海洋钻井井口承压保护装置的研制

刘景超 黄毓祥 周文博

（1.西安石油大学，陕西西安 710065；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

随着油田开发的不断深入，批钻批完作业应用广泛，钻井作业后敞放井口的情况越来越多，若在油管四通和采油树未到货的情况下进行钻井作业，钻井作业后只能敞放井口，存在安全隐患风险，在固井质量不合格的情况下，套管内外都有油气溢出，没有安装油管四通，生产套管和表层套管环空无法进行控制压力；由于没有安装采油树或盲法兰，无法控制套管内的压力，有可能导致井涌、井喷等事故［1-5］。针对上述安全问题，结合海上油气田的实际情况，研制开发了井口承压保护装置。该装置能够在钻井作业结束后直接安装在套管头或油管四通上，通过试压检验密封性，能够监测井内压力变化，在发生溢流井涌的情况下能够进行压井作业，另外，安装井口承压保护装置后，可以防止井内落物，使生产套管内外的压力受到控制，保证作业安全。

1 结构及主要功能

1.1 结构

海洋钻井井口承压保护装置结构见图1。当针阀打开时，压力表可以时刻监测该装置的内部压力；当需要更换压力表时，只需关闭针阀，即可更换压力表。

图1 海洋钻井井口承压保护装置

该装置设计和制造完全符合API规范要求，具有集成程度高、密封性能好、操作方便灵活、性能稳定可靠等优点，填补海油井口保护空白，能够显著提高批钻批完钻井模式的安全性。

1.2 主要功能

（1）监测井内压力变化。安装井口承压保护装置后，钻杆旋塞阀处于关闭状态，此时压力表时刻监测井内压力变化情况，一旦出现压力异常情况，报警装置启动，及时报警，具有泄压功能。

（2）该装置上安装有泄压阀，当井内压力不太高时，可以开启泄压阀，方便泄压。

（3）挤推压井法。直接在该装置上连接循环接头（4-1/2IF公扣×1502扣），在1502扣接上压井管线，打开保护装置上的旋塞阀即可实施。

（4）置换压井法。在旋塞阀接头上连接防喷管，并试压合格；然后下入连续油管（可适用直径38.1～60.325 mm的油管），在管柱上安装单流阀，利用防喷管的功能，防止在下入连续油管时发生无节制外溢或喷涌；连续油管下到位后，从连续油管内泵入压井液，从防喷管或油管四通翼阀回收井内流体，提高井内液柱压力，恢复井下压力平衡。

2 安全性分析

井口承压保护装置通过法兰安装在井口上，正常情况下内部没有压力，当井内压力过高，出现井涌、溢流等情况时，井口承压保护装置内部受到来自井内液体的压力，此时，其本体的受力如图2所示。

图2 本体受力示意图

2.1 本体可靠性计算分析

本体的材料为30CrMo，经调质处理，其屈服强度为 σb=620 MPa，许用应力 σs=410 MPa，设置该装置的极限工作压力为34.474 MPa（5 000 psi）。

如图2所示，本体为筒状，D1=346.1 mm，D2=481 mm，桶盖面积A=π/4=94 031.49 mm2,最薄壁处为侧壁，侧壁横截面积A1=π（–）/4=87 586.995 mm2,此处受到来自桶盖的拉力F和轴向拉力强度p1为

式中，p为本体工作抗压强度，取34.474 MPa。

计算本体内部所能承受的极限荷载（安全系数取 0.8）。当 pmax=σs=410 MPa时，材料达到极限，此时轴向所受拉力

液体抗压强度

乘以安全系数，即当装置内部压力达到44 214 psi（305 MPa）时，装置所用30CrMo材质达到其屈服强度。

2.2 螺栓强度校核

连接螺栓的材质为42CrMo，调质处理，其屈服强度σb=900 MPa，许用应力σs=650 MPa。本体下端直径D=408 mm,设置该装置的极限工作抗压强度为 34.474 MPa（5 000 psi）。

本体下端面面积

故此处所受拉力F下为

每只螺栓受力

螺栓直径41.28 mm，则螺栓横截面积

则螺栓所受轴向拉力p2为

计算螺栓所能承受的极限荷载（安全系数取3）。当p2=σs=650 MPa时，材料达到极限，此时轴向所受拉力

此时，液体压力p下为

即当装置内部压力达到15 440 psi（106.5 MPa）时，螺栓所用42CrMo材质达到其屈服强度。

3 现场应用

3.1 应用背景

陆丰13-1某调整井根据作业计划，在弃井起完生产管柱后先转入其他井修井作业，等修井结束后再继续调整井作业。如果按照以往的设施条件和井控规定，就需要安装采油树，需要作业工期和成本，若井下发生溢流井涌，现场处理手段有限。在此背景下，甲方准备使用井口承压保护装置。

3.2 现场应用

井口承压保护装置在现场作业之前，先进行了JSA安全风险分析，重点关注了吊装、安装、试压等环节的风险分析，从而保证了整个作业过程的安全有序进行。施工步骤如下。

（1）安装井口承压保护装置之前，再次检查其法兰面，确认无问题后，均匀涂抹上黄油。

（2）钻杆提丝连接钻杆旋塞阀（考克），穿好吊带。用绞车将井口承压保护装置缓缓往下送至进口，装置送入过程中，应系好牵引绳，防止工具在送入过程中剧烈摆动。

（3）将装置安装到油管四通上，用螺栓进行连接、紧固，针阀及压力表、报警装置安装完毕。

（4）通过油管四通进行试压作业：用专用手柄将旋塞阀关闭，打开压力表前的针阀，试压流体通过油管四通翼阀进入到井口保护装置，观察压力表变化。试压到额定压力，压力表读数稳定，装置无泄漏，装置可以正常工作。

（5）监测读数及报警情况。井口承压保护装置安装到油管四通正常工作期间，作业人员应密切关注压力表读数情况，实时了解井下压力情况。发现异常情况应及时汇报给当班监督，以便第一时间采取相应的井控措施。

3.3 应用结果

现场工程师记录的不同时段的压力表的读数均为0。经现场安装使用，证明本装置密封性能好，性能稳定可靠，操作方便灵活，能够有效监测井内压力变化，提前预警，防止井内油气溢出；同时，可以通过压井控制套管内的压力，有效防止井涌、井喷等事故的发生。

4 结论

（1）海洋钻井井口承压保护装置能够进行压力监测，及时发现溢流、井涌等复杂情况。

（2）该装置有效地防范了批钻批完钻井作业模式存在的安全隐患风险，具有质量稳定可靠，应急反应快，安全性能好等特点。

（3）该装置有助于钻完井作业安全进行，有利于保护不可再生的油气资源，避免环境污染，具有显著的经济效益和社会效益。

［1］ 马宗金.总结经验教训提高天然气井钻井井控能力［J］.钻采工艺， 2004，27（4）：1-5.

［2］ 李欣嵘，王玉，鲁泽斐.欠平衡钻井井涌井漏监测系统［J］.仪器仪表用户， 2012，19（1）：21-25.

［3］ 周英操，高德利，刘永贵.欠平衡钻井环空多相流井底压力计算模型［J］.石油学报，2005，26（2）：96-99.

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