资金回收，有效节约海上油气田的开发费用。 由此可知，需要有一套回接系统将水下井口头与平台采油井口连接起来，建立起通 畅的采油通道，完成油田钻井并投产。回接操作是完井工序的最后一步，也是至关重要 第一章绪论 的一步。一旦回接失败，则可能导致整口油井的报废，造成的损失和后果是无法估量的。 因此，一套与水下井口头配套使用的回接系统是完井的重要保障，是我国目前深水油气 勘探开发完井工艺的重要装备之一。 为积极拓展海洋油气深水领域，缩短与世界先进勘探开发装备水平的差距【7 1 ，在已 有的设计建造能力基础上，运用己掌握的生产经验，研究并学习国外先进技术、装备， 创造性地研制一套适用于已开发的4 7 6 2 5 m m ( 1 8 3 4 ”) ，6 9 m p a 深水水下井1 2 1 头的回接 系统具有重要意义。 1 2 国内外回接技术发展现状 1 2 1 国内回接技术应用 我国勘探开采海洋油气的历史已经有二十多年，已经基本掌握了海洋油气开发的关 键技术，但是使用的深水水下井口头回接系统无一例外地全部依赖进口，国内并没有自 主生产的装备。然而，在2 0 世纪8 0 年代，渤海钻井公司通过对外合作对回接技术进行 了探索，随后，平湖、绥中等油气田借助国外回接设备及技术成功实现了油气田开发完 井的回接操作，为回接技术的进一步发展和研究积累了宝贵的经验。 1 、j z 2 0 2 油气田井口回接 根据多年的勘探情况得知，蕴藏在渤海海域的油田大多数是为中、小型的断块油田， 也就是国际上通常所说的“边际油田”。这些储量较少或产量较低的油田，由于经济效益 差很难投入开发。若这些“边际油田”能被开发成具有投产潜质的油田，就能缩短油田的 建设时间，减少钻勘探开发油井的成本，加快投资回收周期【8 1 。 如果能将勘探井、评价井变成可以开发利用的生产井，就能有效地降低投资。渤海 石油公司于1 9 7 4 年至1 9 7 6 年期间，在渤中地区发现了几口高产勘探井，考虑到这几口井 以后可以变成开发井，所以对每个井口都采取了保护措施，将它们保留了下来。后来通 过学习国外石油公司的水下井口保留、水下基盘、钻井装置重返井口、水下激光电视、 水下井口回接等先进技术，渤海石油公司依据辽东湾j z2 0 2 油气田的实际情况，成功应 用了井口回接技术，获得了显著的经济效益：首先，三口勘探井、评价井被成功地转为 了开发井，节省t 6 4 4 8 万元的实际钻井成本费用，大大的节约了投入成本；其次，在转 为开发井之前，根据实际井况设计并安装了水下导管架，在回接作业的同时，在陆地上 制造平台生产设施，并设计了油田开发方案，不仅在一定程度上加快了油田建设，而且 促进了资金回流。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图1 1j z 2 0 - 2 油气田井口回接工作流程图 f i 9 1 - 1 t h ef l o w - p r o c e s sd i a g r a mo f t i e b a c ko p e r a t i o ni nj z 2 0 - 2o i l f i e i d 渤海j z2 0 2 油气田回接操作是国内回接首例，不仅取得了良好的经济效益，而且 为后续的油田完井回接工艺留下了宝贵的经验。 2 、平湖油气井井口回接 1 9 9 8 年上半年，“南海6 号”在平湖油气田预钻了5 口油井、2 口气井，然后开始建 设、安装海上钻采综合平台，1 9 9 8 年8 月开始进行井口的回接作业。 这次井口回接作业主要进行了5 0 8 m m ( 2 0 ) 隔水导管、3 3 9 7 2 5 m m ( 1 3 3 8 ”) 和 2 4 4 4 7 5 m m ( 9 5 8 ”) 套管的回接。平湖油气田水下钻井基盘的水平度倾斜度为0 7 0 ，导管 架在水平方向、垂直方向的偏差也非常小，这些都为回接作业提供了有利的条件。 