水下井口防腐蚀帽及其机械式取送工具的设计

张鹏举， 袁锦红， 冯建同， 郝伟修

（1.美钻能源科技（上海）有限公司，上海 200943；2.中海石油深海开发有限公司，深圳 518000）

0 引言

在海洋油气开采及生产过程中，因临时弃井需要对水下井口装置或在完井后进行生产时须对水下采油树（内置采油树帽）进行保护，常用的一种装置就是防腐蚀帽。在水下成套开采设备中，水下井口防腐蚀帽的主要功能是：防止水下井口装置或水下采油树受到岩屑、海洋生物的污染，同时对水下井口装置或水下采油树提供防腐蚀（注防腐剂）及防外物拖挂保护。考虑到防腐蚀帽本身的防腐蚀，防腐帽也须有阴极保护。防腐蚀帽通常锁定在井口头的外部锁紧型面上，取送防腐蚀帽，可用专用工具安装在钻杆并借助遥控ROV在水下进行。和其它水下设备一样，防腐蚀帽及其取送工具的设计除要满足上述的功能外，还须具有简单的安装下入操作动作即能实现锁紧定位可靠和回收取出操作简便的特点。

1 传统水下井口防腐蚀帽及其取送工具的结构及功能要求

因为防腐蚀帽要求水下安装，须设计专门的取送工具，受水下环境的限制，因而对一般水下设备及其取送工具的设计要求满足以下条件：1）水下井口防腐蚀帽的水下安装取送，一般借助专用工具及水下遥控ROV进行，受水下操控条件限制，水下遥控ROV所能承担的作业时间不能太长，同时其操控动作也相对简单（其功能已标准化），因此要求水下设备通过取送工具在水下安装时，其作业动作不能过于复杂（适于水下ROV操作），同时还能确保安装到位，可靠锁紧；2）水下设备及其取送工具设计时必须考虑到在水下安装取送时要有一定导向功能，以便于在取送操作时具有一定的定位导向功能；3）水下设备及其取送工具设计时，在水下安装取送时其锁紧及解锁操作必须简单可靠，以方便ROV操作，同时确保在安装及维修时能可靠地完成取送；4）水下设备为确保操控安全，往往采用备份式冗余设计，设计先用液控或电控操作，一旦前者失效，再考虑用机械式装置来完成取送功能。因此，机械式水下取送工具往往是最终的安全解决方式。

传统的水下井口防腐蚀帽结构如图1所示，主要由帽盖、筒罩、底座组成。帽盖主要提供取送工具安装接口，确保取送时能可靠地与防腐蚀帽实现锁紧与解锁，同时提供腐蚀液注入通道。筒罩用以罩住井口头部分，保证里面有一个相对封闭的空间，防止防腐液外溢。导向底座设计成锥形结构，以方便和水下井口自适应对中。

图1 传统的水下井口防腐蚀帽结构

2 新型水下井口防腐蚀帽及其取送工具的设计结构

针对中国南海番禺油气田的水下采油树项目，设计了一种新型的水下井口防腐蚀帽及取送工具。新型防腐蚀帽的结构组成如图2所示。

新型防腐蚀帽取送工具的设计结构如图3所示。

图2 新型防腐蚀帽

新型防腐蚀帽及机械式取送工具的设计功能如下：

1）新设计的防腐蚀帽的水下安装及取出通过其配套的防腐蚀帽取送工具完成。取送工具的本体上部可通过专用螺纹与钻杆相连，以实现对防腐蚀帽的取送操作。

2）通过旋转取送工具的摇杆，带动偏心转轴转动，因偏心转轴上的偏心凸台与可沿芯轴作垂直滑动的滑套的凹环槽构成嵌入式配合，因而偏心转轴转动时，其偏心凸台可带动滑套沿芯轴上下滑动，进而通过滑套底部的斜锥面配合推动各锁紧卡牙沿周向均布的方孔作横向移动，从而实现锁紧及解锁。

