水下井口系統密封技術研究和發展現狀

2015-04-12 侯超中國石油大學( 華東) 機電工程學院

　　針對海洋油氣開發特點，總結了水下井口系統用主要密封裝置，介紹水下井口系統密封技術及裝置發展現狀，分析水下井口系統密封區別于常規密封的特點，總結水下井口系統密封的關鍵技術，得出海洋油氣發展方向決定了金屬密封技術是水下井口系統密封未來發展的主要趨勢的結論，并指出相關行業標準的制訂將推動水下密封技術的發展。

　　世界海洋油氣資源豐富，海洋可采儲量占全球可采儲量的45%，近一半的待勘探油氣資源位于海上。近年來，世界范圍內海洋油氣開發持續升溫，產量持續增長。但不少地區尚未勘探或充分勘探，海洋深水部分的油氣勘探開發還需要進一步拓展，海洋油氣的開發需要先進的技術裝備作為支撐。其中密封裝置在海洋油氣開發過程中發揮著至關重要的作用，在水下井口系統中也是關鍵環節，是保證整個系統高效、安全、穩定和長期運行必不可少的部分。

　　海洋油氣開發經歷了從淺水到深水，從低壓到高壓的變化；密封裝置為了適應這種變化的需要，也經歷了從最初的彈性密封到彈性材料與復合材料密封，到目前廣泛使用的全金屬密封的轉變，其材料和結構也在不斷改變。海洋油氣開發正在向更深海域邁進，所面臨的深水、高溫、高壓的問題將會更加嚴峻，水下井口系統密封裝置也必須不斷地發展和創新，以適應環境的變化，滿足工況需求。

1、水下井口系統密封技術發展現狀

　　海洋油氣不斷向更深的海域邁進，水下井口系統面臨著高溫、高壓、強腐蝕以及壓差范圍大等問題，給水下井口系統的密封帶來了更大的挑戰。常規的彈性密封技術成熟、成本較低，在開發初期應用廣泛；但由于其密封材料自身的屬性問題，容易發生高溫降解、化學降解，循環載荷導致的疲勞、壓縮載荷突變失效和擠壓間隙的剪切失效等問題，已經不能滿足現階段水下井口系統的密封要求，圖1 所示為南海某油田水下井口頭環形橡膠密封裝置失效后的狀態。

失效后的水下井口頭環形橡膠密封裝置

圖1 失效后的水下井口頭環形橡膠密封裝置

　　為了適應海洋油氣開發工況的改變以及減少開發過程中的風險和損失，科研人員不斷尋求新的密封技術和裝置。相對于彈性密封來講，金屬密封能夠很好地解決上述問題，因此，金屬密封技術在水下井口系統密封中得到了廣泛的應用。同時，也推動海洋油氣鉆井朝著更深、壓力更大的方向邁進。

　　水下井口系統密封裝置主要存在于：(1) 水下采油樹/防噴器與水下井口頭連接密封；(2) 套管掛、油管掛與水下井口頭密封；(3) 油管掛與水下采油樹密封；(4) 水下采油樹與管線連接密封等，如圖2 所示。

水下井口系統主要密封部位

圖2 水下井口系統主要密封部位

2、水下井口密封特點及關鍵技術

　　海洋油氣正在向深水時代邁入，面臨著深水、高溫、高壓、強腐蝕的惡劣環境，常規的彈性密封已經難以滿足深水油氣開發的密封要求。金屬密封技術是采用適當的金屬材料，利用接觸面的壓力使金屬發生塑性變形與流動來填充接觸面之間的空隙，從而獲得密封能力。金屬密封已經應用到水下井口系統所有類型密封裝置，這也是今后水下井口系統密封裝置的主要發展趨勢。

　　2.1、水下井口系統密封特點

　　(1) 密封裝置需要在水下環境中進行遠程操作安裝；

　　(2) 密封裝置下放至安裝位置時，無法檢查密封面是否光潔；

　　(3) 無法精準地控制機具對密封裝置的激勵運動；

　　(4) 密封裝置必須能夠長期適應水下油氣井的工作環境；

　　(5) 密封裝置失效后，其更換程序復雜、費用高昂。

　　2.2、水下井口密封關鍵技術

　　(1) 密封材料。由于水下井口系統長期處于高溫、高壓、強腐蝕的工況條件下，因而密封材料的選擇十分重要。要綜合考慮密封材料的密封強度、耐腐蝕性，金屬密封材料還需考慮材料的延伸性、屈服強度和硬度。

　　(2) 密封裝置結構。合理的密封結構是密封裝置可靠的前提和關鍵，在滿足密封要求的前提下，盡量簡化密封結構，使得密封裝置能夠快速激勵、可靠密封。

　　(3) 密封裝置加工工藝。密封件表面粗糙度對密封效果有直接的影響( 主要針對金屬密封) ，對于金屬密封面，如果表面粗糙度大，密封表面的塑性變形不足以填滿泄漏通道，密封介質就會順著泄漏通道泄漏出來。因此，加工工藝對密封裝置密封效果影響很大。

　　(4) 密封裝置安裝技術。水下井口系統密封裝置多數需要在水下進行安裝，因此，安裝技術在一定程度上決定了密封裝置最終的密封效果；下放安裝工藝需要與密封裝置的結構相呼應，緊密配合，減少誤差，提高密封效果。