回接操作采用了c o o p e rc a m e r o n 公司提供的回接设备、工具，并在回接操作前做 了充分的准备，平台导管架安装的居中度相当高，这些都是回接成功必不可少的关键因 素。此次回接作业实际费时共计1 2 6 天，平均1 9 4 天井，创造了我国海上钻井完井中 3 第一章绪论 单井回接的最快记录1 9 。 然而，根据后期的观察和总结，平湖油气田的回接操作也有也有一些需改进之处： ( 1 ) 5 0 8 m m ( 2 0 ”) 隔水导管溅水区没有涂上防锈漆，海水腐蚀情况较为严重； ( 2 ) 在井口头坐放到支承板之前对其加载了1 0 0 - 1 5 0 k n 的提拉力，虽然如此，但 是投产后，由于受到产出油气带出的热量影响，两口油井的支承板随着热量向上升起， 超出了5 0 8 m m ( 2 0 ”) 隔水导管项部端面，因此坐放支承座时的提拉力应提高到 2 0 0 3 0 0 l d 叮。 3 、绥中油田平台e 1 油井套管回接 绥中3 6 1 油田中部有3 0 口水下勘探开发井，其中，有一口油井时平台的生产试验井， 于1 9 9 9 年3 月按勘探井的程序完井，由于还未安装平台导管架，为了保留该井，改为临 时性弃井，其套管回接程序为：6 0 9 6 m m ( 2 4 ”) ，3 3 9 7 2 5 m m ( 1 3 3 8 ”) ，2 4 4 4 7 5 m m ( 9 5 8 ”) 。 由于回接e 1 井2 4 ”隔水导管时，导管架已经安装就位，并且隔水管有一定程度的倾 斜，这导致了e 1 井后期的套管回接试用了多种常规回接作业方法都不成功。在这种情况 下，为了摆脱导管架限制，保证本井顺利投产，决定将1 2 1 4 ”钻具扶正器坐在 2 4 4 4 7 5 m m ( 9 5 8 ”) 套管挂上，在钻具扶正器的导向作用下，回接工具被引导进套管挂内 部，成功地完成了回接操作 1 0 】，如图1 2 所示： 图1 - 2 绥中3 6 1 - e 平台e 1 井回接 f i 9 1 2 t h ef i e - b a c kf o re 1w e l lo f3 6 - 1 - ep l a t f o r mi ns u i z h o n g 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 4 、b z3 4 3 2 d 油井回接应用 位于渤海中部的b z3 4 3 油田也是一块“边际油田”，由中外合资的日中石油株式会社 于上世纪八十年代所钻，是一口勘探井，勘探开发过程中发现，该井试油显示效果不错， 也采取了保留水下井口的措施，为以后重新启用该井做好了准备，如图1 3 所示： “。“。“r i i i - l q - s f 8 。 ! - 皇 图l - 3b z 3 4 _ 一3 2 d 井水下井口保留示意 f i g l - 3s k e t c hm a p o f s u b s e aw e l l h e a do fb z3 - 3 - 2 dk e e p - w e l l 不过该井弃井时间长达十多年，隔水导管因海水腐蚀等因素，无法使用回接工具回 接，经过分析试探，决定采取切割井口头上部的防腐帽，在3 0 ”隔水导管外面套上3 4 ”隔 水导管，内部下入2 4 ”套管，并使用固定环将这些套管与导管架连接固定，然后开始进 行回接作业【l l 】。这次回接作业根据现场特殊情况作出了妥善处理，成功实现了 3 3 9 7 2 5 m m ( 1 3 3 8 ”) 和2 4 4 4 7 5 m m ( 9 5 8 ”) 套管回接。 5 、新文昌油田群水下井口回接 新文昌油田群的钻井作业均由半潜式钻井平台完成。新文昌油田群水下井口均采用 3 层套管( 5 0 8 m m ( 2 0 7 ) ，3 3 9 7 2 5 m m ( 1 3 3 8 ) ，2 4 4 4 7 5 m m ( 9 5 87 ) ) 回接【1 2 ，水下井口与回 接工具均为c o o p e rc a m e r o n 公司的s t c 10 型井1 2 1 。 