钻井作业井喷抢险装置设计

针对目前钻井作业过程中出现的井喷失控事故,设计了井喷抢险装置。该装置在远程控制下能够与光套管连接并且能可靠封闭井口,提高了井喷抢险作业的安全性。井喷抢险装置主要由支撑系统、生根系统、起升系统、对中系统、封井系统和套管卡紧系统组成。作业过程:支撑架将井喷抢险装置支撑在井口,支撑架上的液压缸推动固定架向前运动,当到达指定位置后生根系统卡紧套管本体,实现井喷抢险装置的生根;在对中系统的作用下,封井系统在水平面内前后左右运动,使封井系统的轴线与套管的轴线共线;升降系统带动封井系统下降,到达指定位置后封井系统停止运动;关闭环形防喷器和全封闸板防喷器,分别封闭封井系统与套管间的环空空间和套管内孔。对各系统进行了详细的结构设计并且利用ABAQUS有限元软件对关键零部件进行了有限元分析。分析结果表明,装置的强度与刚度均满足要求,针对目前钻井井喷事故中抢喷时间长、作业危险性高的现状,井喷抢险装置能够快速与井口光套管连接,及时制止井喷,可封闭压力达35 MPa的井口。     

井喷失控井一体化井口重建装置的研制

井喷失控是油气勘探开发过程中损失巨大的灾难性事故,必须快速恢复对井口的重新控制,而拆除旧井口后的新井口重建是最为关键、风险最高的一步。传统的井口重建装备需要人员多次近井口作业完成新井口安装,抢险人员面临巨大的安全风险且一次性成功率较低,需多次尝试。针对此种情况,研制了井喷失控井一体化井口重建装置,将原有井口重建工艺“八步法”变为“一步法”,避免抢险人员多次近井口作业。文章详细阐述了该装置的组合方式、卡紧设计及密封设计,通过有限元模拟对装置的力学性能进行校核。室内实验及应急演练表明,该装置能快速实现光套管下井喷失控井口的重建,极大简化了新井口重建流程,提高了重建效率及人员安全性,对推进井喷失控近井口作业无人化进程提供了更加完善的装备支撑。     

水下井口系统拉伸与弯曲测试工装设计与分析

水下井口系统在深水油气开采作业期间承受复杂载荷的作用，极易发生强度破坏和结构失效。目前主要通过数值模拟的手段对水下井口系统进行分析，无法准确评估水下井口在工程应用时的安全性，研制水下井口系统的专用测试设备并分析其试验过程中的结构稳定性具有重要意义。根据水下井口系统实际装配结构，自主设计了水下井口承受悬挂、拉伸、弯曲载荷下的专用测试工装。为论证测试工装结构在测试试验过程中是否会发生强度破坏，基于ANSYS Worbench建立了3种测试工装的有限元模型，分析得到不同工况下测试工装应力响应云图。计算结果表明：悬挂载荷测试时，测试工装最大应力为597.50 MPa;弯曲载荷测试时，测试工装最大应力为349.34 MPa;拉伸载荷测试时，测试工装最大应力为179.14 MPa。各部件应力均未超出材料屈服强度，能够保证测试试验的稳定运行。研究结果可为水下井口系统测试工装的研究设计提供参考。     

34.5MPa套管头完井工艺用井喷抢险装置的研制

针对HK-3型油气井井口抢险装置无法与API标准井口套管头连接的问题,研制出标准的套管头完井工艺用井喷抢险装置。该装置借助套管法兰上少量的螺栓孔,采用井下卡瓦封隔器定位原理,解决了井喷抢险装置与井口套管头连接的问题,并以34.5MPa套管头及346.08mm(135/8英寸)套管头法兰(6BX)参数为基础,对装置的结构、力学性能进行了设计和校验。样机及现场模拟试验表明,新井喷抢险装置由4人操作,15min之内能够快速、安全地将封井器等安装在井口上,新装置与套管头连接"生根"可靠、牢固,设计达到了预定的性能指标。     

新疆克75井灭火抢险技术

新疆克75井,于1992年2月在钻进过程中发生井喷着火、烧毁钻机的灾难性事故。由于该井的抢险难度大、技术复杂,四川局派出4位同志参加了这口井的抢险指导工作。该井抢险创造和采用了一些国内外先进技术:引火筒装置、井口挖坑、剥套管、套管头作底法兰、光套管上装井口等。本文详细地总结了该井的灭火抢险技术,为今后的灭火抢险工作提供了借鉴和参考。     

70MPa无火花井口安全切割装置研制及应用

井喷失控着火后，抢险救援通常需要切割井口周围障碍物、已损毁井口等，由于井口装置、障碍物等尺寸大、本体厚，切割设备在近井口极端恶劣条件下使用寿命短，导致切割效率低、作业人员安全风险高等问题。针对上述难题，优化了切割浆体射流方式，设计了双喷头结构、可互换行星减速机构、锥直型切割喷嘴等核心部件，并对喷嘴等关键设计参数进行模拟分析，优化改进，研制了适用于井喷失控井的远距离水力喷砂切割装置，有效提高切割作业效率，降低抢险救援人员近井口作业风险。     

