失控井井口重置底法兰抱箍研制与应用

刘贵义 谢意湘 王超 李红兵 钱卫斌

（川庆钻探工程有限公司井控应急救援响应中心）

随着油气勘探开发向超深层、新领域、新层系大举进军，井控风险与挑战持续增大，井控工作面临的形势依然严峻，对井控技术和钻井相关人员的要求越来越高[1]。

油气井井喷失控[2]或着火后，因其井内流体性质、地层压力、现场设备损毁程度、现场环境、现场气候等不确定因素，给抢险作业带来极大挑战[3]。

井喷失控井的抢险处置包括险情勘察、冷却掩护、清障、井口切割、井口重置等基本程序[4]。其中，井口重置是井喷失控应急抢险的关键环节，也是使井口得到有效控制的最后一步[5]。目前，失控井井口重置时，抢险人员进井口进行新井口法兰与失控井底法兰连接作业是井口重置作业风险最高的环节。为了从根本上解决这个井口重置作业中风险最高的安全问题，研制了一种具备远程液压操作的底法兰抱箍。底法兰抱箍与远程液压控制的井口重置重力加压机具配套后，实现了失控井口重置作业全过程远程操作，使特殊双法兰短节下法兰与失控井底法兰连接作业无人化，有效降低了抢险人员作业风险，践行了“生命至上、科学救援”的抢险理念。

1 技术现状

目前，失控井井口重置有在失控井井口底法兰上进行井口重置和在失控井井口光套管上进行井口重置两种作业工况[6]。

在“高压、高产”失控井井口底法兰上进行井口重置有两种方法：

1）抢险人员先将新井口安装在重力加压机具动力头上，再通过远程遥控操作重力加压机具将新井口运移至失控井井口上方后让重力加压机具动力头下行至新井口坐在失控井井口底法兰上，最后抢险人员靠近井口进行新井口法兰与失控井井口底法兰连接作业。

2）抢险人员先在失控井井口底法兰下面安装加压导向轮，再将新井口安装在加压机具上，并用加压绳将井口、底法兰、加压导向滑轮相连，然后通过远程遥控操作加压机具加压，将新井口坐在失控井底法兰上，最后抢险人员靠近井口进行新井口法兰与失控井井口底法兰连接作业。

在“高压、高产”失控井井口光套管上进行井口重置有三种方法：

1）先将新井口安装在重力加压机具动力头上，再将“失控井一体化井口重置装置”连接在新井口下法兰上，然后通过远程遥控操作重力加压机具将新井口运移至失控井井口上方后让重力加压机具动力头下行至光套管套入“一体化井口重置装置”内，最后通过远程遥控操作关闭一体化井口重置装置半封闸板防喷器。

2）先在光套管上安装抢险套管头，再将新井口安装在重力加压机具动力头上，然后通过远程遥控操作重力加压机具将新井口运移至失控井井口上方后让重力加压机具动力头下行至新井口坐在失控井井口抢险套管头上，最后抢险人员靠近井口进行新井口法兰与抢险套管头法兰连接作业。

3）在光套管上安装抢险套管头，再在抢险套管头下面安装加压导向轮，然后将新井口安装在加压机具上，并用加压绳将井口、抢险套管头、加压导向轮相连，最后通过远程遥控操作加压机具加压，将新井口坐在抢险套管头上后，抢险人员靠近井口进行新井口法兰与抢险套管头法兰连接作业。

以上方法中，“失控井一体化井口重置装置”在“高压、高产”失控井井口光套管上进行井口重置时，抢险人员虽不用靠近井口进行新井口法兰与失控井井口底法兰连接作业，但装置还未形成系列产品，其安全性、可靠性还有待检验。而其它方法不但作业效率低，还需要抢险人员进入危险区域，长时间在高温、噪音等恶劣环境中作业。为了降低作业人员风险，提高失控井井口重置作业效率[7]，提出了“高压、高产”失控工况下安全快速实现新井口法兰与失控井底法兰连接的需求。

2 底法兰抱箍结构设计

为了在失控井井口重置恶劣的作业环境下顺利完成新井口法兰与失控井底法兰连接作业，该底法兰抱箍摒弃了新井口法兰与失控井底法兰需要螺栓连接的设计理念，采用了液压式抱箍的结构设计，液压式底法兰抱箍结构见图1，抱箍主要包括：悬挂机构、浮动承重杆、抱箍导向杆、抱箍、手动锁紧螺母、开关液缸等。

图1 液压式底法兰抱箍结构Fig.1 The structure of hydraulic bottom flange hoop

底法兰抱箍由两瓣组成，两瓣抱箍与液缸通过连接销连接固定，底法兰抱箍及液缸通过悬挂机构与特殊双法兰短节连接固定，而特殊双法兰短节安装在防喷器组下方，防喷器组上法兰与重力加压机具连接。

井口重置时，先用遥控重力加压机具将防喷器组及液压式底法兰抱箍送至失控井井口底法兰上方，再由导向限位弧形块实现特殊双法兰短节下法兰与失控井底法兰快速对中，最后通过遥控关闭抱箍液缸，使液压油从开关液缸中间进油，两端回油，液缸两端缸杆缩回，抱箍经导向杆抱合，特殊双法兰短节下法兰与失控井底法兰无需螺栓就能实现连接，保障了在恶劣的井口重置环境下可以实现井口重置，有利于加快失控井抢险进程。