此次回接前，对5 0 8 m m ( 2 0 ”) 隔水导管进行了详细的受力分析和计算，确认了导管架 5 第一章绪论 平台生产甲板到海底井口端面的距离，使用e o v ( 水下机器人) 监测回接作业，辅助回收 防腐帽和5 0 8 m m ( 2 0 ”) 套管顺利通过导管架各层的导向孔并顺利进入海底井口内。 我国在海洋石油装备方面起步较晚，虽然国内已有几例成功回接的案例，但是缺乏 经验，所使用的井口头及与之配套的回接系统也全部依靠进口，没有自主独立的产品。 我国现有的技术水平尚不能应付更为复杂的深水海域的情况，回接系统的自主研制更是 势在必行。 1 2 2 国外回接设备发展现状 国外的海洋石油钻采装备起步较早。早在2 0 世纪8 0 年代就有应用平台回接技术回 接一些边际油田或浅水区域的水下井口头的实例，获得了良好的经济效益。2 1 世纪以来， 随着海洋钻井技术的快速发展，半潜式平台逐渐应用于深水钻井，回接技术也被引入， 并成为了不可缺少的完井关键技术之一【1 3 1 4 1 。到2 0 1 0 年，国外已成功回接水下油井7 0 0 多口，积累了相当丰富的回接操作经验，相应的回接装备研制也已经相当成熟。目前广 泛使用的主要有f m c 、a b bv e t e og r a y 、d r i l q u i p 、c o o p e rc a m e r o n 等公司的产品。 1 、f m c 水下井口头回接系统 f m c 公司设计的4 7 6 2 5 m m ( 1 8 3 4 ”) 水下井口回接系统，采用各层套管来回接 4 7 6 2 5 m m ( 1 8 3 4 ”) 工作压力6 9 m p a 的水下井口头。这套设备已经广泛应用于上百口油 井的回接操作，得到了良好的评价。 在回接系统中所有回接管柱与井口头坐放、锁紧和密封的过程中，无需扭转各层套 管，操作较为简单。采用了橡胶或者金属对金属密封结构。整个回接系统适用于 5 0 8 m m ( 2 0 ”) 3 3 9 7 2 5 m m ( 1 3 - 3 8 ”) x 2 4 4 4 7 5 m m ( 9 5 8 ”) 套管回接作业，但是也可以满足不 同尺寸的导管回接作业要求。回接接头可采用标准的4 7 6 2 5 m m ( 1 8 3 4 ”) 水下钻井设备， 不必采用专门的回接套管挂，环形密封装置或井口罩。回接系统总装图如图1 _ 4 所示： 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图1 - 4f m c 水下井口头回接系统 f i g l - 4 f m cs u b s e aw e l l h e a dt i e b a c ks y s t e m f m c 回接系统的优点如下【1 5 】： ( 1 ) 系统的锁紧和密封装置已经在水下钻井、泥线悬挂系统中得到了验证，并被 广泛使用； ( 2 ) 该回接系统不仅采用了简易的金属对金属密封，而且选用了备用弹性橡胶密 封，双重密封的形式可以很好地保证密封可靠性； ( 3 ) 内部套管采用了插入的回接方式，简化了回接操作程序； ( 4 ) 无论是对于高压井口头还是低压井口头，这套回接系统都能够完成回接作业； ( 5 ) 具有环形空间检测的功能。 2 、a b bv e t c og r a y 水下井口头回接系统 a b bv e t c og r a y 的s g 5 5 x p 型水下井口头回接系统适用于张力腿平台和固定式平 7 第一章绪论 台回接作业。