深水钻井用水上防喷器设计

孟庆荣，屈志明

(河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北 任丘 062552)①



设计计算

深水钻井用水上防喷器设计

孟庆荣，屈志明

(河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

水上防喷器(SBOP)系统相对于水下防喷器系统，具有对平台性能要求低、作业成本低、检测和维修方便等优点，得到越来越广泛的应用。针对SBOP相对于陆地防喷器的特殊性，提出了在SBOP设计过程中，应进行法兰承载能力的评估，满足特定平台对拉力、弯矩和内压组合载荷工况的要求；由于海上环境的特殊性，应提高金属构件的耐腐蚀能力；针对平台作业使用钻杆的要求，剪切闸板应满足高等级钻杆剪切的要求，满足带压剪切和偏离中心钻杆剪切的要求。

防喷器；组合载荷；预紧力

SBOP由于使用了套管隔水管，大幅降低了环境载荷和顶部张力，提高了隔水管接头的疲劳寿命[6]。

SBOP可配套在固定式钻井平台和浮式钻井平台上。固定式钻井平台包括座底式和自升式，防喷器的配置方式和陆地基本相同；浮式钻井平台包括TLP、SPAR和半潜式等，需配置伸缩节、隔水管张力器等。

1　水上防喷器系统

SBOP系统如图1所示。在井口上面安装有水下脱断系统(SDS)，在发生紧急的情况下，快速切断隔水管与海底井口连接的通道，保证平台的安全。该系统有2个应力短节，其中一个应力短节安装在脱断系统的上端，以减少水下脱断系统与隔水管之间的刚性连接，避免应力集中；另一个应力短节安装在隔水管上端，用于减少防喷器与隔水管之间的应力集中。应力短节上端连接有张紧环，张紧器通过端部接头与张紧环连接，将张力施加给隔水管，使隔水管处于拉伸状态。在防喷器组和隔水管之间安装升高短节，增加张紧器与隔水管之间的距离，减少干涉的几率。防喷器上端安装伸缩节，伸缩节用于平台深沉运动时隔水管柱的位移补偿，伸缩节包括内外套筒，内套筒与隔水管配合，外套筒与分流器或挠性接头配合，并设计有动态密封总成。

1—井口；2—水下脱断系统；3—应力短节；4—张紧环；5—水上防喷器组；6—挠性接头；7—分流器；8—伸缩节；9—张紧器；10—升高短节；11—隔水管。

2　SBOP配置

对于水下防喷器组，以典型的第5代和第6代深水半潜式钻井平台为例，通常采用配置1台单闸板、2台双闸板防喷器和2台环形防喷器，型号为F48-105型防喷器组。在深水地平线事故发生后，提出了增加水下防喷器剪切闸板的配置要求，以提高安全性，即为3台双闸板防喷器和2台环形防喷器。其中3台双闸板防喷器分别配置1副管子闸板总成，3副变径闸板总成，1副套管剪切闸板总成和1副带密封的盲剪切闸板总成。对于水上防喷器，其配置与陆地防喷器组基本一致，包括1台单闸板、1台双闸板和1台环形防喷器，闸板防喷器分别配置1副管子闸板总成，1副盲剪切闸板总成和1副变径闸板总成，盲剪切闸板总成可同时替代全封闸板，满足空井密封的要求。

3　SBOP特殊要求

防喷器是控制井喷事故的关键设备，其安全性尤为重要，通常要求防喷器承压件具有较高的承压能力和安全系数，耐腐蚀性较好，能够有效密封井内压力，剪切能力和剪切液控压力符合钻井要求，锁紧装置安全可靠等。水上防喷器及水下防喷器除了满足上述要求外，需考虑波浪载荷、洋流载荷、风载和海水外压等的影响。尽管SBOP的载荷与水下防喷器相比由于采用了直径较小的高压隔水管和规格较小的防喷器组，使得作用在防喷器组上的载荷较小，但相对陆地防喷器来说，其作业工况较为恶劣。SBOP应满足工作、极限和生存等不同工况下拉力或压力、弯矩和内压组合载荷条件下作业的要求。另外，需考虑海洋环境的特殊性，提高防喷器耐腐蚀能力及剪切能力等。

3.1防喷器法兰承载能力评估

从防喷器的整体结构来看，在拉力、弯矩和内压组合载荷的作用下，易导致防喷器法兰连接处的钢圈密封失效，由于法兰是防喷器最薄弱的部分，在组合载荷的作用下，法兰部位最先产生强度破坏。对于钢圈槽密封失效通常可采用3种方式增加密封能力，一是依据API 17D[7]的规定，增加法兰螺栓预紧力至螺栓连接屈服强度的67%～73%；二是采用大规格法兰连接，例如可将FZ35-35型防喷器上下连接的法兰改为FZ48-70型法兰；三是可降低防喷器的工作内压。改变法兰的规格将使得防喷器组的质量增加，不便于系统接口的设计；而降低防喷器工作内压，使作业风险增加。因此，增加法兰螺栓预紧力成为组合载荷下改善法兰密封能力的首选做法。对于法兰承载能力不足，可采用提高防喷器材料等级或使用大规格法兰连接2种方式，即可采用75K或85K材料；而增大法兰规格的方式通常不予采纳。