水下应急封井装置陆地组装测试及海上运输方案

水下应急封井装置是用于临时封堵井喷失控井口，重新建立井口防喷系统，防止井喷继续发生的应急装置。该装置一般部署在陆地的应急救援点，当水下防喷器失效，海底发生井喷时，将水下应急封井装置运输并安装至井喷井口。由于海上平台安全作业至关重要，水下应急封井装置在陆地的组装测试及海上运输方案制定必不可少。只有及时解决测试时发现的问题并做好各种应急预防方案才能保证作业的顺利实施。     

水下井口套管悬挂器的敏感性及疲劳损伤分析

套管悬挂器是水下井口的关键部件之一，在温压环境等多场耦合作用下容易引发疲劳失效，破坏油气井井筒完整性。为探究套管悬挂器在复杂环境下的力学性能和疲劳损伤变化规律，以南海东方1-1气田某板块的水下井口为例，分析套管悬挂器温度分布和各类载荷，建立基于热力耦合作用的水下井口套管悬挂器精细有限元模型，对比下放、BOP试压、回收下放工具和完井采油等4种工况下套管悬挂器的力学性能和疲劳损伤，并评估温度和BOP重力等敏感性因素对水下井口套管悬挂器力学性能的影响效果。研究结果表明：在热力耦合作用下，等效应力和变形量均显著增加，井口温度对套管悬挂器性能的影响显著；最大疲劳损伤出现在BOP试压工况下，其值为1.23×10^-4 d^-1,在该工况下套管悬挂器的疲劳寿命为22.27 a,满足设计要求。研究成果对水下井筒完整性评估及深水钻采安全作业具有指导意义。     

套管悬挂器抗内压结构安全性分析

由于井身结构广泛采用非标套管,需要研制非标套管悬挂器。针对206.4mm(81/8英寸)套管悬挂器,采用理论计算与有限元仿真相结合方法。对套管悬挂器在试压(105MPa)条件下进行强度校核。研究表明:16mm壁厚时可承受最大压力120.336MPa;套管悬挂器坐封完毕,最大应力437.3MPa,低于725HS镍基合金的屈服强度(1 074MPa),套管悬挂器强度在安全范围。此研究方法可以推广到其他非标套管悬挂器的研发,研究结果对于确保油气井的正常钻采作业具有十分重要的意义。     

水下套管悬挂器螺纹连接强度分析

为保证油田的正常钻采作业,分析了水下套管悬挂器螺纹的连接强度。结果表明,套管悬挂器与套管螺纹连接组合中,最大应力出现在螺纹最后1扣,此处最容易发生屈服;内压对螺纹连接强度有较大影响,一定的内压值可以提高螺纹连接的强度;内压为20MPa时,套管挂与套管螺纹等效应力最大;内压大于20MPa时,内压对等效应力的影响有逐渐降低的趋势;随着压力等级的递增,套管螺纹等效应力在整个螺纹段更加均匀。     

分支井回接筒下放性能影响因素研究

为分析分支井回接筒下放性能，基于自主研制的回接筒，建立了非线性接触有限元模型，提出了2阶段有限元分析方法，开展了回接筒下放过程仿真，从摩擦因数、结构参数、分离角度及偏离方位角等方面对回接筒的下放性能(最大等效应力和下放阻力)进行研究。研究结果表明：建立的有限元模型及方法可实现回接筒下放过程的有效模拟，通过与地面试验结果对比，能满足工程实际需求；设计参数方面，回接筒开口长度造成最大等效应力增加，但有助于减小最大下放阻力，分离角度增加会造成最大等效力和下放阻力大幅度增大，且增幅明显；作业过程方面，摩擦因数和方位角对回接筒下放过程中结构最大等效应力影响不明显，但会造成下放阻力的增加。所得结论可为分支井完井相关设计与现场作业提供参考。     

海上导管架生产平台井喷失控处置方案

海上导管架生产平台井喷失控会造成巨大的人员伤亡、财产损失和环境污染。该文阐述国内外浅水井喷失控处置现状，分析导管架生产平台井喷失控处置的难点，提出针对性的井喷失控处置方案，涵盖消防喷淋、井场勘察、清障、重建井口、救援井、压井六项技术措施，为今后导管架平台的井控抢险作业提供技术指导。     

稠油热采工艺配套紧凑型连续管悬挂密封装置的研制

稠油热力开采过程中,为了进行连续管井下测试以掌握井下温度和压力数据并实现温压调控,需在井口配套相应的悬挂密封装置。针对原有的连续管井口密封器存在的问题,结合稠油热采井口装置高温高压工况(14 MPa,240℃),研制适合■19 mm、■32 mm的紧凑型连续管井口悬挂密封器。采用Solidworks进行实体建模,利用Workbench软件进行模拟分析,进行应力应变校核。通过室内和现场试验,验证了该装置的可靠性。     

