井口裝置由套管頭、油管頭和采油樹三部分組成,主要用于監控生產井口的壓力和調節油(氣)水井的流量；也可以用于酸化壓裂、注水、測試等各種措施作業,能滿足不同工況,密封可靠,工作安全。
(一)井口裝置發展趨勢
國外許多公司都在不斷開發并完善電潛泵井口裝置及整體采油樹,生產單油管電潛泵井口裝置、雙油管井口裝置及雙通徑的整體式采油樹是井口裝置發展的主要趨勢。在國內將油管頭、采油樹統一稱為“井口裝置”,井口裝置已是我國的成熟產品。具有結構緊湊、重量輕、性能好的特點,是井口裝置的發展趨勢。總體來講閘閥系列,主要趨向特殊防腐材料應用,結構上發展多樣化。
(二)國外井口裝置發展現狀
目前,國外生產采油樹最大工作壓力是140MPa,組成采油樹的法蘭式連接閘閥最大額定工作壓力達210MPa。國外許多公司都在不斷開發并完善電潛泵井口裝置及整體采油樹,生產有單油管電潛泵井口裝置、雙油管井口裝置及雙通徑的整體式采油樹,還能根據油(氣)田的工況和井內滯留流體來生產陸上(包括海洋平臺用)的井口設備及水下井口裝置。目前主要生產國家有美國、英國、意大利等十幾個國家,美國的產品技術和生產能力處于世界領先地位。著名的制造廠商有Cameron、F.M.C、Vetco、Gray等公司,Cameron公司采油樹性能質量最好,但價格較高。
1.閘閥系列
閘閥作為井口裝置中的主要部件,國外主要發展平板閘閥結構,其中暗桿式平板閥占有絕對優勢。
(1)Cameron公司閘閥
①FL和FLS型閘閥。
Cameron公司新生產的閘閥有FL和FIS型兩種,工作壓力13.79～34.5MPa。
主要結構特點：采用整體式閘板結構,可防止管線中的沉淀物進入閥體內腔。高承載能力的兩個止推軸承用來吸收閘板開啟和關閉時的載荷,從而將手輪旋轉力減至最小。特殊惰性材料彈簧承載的唇型密封,既能保護金屬密封面又能加強低壓密封性能。FL型閘閥在每個閥座上使用的是單個唇形密封。
②JS型閘閥。
主要結構特點：Cameron公司JS型閘閥主要特點是具有一回轉孔口的閘板,可在不考慮閥桿位置的情況下把閥板推向開啟位置,使JS型閘閥特別適合于作采油樹裝置的底閥。此外,該型閘閥采用閥座和閘板、閥體金屬對金屬的密封,特殊外徑、內徑的唇型密封既加強。了低壓密封又保護了閥座、閥板及閥體的金屬密封面。
(2)Vetco、Gray公司閘閥
Vetco、Gray公司新生產的閘閥系列有VG一300和VG一200。
①VG一300高壓系列閘閥。
VG一300高壓系列閘閥工作壓力從34.5~103MPa,規格從50～228.6mm。
主要結構特點：這種閘閥采用的是多向模鍛承壓閥體、閥帽,UV型具有熱塑并充填的特氟隆(TEE)復合閥桿盤根,配備有多用途的接頭,用于注入閥體潤滑劑和閥桿密封劑。
VG一300FR型具有后座自動密封防火功能。
②VG一200低壓系列閘閥。
VG一200低壓系列閘閥工作壓力從13.79～34.5MPa,規格從50.8～101.6mm。
主要結構特點：這種閘閥結構采用的是低合金鋼承壓鑄件殼體、平行閥板結構、非橡膠唇形閥桿盤根并采用精密滾針軸承承受閥桿載荷,具有安全剪切銷的功能。
VG一300LMV型具有遠距離控制快速防火功能。
VG一230SE型為分合式閥板,伸長式閥蓋,適合于高溫工況。
VG一600適合于地熱井工況。
(3)意大利Breda公司閘閥
意大利Breda公司閘閥有SDS和SD兩種類型,其共同特點是：浮動閥座密封,平板閘板結構,特氟隆復合人字形閥桿密封盤根。
①SDS型閘閥。
SDS型閘閥適用于68.9～138MPa的高壓力場合,閥座內徑、外徑均預加U型密封,以確保高壓力級別下施加在閥座上的載荷和閥板、閥座同壓密封的要求。
②SD型閘閥。
SD型閘閥適合于13.79—34.5MPa的低壓力范圍,通徑從52.4~181mm,閥座外徑上采用U型預加載結構,確保閥板與閥座金屬對金屬的低壓密封。
(4)美國F.M.C公司閘閥
美國F.M.C公司FMCl00系列閘閥采用鍛造承壓閥體結構、雙滾針滑動軸承、安全剪切銷和Teflon UV型閥桿填料(專利產品),可耐H2S、C02和氯化物的腐蝕,工作溫度為-24~177?C,工作壓力在138MPa以上。
FMCl20型閘閥的工作壓力從13.79—34.5MPa,規格從53～181mm。130型的工作壓力從68.9～103MPa,規格從49～168mm。
(5)英國公司閘閥
英國研制了用于油氣井自噴設備的閘閥(專利產品)。
