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第 39 卷 第 6 期 2017 年 11 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING casing; blowout emergency rescue; structural design; finite element analysis; remote control 图 1 井喷抢险装置结构示意图 Fig. 1 Schematic structure of blowout emergency rescue device 万方数据 709牛文杰等：钻井作业井喷抢险装置设计 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。 1.4 对中系统 Centralizing system 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 Fig. 4 Schematic structure of centralizing system 1.5 套管卡紧系统 Casing clamping 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 Fig. 5 Structure of casing clamping system 1.6 封井系统设计 Capping 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 Fig. 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。 图 3 卡紧总成结构 Fig. 3 Structure of clamping assembly 万方数据 710石油钻采工艺 2017 年 11 月（第 39 卷） 第 6 期 表 1 井喷抢险装置技术指标 Table 1 Technical index of blowout emergency rescue device 环形防喷器全封闸板防喷器 参数指标参数指标 型号FZ35-35型号FH35-35 通径 /mm346.1通径 /mm346.1 额定压力 / MPa 35额定压力 /MPa35 连接方式上法兰 / 下法兰密封范围 /mm0346.1 整机尺寸 / mm 2 400710930 外形尺寸（外径 高）/mm 1 2711 176 2 工作原理 Working principle 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 Fig. 7 Operation flow chart 3 技术指标 Technical index 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 参数指标参数指标 封井压力 /MPa35井口环境无火 井喷速度 /m s-115就位方式吊装 封闭套管尺寸 /mm340动作方式液压驱动 液压系统工作压力 /MPa10控制方式 PLC程控+人控 4 关键零件有限元分析 Finite element analysis on key parts 4.1 生根系统外壳体 Shell of root system 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 Fig. 8 Grid division model for the shell 图 9 外壳体应力云图 Fig. 9 Stress 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 万方数据 711牛文杰等：钻井作业井喷抢险装置设计 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。 4.2 套管卡紧系统本体 Main body of casing clamping system 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 Fig. 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。 5 结论 Conclusions （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。 参考文献： References: 1 吴志均， 陈刚， 郎淑敏， 龙滨， 王勇， 李伟 . 天然气钻井井 控技术的发展J. 石油钻采工艺， 2010， 32 （5） ：56- 60. WU Zhijun, CHEN Gang, LANG Shumin, LONG Bin, WANG Yong, LI Wei. The development of the well control technique in natural gas drillingJ. Oil Drilling & Production Technology, 2010, 32 （5） : 56-60. 2 綦耀升， 贾玉武 . HK3 型油气井井喷抢险装置研制与 应用J . 钻采工艺， 1999， 22 （1） ：45-46. QI Yaosheng, JIA Yuwu. Development and application of HK3 type oil and gas well blowout emergency device 图 10 外壳体变形云图 Fig. 10 Deformation cloud chart of the shell 图 12 本体应力云图 Fig. 12 Stress cloud chart of the main body 图 13 本体位移云图 Fig. 13 Displacement cloud chart of the main body 万方数据 712石油钻采工艺 2017 年 11 月（第 39 卷） 第 6 期 J. Drilling & Production Technology, 1999, 22 （ 1 ） : 45-46. 3 中国石化股份胜利油田分公司河口采油厂 . 抢喷作业 机：101550812 P.2009-05-09. The Bayou of Oil Production Plant Shengli Oil Field Branch Company of SINOPEC. Grab spray machine: 101550812 P. 2009-05-09. 4 牛文杰， 綦耀升， 王刚 . 34.5 MPa 套管头完井工艺用井 喷抢险装置的研制J . 石油机械， 2010， 38 （5） ：76-78. NIU Wenjie, QI Yaosheng, WANG Gang. Development of 34.5 MPa blowout emergency device for casing head completion J . China Petroleum Machinery, 2010, 38 （5） : 76-78. 5 杨东泽 . 生产井液压抢喷系统的设计与研究 D . 青岛： 中国石油大学（华东） ， 2010. YANG Dongze. Design and research of hydraulic grab system for production wellsD. Qingdao: China University of Petroleum, 2010. 6 谢华， 刘金环， 谢青， 邢明 . 井口套管头损坏井喷抢险配 套技术J. 石油钻采工艺， 2010， 32 （5）