a b bv e t c og r a y 的回接系统采用了传统的5 0 8 m m ( 2 0 ”) 3 3 9 7 2 5 m m ( 1 3 3 8 ”) 2 4 4 4 7 5 m m ( 9 5 8 ”) 套管回接设计，在2 0 世纪7 0 年代就开始被应用于海上油气 田开发，比其他生产回接设备的公司拥有丰富的现场经验以及更完善的产品，如图1 5 所示【1 6 】： 图1 - 5 标准的v e t e og r a y 回接系统 f i g l - 5 s t a n d a r dt i e b a c ks y s t e mo f v e t e og r a y 标准的a b bv e t c og r a y 回接系统中2 4 4 4 7 5 m m ( 9 5 8 ) 的采油管道采用的是金属对 金属的密封，连接于s g 5 5 x p 深水水下井口头的5 0 8 m m ( 2 0 ”) 回接工具底部零件是一个 导向漏斗，导向漏斗与水下井口头之间的间隙保证水下井口在发生角度偏差、横向位移 的情况下，可以找正井口头，完成回接工作。 该系统设计有专门找正井口头的漏斗形结构，万一井口头发生横向偏移或者角度偏 差，这个结构可以保证回接工具能正常与井口头连接；另外，特别地在套管挂内壁设计 了实现与回接工具密封的特殊螺纹，为回接过程中的密封性提供保障。这套回接系统还 改进了装在密封、锁紧区域的防磨补心，防止井口头内壁受到磨损。 3 、c o o p e rc a m e r o n 回接系统 c o o p e r c a m e r o n 井口头回接系统将水下井口头连接到固定生产平台上，同时要求在 生产平台上配套安装地面采油树。该公司的水下回接系统通常用于在浅海作业的浮式钻 井平台，通用性比较强，不仅可用于一井口，还可用于多井口作业；同时该回接系统具 有很强的灵活性，可在生产平台安装完成后，钻井和生产不被允许的区域提早生产。 囵 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 c o o p e r c a m e r o n 公司的回接系统采用的是内锁式、无旋转的形式，目前使用最多的 回接方案是回接5 0 8 m m ( 2 0 ”) 3 3 9 7 2 5 m m ( 1 3 3 8 ”) 和2 4 4 4 7 5 m m ( 9 5 8 ”) 三层套管，该方案 设计应用在s t c 1 0 和s t m 1 5 井口系统中，深水海洋石油开采过程中根据实际情况不同， 还存在其他类型的套管回接方案。c o o p e rc a m e r o n 公司的标准m s 一7 0 0 回接系统的结构 示意如图1 - 6 所示【17 】： 图1 - 6c o o p e rc a m e r o n 标准m s - 7 0 0 回接系统 f i g l - 6 s t a n d a r dm s 一7 0 0t i e b a c ks y s t e mo fc o o p e rc a m e r o n 由于我国海域所采用的回接系统多数为f m c 、a b bv e t e og r a y 、d r i l q u i p 、 c o o p e r c a m e r o n 公司的产品，现总这三个公司的回接系统特征如下： 表i - i国外三家公司回接接头技术特点 t a b l e l - 1t h et e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i co ft h r e ea b r o a dc o m p a n i e s f i e - b a c kc o n n e c t o r s 扭矩 锁合转动圈数试验压力超提拉力 公司名称回接接头型号( n m ( 方向) ( 口a )( k n ) ) 5 0 8 m m 内锁式 5 ( 右)6 82 7 1 28 9 0 4 f m c 3 3 9 7 2 5 m m 内锁式 l ( 右)2 0 72 7 1 21 