海洋油气井水下井口回接装置

曹 川，冯 宇，王金宏，耿 丽

（1.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京100195；2.中国石油天然气集团公司，北京100009） ①

海洋油气井水下井口回接装置

曹 川1，冯 宇2，王金宏1，耿 丽1

（1.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京100195；2.中国石油天然气集团公司，北京100009）①

海洋油气井水下井口回接是海洋油气井通过水下井口与海面采油平台建立采油采气通道的一种方法。介绍了回接连接装置的结构、组合式金属膨胀密封环的设计方案及其工作原理。该方案设计的装置结构简单、操作方便，为国内在海上油气井回接系统方面的研究提供新的设计思路。

水下井口；回接；工作原理；密封结构

海洋油气井水下井口回接是海洋油气井通过水下井口与海面采油平台建立采油、采气通道的一种方法（如图1）。当钻井平台钻完1口井后，生产平台要对该井进行生产作业，这时将回接连接装置与相应的回接管柱相连，从海面的平台下放到海底的水下井口头上，根据水深下放的回接管柱通常在几十米到上千米不等，通过回接连接装置与水下井口头的连接，来建立一条由海平面到海底的采油采气的通道［1－4］。生产平台上建立好采油树后，在最内层的回接管柱中下入油管进行采油采气作业。

图1 海洋油气井水下井口回接示意

在采油采气过程中，内层回接管柱连接的回接连接装置通常要承受很高的压力，对密封性能要求相当高。常用橡胶密封材料在恶劣的环境中容易失效或者老化，其耐高压的能力差，采用橡胶密封材料进行密封，不如金属对金属密封，因此很多海上油气井的回接连接机构中都采用金属－金属密封，但金属－金属密封机构复杂，精度高，开启密封需要很大压力。海上油气田勘探开发的成本要远高于陆上，而使用的水下设备一旦发生功能性失效，其对人员、环境以及油气田的勘探开发所造成的损失会很大。由于水下环境的特殊性，则要求回接连接的结构尽可能地简单、有效。

本文介绍了采用重力锁环式的回接连接结构，并采用通过激活方式开启的金属密封结构来提高其安全可靠性。

1 技术分析

1.1 基本结构设计

密封回接连接装置由回接连接装置本体、重力锁环、橡胶密封圈、上部金属密封环、下部金属密封环和密封环基座组成（如图2）。

图2 回接连接装置结构

回接连接装置本体中部的内壁上分布有凹陷的扭转键槽，能使后续下入的专用扭转工具上扭转键的端部插入配合，带动回接连接装置本体旋转。外壁下部的斜面台阶用于在水下井口头内相应的位置的支撑；在斜面台阶下部的环形凹槽，用于卡放重力锁环；其上部均匀分布的圆弧形凸台能承受回接连接装置本体旋转时带来的反扭矩。

重力锁环从上到下是纵截面为锯齿形的螺纹，其上有纵向断开口，当受到向外的径向力时会向外扩张。本体在旋转时带动重力锁环一起旋转。外壁上，在环形凹槽下部有橡胶密封圈，当回接连接装置本体下端插入水下井口头的套管悬挂器内，并与套管悬挂器内径配合，橡胶密封圈起到临时密封作用。1.2 组合式金属密封

在回接连接装置本体下端套有密封环基座，用剪钉将密封环基座固定在圆柱体上，并且密封环基座的下端面在圆柱体下端面之下，即密封环基座下端比圆柱体下端长3～15mm。当密封环基座受到足够大的向上推力时，密封环基座向上运动能剪断剪钉。在密封环基座的顶部与本体向下的台阶面之间有上部金属密封环和下部金属密封环。上部金属密封环和下部金属密封环是1个组合式金属膨胀密封环（如图3）。

图3 组合式金属密封

上、下部金属密封环是1个圆环体，圆环体的一侧纵剖面下部有楔形体；下部金属密封环的一侧纵剖面上部有楔形槽。上部金属密封环的楔形体插入下部金属密封环的楔形槽内。当上部金属密封环与下部金属密封环两端受到轴向压力时，上部金属密封环楔形体更深地插入下部金属密封环的楔形槽内，使下部金属密封环径向扩张，最终使下部金属密封环的外壁与套管悬挂器内孔之间形成密封。