3 关键问题

石油天然气钻井采油设备中，法兰间用抱箍连接及螺栓连接都有相关的设计标准[8]。抱箍连接时，连接的两个法兰采用斜坡的榖式设计；螺栓连接时，两个法兰采用直台阶的盘式设计。该装置在不改变原底法兰的情况下将螺栓连接改为抱箍连接，且实现液控操作。要完成这些功能，抱箍的设计需要解决几个关键问题：

1）抱箍关闭时，如何在原底法兰下部为直角台阶的情况下将抱箍的水平方向的力转换为上下方向的法兰安装预紧力。

为有效解决这一问题，该底法兰抱箍采用了两个关键设计创新：一是设计一个特殊的双法兰短节，下法兰的上端面设计为斜面；抱箍设计为非对称式结构，以适应原常规底法兰的连接及法兰的连接卡紧，非对称底法兰抱箍见图2。二是因底法兰下端面为水平直角，抱箍关闭时要将底法兰抱紧，抱箍需要有一个向上的移动动作。为此，抱箍的承重杆可上下浮动，确保抱箍处于开位时与底法兰下端面有一定间隙，抱箍关闭的同时向上移动，顺利抱合及卡紧底法兰。

图2 非对称底法兰抱箍Fig.2 Asymmetric bottom flange hoops

2）抱箍关闭时，可能出现因开关液缸速度不一致导致抱箍在底法兰周向的预紧力不一致，从而出现法兰密封垫环无法实现有效密封的问题。为避免这一情况的出现，设计了四根抱箍开关导向杆[9]。导向杆还可避免液缸杆因承受较大的径向力而发生失效。导向杆的两端设计具备锁紧功能的手动锁紧螺母，可防止液压失效导致抱箍失控的次生事故。

4 试验效果

4.1 功能试验

将防喷器组、液压式底法兰抱箍从上到下的顺序连接在遥控重力加压井口重置机具上，然后连接液压式底法兰抱箍液控管线与遥控重力加压井口重置机具的备用液压控制回路，测试各动作正常。在模拟井喷失控条件下，通过遥控重力加压井口重置机具向下加压，特殊短节下法兰与失控井底法兰对中贴合，远程遥控液压关闭抱箍，井内流体从防喷器上方喷出，特殊短节下法兰与失控井底法兰之间无流体刺漏，达到了特殊短节下法兰与失控井底法兰连接效果。

4.2 压力测试

测试的是35-70井口法兰规格的液压式底法兰抱箍。将相应规格防喷器组连接在井口重置底法兰抱箍上，再将压力测试盲板法兰放置在液压式底法兰抱箍下方，最后用液压关闭液压式底法兰抱箍进行压力测试。

试压70 MPa，液压式底法兰抱箍无变形、特殊短节下法兰与失控井底法兰之间无刺漏、无压降，底法兰抱箍压力测试数据见表1。表明液压式底法兰抱箍的预紧力足够使密封垫环变形密封，特殊双法兰短节的斜角及液缸关闭的力达到法兰连接的预紧力要求。手动锁紧螺母安装后，将抱箍液缸液压油卸载，试压70 MPa，抱箍连接位置无泄漏，手动锁紧功能达到了防止抱箍液缸液压失效的效果[10]。

表1 底法兰抱箍压力测试数据Tab.1 The pressure test data of bottom flange hoop

从以上试验可以看出，采用液压式底法兰抱箍进行新井口法兰与失控井口底法兰连接作业，避免了抢险人员在近井口进行法兰连接作业，实现了远程一键完成新井口法兰与失控井底法兰连接作业，从根本上降低了抢险人员的作业风险。

但是，从试验过程中发现，液压式底法兰抱箍的特殊双法兰短节下法兰与失控井底法兰对中过程耗费的时间较长，判断特殊双法兰短节下法兰是否与失控井底法兰完全对中较为困难，且容易损坏密封垫环。为此，在特殊双法兰短节侧方设计了导向限位对中机构，该机构采用弧形设计，当特殊双法兰短节下法兰下移动与失控井底法兰靠近，由弧形板导向限位，快速实现特殊双法兰短节下法兰与失控井底法兰的对中作业。导向限位对中机构见图3。

图3 导向限位对中机构Fig.3 Guide limit centering institutions

4.3 应用情况

失控井井口重置底法兰抱箍已在中国石油井控应急救援响应中心实训场井口重置训练和中国石油2021年井控警示月井喷失控应急实战演练中应用。

失控井井口重置底法兰抱箍通过远程操作重力加压机具下移，先由弧形导向限位板完成特殊双法兰短节下法兰与失控井底法兰对中作业，再用液压远程关闭抱箍液缸，快速完成特殊双法兰短节下法兰与失控井底法兰连接作业。

5 结论

装置利用抱箍的特殊结构，在失控井新井口重置时，通过远程遥控抢险机具，先用弧形导向限位块完成法兰对中，再用液压控制法兰抱箍卡紧法兰，一步快速完成新井口法兰与失控井底法兰的连接紧固作业，避免了抢险人员到近井口进行法兰连接螺栓的紧固作业导致的身体伤害，践行了“生命至上、科学救援”的抢险理念。

失控井井口重置底法兰抱箍研制成功，实现了失控着火井抢险技术与抢险机具的迭代更新，提高了油气井井控应急救援保障能力，提高了失控井抢险效率，加快了失控井抢险进程，减少了失控油气的浪费和对环境的污染，产生的经济效益与社会效益不可估量，必将在失控井抢险中得到良好的应用。