山西ZK12-1井抢险装备及工艺技术

ZK12-1井是山西河东煤田的一口探井,正常起钻完成后发生井喷。中石油川庆钻采工艺技术研究院灭火公司在长庆钻探公司协助下经过六天时间的艰苦作业,安全、高效地完成了抢险任务。ZK12-1井钻机特殊,无任何井口装置,抢险中采用了灭火公司新研制的抢险套管头。抢险套管头成功应用和压井成功为今后油气井井喷失控抢险提供了又一宝贵经验。     

超深水完井工况水下卧式采油树结构强度评估

水下采油树作为深水完井作业的关键设备,其可靠性对深水完井作业的顺利实施有很大影响。在建立隔水管-采油树-井口-导管系统有限元模型的基础上,分析了水下采油树局部受力模型,提出了完井工况下采油树结构强度评估方法和流程,识别强度弱点部位,同时分析了作业船偏移、水深和油管长度对水下采油树应力特性的影响规律。分析结果表明,水下采油树主要受力部位为采油树主体圆筒,进、出油管道受力较小,采油树最大等效应力出现在树体上部圆筒凹槽处;水深2 500 m、作业船偏移5%时采油树等效应力710.7 MPa,接近其材料屈服强度785.0MPa;弯矩方向对采油树受力影响较大,随着弯矩方向与采油树进、出油孔道轴线的夹角在0°~360°之间变化,采油树最大等效应力变化幅度达43%。     

钻浅层塞井口防顶装置的研制及应用

在钻浅层塞作业过程中,为了防止出现井喷顶钻事故,研制了井口防顶装置。该装置是根据以最高上顶力和井口装置最低抗内压两者中最低者来选用井下作业井口控制装置的原则进行设计的。中原油田普遍使用350井口,最高耐压35 MPa,钻塞使用114 mm钻头,故设计的防顶装置承受的最低上顶力为364 kN,附加安全系数1.5倍,其承载上顶力为550 kN,能够避免防顶控制过程中上顶力对防顶装置的损坏,确保施工安全。现场应用控制防顶5口井,成功率100%,有效地解决了钻浅层塞施工中井喷防顶的难题。     

基于ANSYS的不同排列方式短管蜂窝夹套有限元分析

以短管蜂窝夹套为研究对象,采用ANSYS有限元方法,模拟分析了短管排列方式改变对夹套静应力的影响及热应力-机械场对夹套结构强度的影响,进行了夹套疲劳寿命的校核。研究结果表明,在模拟试验条件下,三角形排列方式短管蜂窝夹套结构的总体应力为212.382 MPa,最大当量应力值为266.512 MPa,内筒体内陷量为0.854 mm,外壳外凸量为0.579 mm;正方形排列方式短管蜂窝夹套结构的总体应力为170.215 MPa,最大当量应力值为199.982 MPa,内筒体内陷量为1.573 mm,外壳外凸量为1.183 mm。2种短管排列方式的蜂窝夹套结构均满足强度要求和疲劳寿命要求。     

三高井井喷失控着火井口重置关键技术与装备

“三高井”井喷失控着火后,井口火势大、热辐射高、流体冲击力强,对抢险技术、装备要求极高。井口重置作为“三高”失控井抢险救援中最关键、难度最大的环节,面临新井口下放困难、连接法兰不容易对中、人员难以近井口作业等瓶颈问题,传统的扣装法、磨装法已无法完成此任务。针对此种情况,中国石油川庆钻探工程公司经过攻关,形成了操作灵活、适用范围广、易实现对中、且对中时间短的钢丝加压法,可克服高压气流对新井口向上的冲击力的重力加压法,集卡紧装置、密封装置为一体、可以实现远程一键控制的一体化重置法。采用攻关后的“三高井”井喷失控着火井口重置关键技术及装备,已在土库曼斯坦、川渝地区、新疆地区等多口井井喷失控着火处置中发挥了极其重要作用,成功完成井口重置。目前,该技术已达到国际先进水平。     

大四通多功能井喷封堵装置研制

大四通多功能井喷封堵装置是一种针对采油树大四通本体部位发生刺漏而进行快速封堵抢险的一种专用装置。该装置完善了油气井井喷快速封堵抢险工具系列,为井口本体损坏后快速封堵抢险工艺技术提供了一种新方法。     

基于API标准的浮式平台塔形井架有限元计算

半潜式钻井平台的塔形井架承载大、高度高、工况恶劣,需重点校核其变形和应力。以某塔形井架结构及海洋环境数据为对象,建立井架有限元模型,采用API Spec 2C—2004规范确定井架的等效计算载荷,通过ANSYS软件模拟计算设计载荷作用下井架的变形位移及应力分布。结果表明,井架可满足正常作业工况下的强度要求;但在设计生存工况下井架的最大变形发生在井架顶端,达到30.28mm,最大应力发生在井架地脚与平台连接处,达到305 MPa,接近材料的屈服极限,需要引起高度关注。研究结果可为半潜式钻井平台井架设计计算与安全评定提供一定的参考。