1.3 技术特点

1） 回接连接装置直接与回接管柱连接下入，并与水下井口头内的套管悬挂器连接。

2） 采用重力锁环形成主要连接，通过弹性卡锁，旋转扭紧，来提供简单、可靠的水下井口回接连接。

3） 采用组合式金属密封结构，可通过旋转进行选择性开启，简化施工工艺。

4） 通过专用工具完成试压，密封开启，节省了工人劳动强度。

2 工作原理

回接连接装置上端连接回接管柱，并插入到水下井口头内的套管悬挂器中，重力锁环靠回接管柱自身重力滑入到套管悬挂器内壁上相应内螺纹锁槽内，然后从海面采油平台下入扭转工具，使扭转工具上的扭转键插入到回接连接装置本体内壁上的扭转键槽中，旋转扭转工具带动本体旋转，通过本体环形槽上凸台与重力锁环相对应的卡槽配合，使重力锁环旋紧在套管悬挂器内螺纹上［5］。同时，在重力锁环旋紧于套管悬挂器内螺纹过程中，由于回接连接装置下入到水下井口头内的套管悬挂器时，其下端斜面台阶坐在套管悬挂器内壁相应斜面上，其上端斜面台阶与套管悬挂器内壁相应斜面保留一定距离，使得回接连接装置本体有足够的下行空间来开启金属密封［6］。即使本体与套管悬挂器能产生相对位移，当其轴向力超过剪钉设计剪切力时，剪钉被剪断，回接连接装置本体向下运动，将上部金属密封环的楔形的圆环挤压到下部金属密封环的环形槽中，使槽的左右壁向外扩张，下部金属密封环的环形槽2个金属密封外壁分别贴合于回接连接装置本体下端外壁和套管悬挂器内壁上，起到金属密封作用。当重力锁环旋紧于套管悬挂器内壁螺纹上时，同时保持对金属密封环的挤压力，使得金属密封环始终保持密封状态。

3 结语

本文介绍的回接装置通过重力锁环形成主要连接，并采用组合式金属密封结构可通过旋转进行选择性开启，提供了简单、可靠的水下井口回接连接。该装置可减轻工人劳动强度，并为国内在回接装置方面的自主研发提供了参考。

［1］ Griffith D L.Analysis Techniques for Offshore Platform Tieback Systems［G］.SPE 11746，1983.

［2］ Pecue w w.Design and Operational Considerations for Subsea Wellhead iebacks to Deepwater（Fixed）Platforms［G］.OTC 6953，1992.

［3］ 刘承通，肖文生，叶道辉，等.深水钻井关键装备现状与选择［J］.石油矿场机械，2009，38（10）：1－4.

［4］ 侯福祥，张永红，王 辉，等.深水水下井口头系统研究［J］.石油矿场机械，2009，38（5）：26－30.

［5］ 邹阿七，郑惠如.平湖油气田井口回接技术［J］.石油钻探技术，2000，28（1）：22－23.

［6］ 张新平，余雄鹰.平湖油气田A5井水下井口重回接工艺的改进［J］.中国海上油气，2005，17（4）：265－267.

Subsea Wellhead Tieback Device for Offshore Construction

CAO Chuan1，FENG Yu2，WANG Jin－hong1，Geng Li1
（1.CNPC Drilling Research Institute，Beijing100195，China；2.China National Petroleum Corporation，Beijing100009，China）

Subsea wellhead tieback device is used to establish the channel which enables the oil or gas to be brought from subsea wellhead to production platform.The paper firstlyintroducesthestructure of subsea wellhead tieback device and the design of expandable combined metal seal ring，and then discusses about working principle of the designed device.The designed subsea wellhead tieback device is simple in structure，easy to operate，and can provide a new design concept for domestic R ＆D of tieback system.

subsea wellhead；tieback；working principle；seal structure

1001－3482（2012）01－0088－03

TE952.03

B

2011－07－29

曹 川（1985－），男，北京人，助理工程师，主要从事钻井装备与工具研究，E－mail：caochuandri＠cnpc.com.cn。