钻井隔水管接头选型研究

    卢沛伟

    摘 要：随着技术的进步和能源需求的增长以及陆上发现和开采难度的增大，石油开发的重心已转向海洋尤其是深海，钻井隔水管是深海洋油气开发的重要设备，近年来得到迅速发展。海洋隔水管系统选型配置技术是海洋隔水管系统的核心技术，目前被国外少数公司垄断。为突破国外相关技术的垄断，不断降低我国海洋油气开发成本，形成具有自主知识产权的深海资源勘探开发的核心能力技术，为我国储备和培养深海油气勘探开发核心装备的技术人才和管线人才，研发深水装备实现深海油气勘探开发技术的发展。本文主要探索海洋隔水管系统配置选型的研究成果，将为我国海洋隔水管技术研发应用提供技术支持。

    关键词：钻井隔水管；海洋油气开发；技术支持

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.074

    1 引言

    中国南海深水区域（水深300米～3000米）蕴藏着丰富的油气资源，解决深水海域油气勘探技术和装备是油气资源的勘探开发的重点，国内自主研发深水装备核心技术，突破被国外少数国家垄断的深水勘探开发装备的关键技术，初步形成自主的深水油气勘探开发能力，为我国深水大中型油气的勘探、开发提供核心技术支撑。

    海洋隔水管系统选型配置技术是海洋隔水管系统的核心技术，目前被国外少数公司垄断。為突破国外相关技术的垄断，不断降低我国海洋油气开发成本，形成具有自主知识产权的深海资源勘探开发的核心能力技术，为我国储备培养深海油气勘探的装备开发人才，研发深水装备实现深海油气勘探开发技术的发展。

    海洋隔水管系统配置选型的研究成果，将为我国海洋隔水管技术研发应用提供技术支持。

    2 设计概述

    （1）隔水管设计的环境因素分析（环境条件对隔水管的影响，如水深、波浪、海流）。

    水深、地理位置、地质条件和环境数据、船体响应、海流、波浪、风、海底土壤特性、潮汐。

    （2）隔水管设计的作业因素分析 （作业条件对隔水管的影响，如修井液密度、管线工作压力等）。

    1）设计压力；2）设计温度；3）内部流体特性；4）是否具有抗腐蚀功能；5）节流压井增压管汇特性；6）最小隔水管内径；7）使用周期，频率；8）顶部张紧力。

    （3）设计需要考虑哪些方面。确定隔水管单根长度、隔水管单根及辅助管线壁厚尺寸、配置隔水管系统涉及设备、张紧器工作参数设计、隔水管下放/回收分析、紧急脱开后的抗反冲流分析、隔水管系统悬挂分析、钻井工况分析、水下漂移分析和系统弱点分析、涡激振动分析和疲劳分析。

    3 隔水管接头

    隔水管接头承受载荷主要包括隔水管受拉力、内部压力、外部压力、弯矩、温度影响。选型主要考虑接头的强度和密封性。

    隔水管接头采取的设计载荷条件为轴对称张力。隔水管弯矩转换为等效张力TEQ，接头设计载荷按量值Tdesign确定。

    （1）

    上式：C——隔水管平均半径，m；I——隔水管惯性距，m4；A——隔水管横截面面积，m2；do——隔水管外径，m；t——隔水管壁厚，m。

    初始接头计算基于较保守的假定（修井液考虑较重的16ppg，假设静态下LMRP底部有200kips过度张力）.动态因子选1.3，经计算，隔水管最大的顶部张力为949kips。假定弯曲应力为10ksi。根据以上公式接头设计载荷为：

    Tdesign = T + TBQ = 1349 kips （2）

    基于以上分析，选择隔水管接头承受1.5x106lbf，即选择API D级。

    典型的接头类型包括：

    3.1 Clip型接头——breech lock型

    Clip卡扣连接式钻井隔水管是阿柯公司（Aker Kvaerner）设计开发的一种新型钻井隔水管，该型号钻井隔水管的特点是：

    （1）使用上、下2层拨片式法兰等分公母扣配合对准压入后旋转至到锁定位置安装连接形式，对接速度快捷，成功率高；

    （2）内螺纹以对焊的方式焊接在主管线上端，保证内螺纹与主管的有效连接，在内螺纹上设计圆形凸缘，可以支撑隔水管外围引起的载荷；

    （3）外螺纹部件以对焊的方式焊接在主管线下端，保证内螺纹与主管的有效连接，外螺纹上设计有2个唇型密封缘；

    （4）连接头设计按照API 16R规范，整体载荷能力可达到1560吨。

    法国IFP和framatome公司从上世纪80年底起就研究Clip卡扣连接型式隔水管。开发Clip卡扣连接型式隔水管能实现快速连接和连接可靠性的隔水管接头，满足大通径，在超深水勘探开发所需的高作业压力和高环境压力的连接需求。

    3.2 MR6H-SE接头——Lock Dog型

    MR-6H SE是维高公司（GE-Vetco Gray）近几年新设计开发的一种钻井隔水管系统，该型号产品设计曾获得美国国际石油天然气展览会奖，其特点是：

    （1）接头设计使用卡扣连接方式，安装和拆卸快捷、安全可靠性高；

    （2）接头连接时可完全自动化连接，使操作人员远离接头连接潜在的危险；

    （3）外螺纹和内螺纹设计有导向装置，外螺纹可通过导向装置与内螺纹对正并连接，在卡套内扣收缩后可自动连接并锁定；

    （4）组装、拆卸效率非常高，为法兰连接式装卸效率的2倍；

    3.3 法兰螺栓型

    （1）法兰螺栓连接形式的钻井隔水管最大可以承受1560吨的拉伸载荷，适合深水油田勘探作业环境；

    （2）连接器两端法兰结构相同，可以互换，在现场组装时不需区分和辨认连接头方向，能够简化钻井隔水管现场安装程序；

    （3）连接器在上、下法兰之间设计有内衬套，内衬套外壁上设计密封槽并安装密封件，密封件与法兰内通径表面良好的配合实现密封，安装法兰时只需法兰对正安装即可实现密封；

    （4）螺栓、螺母的设计连接结构通过连接套过渡与法兰端面接触，可延长法兰使用寿命。

    卡麦隆（Cameron）公司的LoadKing隔水管系统使用此种类型接头。该型连接采用机械法兰连接，连接的可靠性非常高，但连接耗费的时间比较长，效率较低。

    三种隔水管接头的价格上相差不大，但是前两者属于快速接头，可以大幅提高隔水管连接效率，降低施工成本，因此推荐前两种，即Clip型接头或MR-6H-SE型。由于两种接头都具备快速连接的优点，且功能相似，具体型式选择一般根据操作人员操作习惯进行选取。