井喷抢险装置的结构如图 1所示, 包括支撑系统、生根系统、起升系统、对中系统、封井系统和套管卡紧系统。

图  1  井喷抢险装置结构示意图

Figure 1.  Schematic structure of blowout emergency rescue device

支撑系统由矩形钢和槽钢焊接而成, 左右两侧分别安装有液压缸。支撑系统的作用有2个:一是将井喷抢险装置支撑在地面上; 二是在两侧液压缸的推动作用下, 固定架能在支撑系统的轨道上进行前后运动。

井喷抢险装置与井口对中连接的过程中会受到流体强大冲击力作用, 从而引起强烈震动与摇晃。针对此问题, 设计了生根系统。井喷抢险装置与井口对中前, 利用生根系统卡紧套管本体, 使井喷抢险装置有一个稳定的根基, 为之后封井系统与光套管间的对中与连接提供一个平稳的运动环境。

生根系统主要由外壳体、卡紧油缸、卡紧总成、锁紧块和锁紧油缸等组成, 其结构如图 2所示。

图  2  生根系统结构示意图

Figure 2.  Schematic structure of root system

工作时卡紧总成在卡紧油缸作用下从外壳体伸出卡紧套管本体, 两侧锁紧块在锁紧油缸作用下向前运动直到与卡紧总成的斜面接触, 两者间利用斜面的自锁原理保持卡紧总成位置固定, 设计斜面的角度为5.7°。当井喷抢险装置受到向上的冲击力时, 卡紧总成中的剪切螺钉被剪断, 利用卡瓦的自锁原理紧紧卡紧套管本体^[11-14], 其结构如图 3所示。

图  3  卡紧总成结构

Figure 3.  Structure of clamping assembly

升降系统由固定架、升降油缸、伸缩架组成。伸缩架在升降油缸的作用下可以在固定架内伸缩, 从而调节封井系统的高度, 调节高度为2.5 m。

封井系统与套管对中前, 在升降系统作用下上升一定的距离; 封井系统与套管对中后, 在升降系统作用下下降一定的距离, 使封井系统罩住光套管。

对中系统的作用是实现封井系统在水平面内的前后左右运动, 使封井系统的轴线与套管的轴线共线。其主要由架体、纵向导轨、纵向运动油缸、移动架、横向导轨、横向运动油缸、滚轮总成和连接架组成, 结构如图 4所示。移动架和连接架分别在纵向、横向运动油缸的作用下沿纵向、横向轨道运动, 从而实现封井系统在水平面内的对中。

图  4  对中系统结构示意图

Figure 4.  Schematic structure of centralizing system

以井喷抢险装置的封井压力35 MPa、封闭套管直径340 mm计算, 封井系统关闭井口后, 受到井内流体作用力为3 176 kN。在强大的作用力下, 为使封井系统与光套管可靠连接, 设计了套管卡紧系统。其主要由导向口、本体、液压缸、卡瓦、连接销、连接盘等组成, 结构如图 5所示。本体内表面为圆锥面, 圆锥面上设计有均匀分布的3条轨道, 3片卡瓦可以沿轨道上下移动。卡紧套管前, 液压缸将3片卡瓦提升一定高度, 3片卡瓦围成的中间空间变大, 当套管穿过中间空间后, 3片卡瓦下降, 利用卡瓦的自锁原理卡紧套管。

图  5  套管卡紧系统结构

Figure 5.  Structure of casing clamping system

封井系统由全封闸板防喷器、四通和环形防喷器组成, 其结构如图 6所示。

图  6  封井系统结构

Figure 6.  Structure of capping system

在井口没有套管头的情况下封井时, 要封闭的流体通道是封井系统与套管间的环空空间和套管内孔, 环形防喷器封闭环形空间, 全封闸板防喷器封闭套管内孔^[15]。环形防喷器与全封闸板防喷器的选型及参数如表 1所示。四通的作用是封闭井口后进行压井放喷等作业。