7 8 0 9 2 4 4 4 7 5 m m 内锁式 1 ( 右)3 4 52 7 1 21 7 8 0 9 9 第一章绪论 表1 - 1 国外三家公司回接接头技术特点( 续) t a b l e l - 1t h et e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i co ft h r e ea b r o a dc o m p a n i e s t i e - b a c kc o n n e c t o r s 扭矩 锁合转动圈数试验压力超提拉力 公司名称回接接头型号 ( n m ( 方向) ( m 甲a )( k n ) ) 5 0 8 r a m 外锁式 1 2 ( 左)灌水试压2 0 3 3 71 3 3 5 7 5 0 8 r a m 内锁式 6 ( 左) 灌水试压 2 0 3 3 71 3 3 5 7 5 0 8 r a m 螺母内锁式3 5 ( 左)灌水试压2 0 3 3 71 3 3 5 7 v e t c og r a y 3 3 9 7 2 5 m m 重力坐管柱下移距离1 2 7 1 7 2 4 0 6 74 4 5 2 2 放式 1 4 0 r a m 2 4 4 4 7 5 m m 重力坐管柱下移距离1 7 7 8 m m2 4 11 3 5 5 8 5 4 3 1 7 放式 5 0 8 r a m 重力内锁式 管柱向下移动4 8 - 3 56 7 88 9 0 4 6 0 m m 5 0 8 m m 旋转内锁式4 ( 左)3 56 7 7 98 9 0 4 c o o p e rc a m e r o n3 3 9 7 2 5 m m 重力坐 管柱下移1 0 1 6 m m 1 0 3 5 4 2 34 4 5 2 放式 2 4 4 4 7 5 m m 重力坐管柱下移1 3 9 7 m m2 4 16 7 7 94 4 5 2 放式 由此可见，各公司生产的回接接头适用于不同情况，也有不同的操作方式。在自主 设计时应吸取国外先进的技术水平，结合我国海域实际情况，研制出主要适用于 4 7 6 2 5 m m ( 1 8 3 4 ”) ，6 9 m p a 深水水下井口头的回接系统。 1 3 论文主要研究内容及结构 根据前面对国内外水下井口头回接系统应用技术及装备研制的分析总结可知，虽然 井口头回接系统结构不算复杂，但其样式多变，尤其是各个尺寸接头的锁合方式、回接 系统的组成和原理、设计时应考虑的海洋复杂因素等，都是本文重点研究的内容。 现将本文的结构安排如下： 第一章阐述本研究课题的来源以及课题研究的意义，在综合分析相关资料的基础 上，详述深水水下井口头回接系统在国内外的研究及应用情况，并对其进行对比分析。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章深入分析深水水下井口头回接系统的基本组成和工作原理，重点研究各个 尺寸回接接头的连接形式，基于模块化设计理论和国内外海洋钻采装备设计规范等相关 资料，对井v i 头回接系统进行功能模块单元划分，确定适用于4 7 6 2 5 r a m ( 1 8 3 4 ”) ，6 9 m p a 井口头的回接系统的设计方案。 第三章基于前面详述的理论基础和实际应用经验，分析回接系统在海洋环境下所 受各种作用力对回接系统的影响，完成整套回接系统的结构设计，并确定典型的水下井 口回接作业程序及注意事项。 第四章对回接系统的关键部件进行a n s y s 仿真分析，并对应力集中的部件进行 校核计算，确定回接系统的力学性能，验证设计的合理性； 第五章总结本文的研究成果与不足之处，提出下一步研究的方向和内容。 第二章深水水下井口头回接系统方案设计 第二章深水水下井口头回接系统方案设计 2 1 深水水下井口头回接系统的用途及组成 2 1 1 深水水下井口头回接系统的用途 在过去，水下井口头设备最主要的功能是确认油气储备。