以SBOP通常使用的FZ35-35型防喷器为例，根据API 6AF2[8]的计算方法，进行法兰在组合载荷下的能力评估。该法兰钢圈为BX160，法兰本体材料选用了非API标准材料，设计为85K，材料屈服强度为586 MPa；依据ASTM A193，连接螺栓的屈服强度为720 MPa。在螺栓预紧力分别为50 %屈服强度(360 MPa)和67 %屈服强度(480 MPa)下，以钢圈槽渗漏准则和法兰应力限制准则进行承载能力评估，如图2所示。从图2中可以看出，在拉力较大的情况下，法兰承受内压的能力已经低于防喷器的额定工作压力，且不具有弯矩的承载能力。当增加法兰螺栓预紧力至480 MPa后，其法兰承载能力提高近30%，即使在拉力达到4 000 kN时，仍然能够承受178 kN·m的弯矩，且能够有效密封35 MPa的额定压力，SBOP满足在极端载荷条件下工作的要求。

a　螺栓预紧力360 MPa(钢圈槽渗漏准则)

b　螺栓预紧力480 MPa(钢圈槽渗漏准则)

c　螺栓预紧力480 MPa(法兰应力限制准则)

3.2海上环境影响

SBOP在海上受暴风雨、洋流、风力、化学腐蚀等因素的交叉作用，工作环境较陆地更为恶劣。SBOP位于海上腐蚀区域中的大气区，海洋大气的湿度大，长时间日照，大气中含盐粒和盐雾，使钢铁表面易形成水膜，促进了电化学腐蚀[9]。防喷器承压件外表面以及裸露在外的零件表面，针对不同的使用要求，采用适用于防喷器外表面及法兰螺栓螺母在海洋环境下的涂层；适用于闸板轴和锁紧轴表面喷涂技术和密封区域合金堆焊技术。另外，在承压件的设计中，采用有限元方法进行强度校核，并保留一定的腐蚀裕量，满足平台寿命周期内的使用要求，提高海洋环境下对金属构件的腐蚀能力及可靠性。对由于涂层局部脱落引发小阳极大阴极而加剧表面腐蚀，应定期检查及时修补。

3.3剪切闸板设计

4　结论

1)通过陆地防喷器、SBOP和水下防喷器的对比分析，提出了SBOP在设计时应采取必要的措施，保证法兰在组合载荷下的承载能力；提高防喷器组的防腐蚀性能；剪切闸板应满足带压剪切和偏心钻杆剪切的要求。

2)采用API 6AF2的计算方法，对特殊设计的FZ35-35型法兰在不同通径螺栓预紧力情况下，进行了拉力(压力)、弯曲和内压组合载荷下的承载能力的评估，为不同载荷下法兰密封和强度的有效性提供理论支持，保证在其承载能力范围内作业，确保作业安全。

3)提高连接螺栓的预紧力，可有效提高法兰的承载能力。

[1]韩垚堃，苏堪华，王梓航，等.深水水上防喷器钻井技术的水下断开系统及应用[J].石油矿场机械，2016，45(2)：1-5.

[2]苏堪华，管志川，龙芝辉，等.深水SBOP钻井技术及装备发展现状[J].石油机械，2010，38(6)：11-13.

[3]Graham B，Scott E，Paul T，et al.Surface BOP：Equipment development for extending the water depth capability of a D.P.semisubmersible to 10，000ft and beyond[R].IADC/SPE 87109，2004.

[4]Steve K.Surface BOP task force to set guidelines for use[J].Drilling contractor，2003(5)：32-33.

[5]Mason D L，White C L.Surface BOP：Testing and completing deepwater wells drilled with a surface-BOP rig[J].SPE Drilling & Completion，2005(3)：54-61.

[6]Tsukada R I， Morooka C K，Yamamoto M. A comparative study between surface and subsea BOP system in offshore drilling operations[J].Brazilian journal of petroleum and gas，2007：88-94.

[7]API Spec 17D，Design and operation of subsea production systems-subsea wellhead and tree equipment.Second Edition[S].2011.

[8]API TR 6AF2，Technical report on capabilities of API integral flanges under combination of loading—Phase Ⅱ[S].2013.

[9]任强，王成良，张剑波.谈海上平台的腐蚀与防护[J].中国海洋平台，2002，17(3)：44-45.

Design of Surface BOP for Offshore Drilling

MENG Qingrong，QU Zhiming

(Rongsheng Manufacture Ltd.of Huabei Oilfield，Renqiu 062552，China)

The SBOP has more advantages than subsea drilling system，including lowering capacity derrick facility，lowering well and field-development costs.It facilitates the testing and maintaining.SBOP has received more and more applications.Some advices for SBOP design are brought forward in this paper.Firsly，flange shall provid the capacity under combination of loading，pressure，tension，and bending moments.Secondly，because of the particularity of sea，corrosion resistent of metal components shall be developed.Finally，for application of pipe in offshore drilling conditions，shear-ram could shear hiher-strength pipe and shall shear pipe under pressure and offset-center pipe.

BOP；load combination；make-up force

1001-3482(2016)10-0022-04

2016-04-21

国家高技术研究发展计划(863计划)“深水防喷器组及其控制系统工程化研制”(2013AA09A220)

孟庆荣(1975-)，女，吉林白城人，高级工程师，硕士，现从事井控装备的研发工作，E-mail：mengvvv@126.com。

TE951

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.005