表 1  井喷抢险装置技术指标

Table 1.  Technical index of blowout emergency rescue device

井口安装井喷抢险装置前需要做一定的准备工作, 包括清除井口障碍物、灭火、切割套管头、清理套管周围杂物等。准备工作完成后将井喷抢险装置安装在井口, 封闭光套管, 随后进行放喷、压井等作业, 使井底重新建立压力平衡。

井喷抢险装置的作业过程如下:首先, 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; 然后, 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; 随后, 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; 最后, 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。具体操作流程如图 7所示。

图  7  操作流程

Figure 7.  Operation flow chart

设计的井喷抢险装置应用于陆地钻井作业或海洋平台水上井口钻井作业, 其技术指标如表 2所示。

表 2  井喷抢险装置技术指标

Table 2.  Technical index of blowout emergency rescue device

首先在SolidWorks中建好生根系统外壳体的三维模型, 然后将三维模型导入ABAQUS软件中^[16], 节约了在有限元软件中的建模时间。外壳体选用的材料为Q345钢, 弹性模量210 GPa, 泊松比0.3。在网格划分时选择外壳体的网格类型为C3D8R, 设置网格大小10 mm, 形状选择六面体网格, 网格划分如图 8所示。施加边界条件时, 在外壳体底面施加固定约束, 在外壳体与卡紧总成、锁紧块的接触表面上分别施加面载荷, 随后提交作业, 最终得到外壳体的应力云图见图 9, 位移云图见图 10。

图  8  外壳体网格划分模型

Figure 8.  Grid division model for the shell

图  9  外壳体应力云图

Figure 9.  Stress cloud chart of the shell

图  10  外壳体变形云图

Figure 10.  Deformation cloud chart of the shell

由分析结果可知, 外壳体的最大应力值发生在上表面开口处, 最大应力值为171 MPa, 低于Q345钢的屈服极限345 MPa, 其安全系数2.0, 外壳体的最大位移变形量约为0.509 mm, 变形量远小于外壳体的尺寸, 不影响外壳体的刚度和正常使用, 可忽略不计。因此外壳体的强度、刚度可满足使用要求。

将套管卡紧系统本体在三维软件中建模并对模型进行简化, 将简化后的模型导入有限元分析软件ABAQUS中进行分析。套管卡紧器本体选用材料Q420钢, 屈服强度420 MPa, 弹性模量210 GPa, 泊松比0.3。划分网格时设置网格尺寸20 mm, 网格形状为四面体网格, 单元类型为C3D10, 锥形本体的网格划分完成后如图 11所示。

图  11  本体网格图

Figure 11.  Grid diagram of the main body

在设定边界条件时将本体向上的运动趋势转化为卡瓦向下的运动趋势, 施加边界条件时在本体与环形防喷器连接法兰的上表面施加固定约束, 在本体的锥形内表面施加面载荷。完成载荷设定后提交作业, 得到本体应力云图见图 12, 变形云图见图 13。由图 12可知, 本体的最大应力值发生在锥体与底边连接处, 最大应力值为234 MPa左右, 低于所用材料的屈服强度420 MPa, 安全系数1.8;由图 13可知, 套管卡紧器本体的最大位移变形量约为0.388 mm, 变形量很小, 不影响本体的正常使用。所以, 套管卡紧器锥形本体的强度、刚度均满足使用要求。

图  12  本体应力云图

Figure 12.  Stress cloud chart of the main body

图  13  本体位移云图

Figure 13.  Displacement cloud chart of the main body

(1) 针对目前钻井井喷事故中抢险时间长、作业危险性高的问题, 设计了井喷抢险装置, 能够快速与井口光套管连接, 及时制止井喷。

(2) 井喷抢险装置采用全液压驱动, 可封闭压力达35 MPa的井口, 且能封闭套管头损坏的井口, 适用情况广泛。

(3) 下一步工作是试制样机和进行现场试验, 分析试验结果并对结构进行优化。