当发现大量油气储备时， 油井通常被抛弃( 然后通过平台钻井和完井来使油田投产) 或通过水下采油树进行投产。 然而，对每口油井水下采油树安装和维护的水下完井技术费用是非常高昂的。 在1 9 世纪8 0 年代，人们越来越重视油田生产的经济性，放弃一口可生产的水下勘 探井会浪费8 1 0 百万美金。与在水下安装采油树的完井技术相比，需要一个比较经济 的方法来利用可生产的水下勘探井，使平台开发方案更富有经济性和技术性【1 8 1 9 2 0 1 。 图2 - 1 水下基盘布置图 f i 9 2 - 1t h ep l a y o u to fs u b s e at e m p l e 于是国外各大石油装备生产公司开始研究把平台和预钻的水下勘探井连接起来的 水下井口头回接系统。在开钻勘探井之前就布置水下井基盘，穿过基盘的油井槽放置用 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 来钻勘探井的标准水下井口头设备。如果发现油气储量不够，则可以废弃油井并使用回 接工具将井口头和基盘回收重新使用。如图2 1 所示。相反，如果发现可开发的油气资 源，则立即开始多排水点回收系统，为油田描述、开发以及平台建设制订计划。 随着水下井口头平台回接设备的引进，用这种方式钻出的生产探井不必永久地被放 弃。由于基盘所提供的定位，通过利用特殊的设备，这样的井可以暂时保留，以后再被 回接到基盘上方的生产平台上。 水下井口头平台回接设备的另一个优点是，在建造生产平台的同时，钻井船通过穿 过基盘的其他油井槽钻井，描述和开发油田。每个油井都被暂时保留( 像第一口油井一 样) ，然后被回接到平台从而实现完井和早期生产。 这种回接技术不但可以缩短海上油气田投产的时间，还能加速资金回流，节约钻井 成本，由于其在海洋作业的特殊性，将得到日益广泛的应用【2 1 , 2 2 , 2 3 1 。 2 1 2 深水水下井口头回接系统的组成 水下井口头回接系统是连通水下井口到地面采油装备的油气通道的重要组成部分。 根据对国外f m c 、a b bv e t c og r a y 、d r i l q u i p 、c o o p e rc a m e r o n 等公司的回接产品的 调查研究可知，一般的水下井口头回接系统大致包括：与水下井口头内表面锁合的 5 0 8 m m ( 2 0 ”) 隔水导管回接工具， 3 3 9 7 2 5 m m ( 1 3 3 8 ”) 表层套管回接工具， 2 4 4 4 7 5 m m ( 9 5 8 ”1 生产套管回接工具，用来驱动回接工具锁紧的扭转工具，与井口头密 封的密封件，用于观察水下回接情况的r o v ，以及用于回接管柱与水下井1 ：3 头之间严 重不对中情况下的套管扶正器等其他零部件。 平台安装完成之后，立即开始将水下油井回接到平台上。回接系统提供了若干套管 柱，通常地，回接两个或三个套管柱，最大的为2 0 ”或1 6 ”，最小的是3 3 9 7 2 5 m m ( 1 3 3 8 ”) ， 2 4 4 4 7 5 m m ( 9 5 8 ”) 或1 7 7 8 r a m ( 7 ”) 。最常规的流程是回接5 0 8 m m ( 2 0 ”) ，3 3 9 7 2 5 m m ( 13 3 8 ”) 和2 4 4 4 7 5 m m ( 9 5 8 ，) 套管柱【2 4 】。 2 2 深水水下井口头回接系统的方案分析及确定 2 2 1 典型回接系统的结构分析 回接工具是回接系统中最关键的组成部分。工具下端连接水下井口，上端通过各个 尺寸的套管与平台上的采油井口相连接。下面对各个尺寸的回接工具进行分析研究。 