图3 新型防腐蚀帽取送工具结构

3）防腐蚀帽帽盖内腔型面与取送工具底部外圆相配合，取送工具底部的斜锥面设计以便于工具与防腐蚀帽能自适应对中。

4）防腐蚀帽下入操作：在平台上先将取送工具套入防腐蚀帽帽盖内腔，直至帽盖定位止口与防腐蚀帽帽盖上部端面相接触，然后转动摇杆至锁紧位置（指示为L-LOCK位置），此时卡牙已实现锁紧，接着将整个装置通过专用螺纹连接到钻杆，然后通过钻杆于平台将防腐蚀帽及其取送工具下入到水下井口或水下采油树的井口头上，防腐蚀帽下部的锥形导向底座设计为方便防腐蚀帽与井口头实现自适应导向对中。当防腐蚀帽罩筒内腔顶面与井口头顶部端面接触时，防腐蚀帽的弹簧锁扣自动扣紧在井口头外部锁紧型面上。此时防腐蚀帽已与井口头实现锁紧，接着通过ROV将取送工具的摇杆转至解锁位置（指示为UULOCK位置），此时提升钻杆取送工具将随钻杆取出。

5）防腐蚀帽取出操作：在平台上将取送工具与钻杆连接，此时确保取送工具的摇杆处于解锁位置，然后通过钻杆下入到水下采油树防腐蚀帽顶部帽盖接口处，将取送工具套入防腐蚀帽帽盖内腔，直至帽盖定位止口与防腐蚀帽帽盖上部端面相接触，此时通过ROV转动摇杆至锁紧位置（指示为L），然后提升钻杆便可将防腐蚀帽随同取送工具一块取出。

6）阴极保护座功能：以安装锌块对整个防腐蚀帽独立提供阴极保护。

7）防腐蚀帽及取送工具采用中空式设计，以方便进行防腐蚀液的注入。

8）防腐蚀帽取送工具对称式扶栏结构设计，以方便借助其它工具进行水下定位。

图4 新型防腐蚀帽及机械式取送工具装配状态

新型防腐蚀帽及机械式取送工具装配状态如图4所示。

3 新型防腐蚀帽及机械式取送工具的功能特点

1）由于防腐蚀帽取送工具设计采用独特的“曲轴滑块式”机构，利用偏心转轴的旋转运动带动滑块形成垂直直线运动。该机构结构紧凑、传动灵活的特点使得在水下进行防腐蚀帽取送时操作非常简单省力，设计操作力矩小于60 N·m，并且能可靠地实现锁紧与解锁，完全适应水下ROV工具的操作要求，同时这种设计结构对其它的水下装置及取送工具的设计具有很好的借鉴意义。

2）新型的弹簧式锁紧扣设计既能保证防腐蚀帽在下入时方便地与井口头实现锁紧，同时在取出时也方便脱扣解锁。

3）防腐蚀帽设计上增加了阴极保护座的设计以便安装锌块，改善防腐蚀帽的独立抗腐蚀能力。

4 结论

1）水下设备及其取送工具的设计必须适应水下工作环境特点。

2）防腐蚀帽取送工具设计采用独特的“曲轴滑块式”结构，完全满足水下ROV工具操作特点。

3）类似的机构设计完全可以应用于其它水下设备及工具的设计。

4）水下设备及工具的设计应在遵守相关标准的基础上具有充分防腐蚀性能。

［1］ ISO 13628-4-2011 Petroleum and natural gas industries design and operation of subsea production systems Part 4：subsea wellhead and tree equipment［S］.

［2］ ISO 13628-1-2005 Petroleum and natural gas industries design and operation of subsea production systems Part 1：General requirement and recommendations［S］.

［3］ ISO 13628-8-2002 Petroleum and natural gas industries design and operation of subsea production systems Part 8：Remotely Operated Vehicle （ROV）interfaceson subsea production systems［S］.