1 、5 0 8 m m ( 2 0 ”) 回接工具 1 3 第二章深水水下井口头回接系统方案设计 5 0 8 m m ( 2 0 ”) 隔水导管与井口的回接是整个回接操作流程中作业情况较为复杂、难度 比较大的一步，因为常规回接作业流程中，5 0 8 m m ( 2 0 ”) 隔水导管的直径最大，管体刚度 很强，受水下井口头偏差、井口头上方导管架误差影响较大。一般情况下，根据 5 0 8 m m ( 2 0 ”) 回接工具与井口头的锁紧方式不同，可以将其分成标准式( 内锁式) 、外锁式， 如表2 1 所示： 表2 - 15 0 8 m m ( 2 0 ”) 回接工具型式与特点对比 t a b l e 2 - 1t h et y p e sa n df e a t i i sc o n t r a s to f5 0 8 m m ( 2 0 ”1t i e b a c kt o o l 回接接头型式锁紧方式密封方式特点 标准式锁合螺纹 密封圈密封结构简单、应用广泛 ( 内锁式)内锁块( 重力型) 锁合螺纹 受井口居中度、回接 外锁式 密封圈密封 外锁块( 重力型)螺纹等限制小 以a b bv e t c og r a y 公司的回接产品为例，其5 0 8 m m ( 2 0 ”) 标准式( 内锁式) 回接工 具上部与5 0 8 m m ( 2 0 ”) 隔水导管连接并带有导向漏斗，内部有一个锁合套，回接接头坐于 水下井口头上后，下入扭矩工具旋转锁合套使之与井口头内壁上端的回接螺纹锁合，实 现锁紧功能，整个锁合过程无需转动5 0 8 m m ( 2 0 ”) 套管和回接密封，操作较为简单。 图2 2 为a b bv e t c og r a y5 0 8 m m ( 2 0 ”) 标准式( 内锁式) 回接工具结构示意图： i 、，一 图2 - 2v e t c og r a y5 0 8 m m ( 2 0 ”) 标准式( 内锁式) 回接工具 f i 9 2 25 0 8 m m ( 2 0 ”) s t a n d a r d ( i n t e r n a l ) t i e b a c kt o o lo f v e t c og r a y 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 a b bv e t c og r a y 生产的5 0 8 m m ( 2 0 ”) 外锁式与标准式( 内锁式) 回接工具不同之处是 旋转锁合套下移，推动锁块进入井口头外部锁合槽而锁紧。 5 0 8 m m ( 2 0 ”) 外锁式回接工具主要由锁合套、锁块、导向漏斗三部分组成，锁块夹在 锁合套和导向漏斗之间，锁合套和导向漏斗通过弹簧销来连接；当下放工具将回接工具 下放到指定位置时，靠重力推动锁合套向下移动，将锁紧块压入漏斗形承口内部，则锁 块井口头外轮廓上的锁紧槽相互啮合，实现了锁紧。 在5 0 8 m m ( 2 0 ”) 隔水导管的回接作业中，5 0 8 m m ( 2 0 ”) 回接工具的导向漏斗起到了良 好的导向作用，其下端的漏斗形承口能够引导5 0 8 m m ( 2 0 ”) 回接工具与水下井口头对中， 不但如此，回接工具还装有o 型圈，使之与井口头密封完好，保证回接操作的安全性和 可靠性，具体结构如图2 3 所示： 图2 - 3v e t c og r a y5 0 8 m m ( 2 0 ”) 外锁式回接工具 f i 9 2 - 3t h e5 0 8 m m ( 2 0 ”) e x t e r n a ll o c kt i e b a c kt o o l 虽然与标准式( 内锁式) 回接工具相比，外锁式回接工具结构较为复杂，但如果遇到 在水下井口头内壁上端的螺纹受到损坏、井口发生横向偏移或纵向倾斜等无法使用标准 式( 内锁式) 回接工具的情况，可以使用外锁式回接工具。 2 、3 3 9 7 2 5 m m ( 13 3 8 ”) 回接工具 3 3 9 7 2 5 m m ( 1 3 3 8 ”) 表层套管外层有5 0 8 m m ( 2 0 ”) 隔水套管的保护，使其免受海水的 腐蚀；内层有2 4 4 4 7 5 m m ( 9 5 8 ”) 生产套管的隔离，不会受到开采出的油气流的高温、高 1s 第二章深水水下井口头回接系统方案设计 压影响。因此，3 3 9 7 2 5 m m ( 1 3 3 8 ”) 套管的回接操作相对来讲比较简单，密封要求也不 高。3 3 9 7 2 5 m m ( 1 3 3 8 ”) 回接工具的结构型式比较简单，分为常规的内锁式以及重力坐 放式，其特点如表2 2 所示： 表2 - 21 3 - 3 8 ”回接工具型式与特点对比 t a b l e 2 - 2t h et y p e sa n df e a t u r e sc o n t r a s to f1 3 - 3 8 ”t i e b a c kt o o l 回接接头型式锁紧方式密封方式 特点 内锁式快速锁紧螺纹密封圈密封回接速度快、效果好 结构简单、回接程序 重力坐放式重力坐放金属面、密封圈 易于操作、可靠性高 3 3 9 7 2 5 m m ( 1 3 3 8 ”) 内锁式回接工具的下端车有锁紧螺纹，将回接工具下放到合适 的位置后，使用下放工具、扭矩工具旋转内锁式回接工具，使其下端的螺纹与井口头内 的套管挂或者防磨补心的螺纹啮合，完成锁紧，从而实现回接操作。 3 3 9 7 2 5 m m ( 1 3 3 8 ”) 重力坐放式回接工具外壁上端车有特殊的4 1 9 m m ( 1 6 1 2 ”) 锯齿 型公螺纹( 左旋) ，与5 0 8 m m ( 2 0 ”) 回接工具内壁的母螺纹连接。当3 3 9 7 2 5 m m ( 1 3 3 8 ”) 回 接工具顶端与3 3 9 7 2 5 m m ( 1 3 3 8 ”) 套管连接好后，将工具和套管一起下放，套管的重量 能够将回接工具的锯齿型公螺纹压入5 0 8 m m ( 2 0 ”) 回接工具内壁的锯齿型母螺纹内，从 而实现锁紧。图2 4 为a b bv e t c og r a y 3 3 9 7 2 5 m m ( 1 3 - 3 8 ”) 重力坐放式回接工具： 锯齿形公螺纹 j 4 - 窀 o r l 图2 - 4 v e t e og r a ys g - 53 3 9 7 2 5 m m ( 1 3 - 3 8 ”) 回接工具 f i 9 2 - 4 t h e3 3 9 7 2 5 m m ( 1 3 - 3 8 ”) t i e b a c kt o o lo fv e t e og r a ys g - 5 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 3 3 9 7 2 5 m m ( 1 3 3 8 ”) 回接工具外壁下端装有o 型密封圈，回接工具通过自身重力下 放，使得工具下部置于2 4 4 4 7 5 m m ( 9 5 8 ”) 生产套管的套管挂内壁上，通过o 型圈实现 3 3 9 7 2 5 m m ( 1 3 3 8 ”) 回接工具与2 4 4 4 7 5 m m ( 9 5 8 ”) 套管挂的密封。 3 、2 4 4 4 7 5 m m ( 9 5 8 ”) 回接工具 2 4 4 4 7 5 m m ( 9 5 8 ”) 生产套管要承受内部油气的压力，因此，该层套管的回接密封要 求较高，其回接工具形式也分为内锁式和重力坐放式两种类型，其结构形式与特点对比 如表2 3 所示。 表2 - 39 - 5 8 ”回接工具型式与特点对比 t a b l e 2 - 3t h et y p e sa n df e a t u r e sc o n t r a s to f9 - 5 8 ”t i e b a c kt o o l 回接接头型式锁紧方式密封方式特点 内锁式快速锁紧螺纹密封圈密封同接速度快、效果好 结构简单、回接程序 重力坐放式重力坐放金属面、密封圈 易于操作、可靠性高 2 4 4 4