主要結構特點：這種閘閥有一個彈簧加載的閥板和側板,側板上有與潤滑器活塞連通的潤滑環槽,潤滑槽與閥孔沿供給槽道方向有一偏心。潤滑環槽的截面積沿遠離潤滑點的方向逐漸增大,以保證對閥板的下部提供可靠的密封。一旦閘閥關閉,潤滑劑供給槽道便通過閘板上的油槽與潤滑環槽連通。這種閘閥的密封性能較好。
總之,國外閘閥的發展主要是應用特殊防腐材料,以滿足高含H2S、C02物質的油氣井需要；在結構上開展多樣化研究,來達到密封性能好(有自動補償),且開啟靈活；另外,在密封材料上不斷改進,使其性能不斷提高。
2.套管頭系列
套管頭包括套管頭四通、套管懸掛器、盤根裝置、頂絲、閘閥和壓力表組成。是裝在整個井口裝置最下端的一個裝置。作用是連接井內各層套管并密封套管間的環形空間。近年來,套管頭結構不斷得到改進,主要向操作簡便、密封性能好(自動密封)、適用于深井多層套管以及整體化方向發展。
(1)Cameron公司產品
①緊湊式套管頭。
Cameron公司緊湊式套管頭,是將多層套管頭的殼體制成一體,內部各層懸掛器通過相互承載傳遞重量,體積小,節約材料和連接件,減輕自身重量。
②套管掛。
Cameron公司生產的套管掛主要有AW、WC、JM、CA、CAM、FR、BRX一2等類型,可根據不同油井情況和套管與Cameron WF型套管頭殼體和WF型套管四通相配合。
AW型套管掛是中等容量的整體式套管掛,具有雙唇型的密封環,通過擰緊內六角螺栓可實現人力增能。
WC型和FR型套管掛也是中等容量的套管掛,二者的卡瓦都圍繞著套管而鎖緊并座入套管頭殼體內,密封件則是在卡瓦座入和套管被切斷后才裝配到套管上方的。WC型套管掛密封件的內部有夾層式的套管密封,可通過擰緊內六角螺栓而實現人力增能,而FR型套管掛的“O”形套管密封圈則是自動增能的。
JM型套管掛可安全可靠地懸掛長套管柱,其環形密封可封住高達68.9MPa的壓力,即使在高溫下也是一樣。JM型套管掛上的“有帽螺栓增能式”環形密封(Cap Energized Annulus Seal)可把測試壓力載荷與套管壓力載荷相互隔開。JM卡瓦和密封總成的外圓錐面加工成齒形則是為了通過限制套管向下運動來防止套管管端的頸縮過大。JM型套管掛的卡瓦和密封總成是整體環繞式的,環形密封很容易安裝,只需很小的力即可達到完全增能密封的效果。
CA和CAM型套管掛都是環繞式整體卡瓦和密封組合,二者的共同特點是具有環形密封,這種密封可由套管的重量作用而自動增能；它們都有上、下卡瓦,并可把套管載荷分布到上、下卡瓦上以減小管子的偏斜。
CA型是一種高容量(hihg一capacity)套管掛,可用于279mm、346mm、425mm和1080mm的套管尺寸。
CAM型是帶有加強卡瓦座的高性能的套管掛,可承受極大的套管載荷而只有最小的套管偏斜,可用于絕大多數的套管尺寸。
BRX一2型套管掛是螺紋懸掛式的管掛,使用時需用專用的BRX一2型工具。
(2)意大利Breda公司產
①套管頭。
意大利Breda公司套管頭分為NBS型和NSB型兩種。
NBS型是常規選用,帶有標準法蘭和兩個180。的對稱側口,底部采用螺紋與表層套管相連。
NSB型是典型的陸地套管頭,與NBS型所不同的是表層套管與NSB型套管頭采用的是焊接連接方式。
②套管掛。
Breda公司套管掛分為CMBNS型和CNBFNS型。
CMBNS型配套用于NSB型套管頭或四通,這種結構通過抱合套管下放至殼體內,采用鉸鏈插銷機構原理,在現場安裝,需另加主副密封機構。
CNBFNS型屬于自動激發密封,通過懸掛套管重量,激發懸掛器內密封元件,實現卡瓦與本體,套管頭與卡瓦間的密封。
(3)Vetco、Gray公司產品
①快速連接裝置——VG—LOC TM Connector卡瓦連接方式。
這種連接是當表層套管固井候凝時,根據鉆井設計套管頭的安裝高度,切割表面套管,水平套入套管頭,通過上緊底部支承螺柱,壓緊卡瓦切入套管表層,從而達到連接作用。
②套管懸掛器。
Vetco、Gray公司公司套管懸掛器有Mandrel型、WE型和W型三種。這三種懸掛器可根據工況的不同而適用于不同的場合。
Mandrel型為心軸式懸掛器,其密封區域控制錐面與對應的錐面接觸,強制金屬對金屬的密封,同時,懸掛器上端的加長頸與井口部件底部的錐面,形成金屬對金屬密封。
WE型設有平動密封,當擰緊螺帽時,便把壓縮板拉到卡瓦座圈上,壓縮密封元件,從而形成卡座圈密封和懸掛器與套管之間的密封。
W型被公認為是最可靠的自動重量坐定懸掛器,它可自由活動,當它承受套管重量時,就密封環形空間,一只正向金屬活動器限制套管卡瓦座圈的移動,并防止密封擠出。
3.油管頭系列
油管頭由油管頭四通、油管懸掛器、盤根裝置、頂絲、閘閥、壓力表和法蘭組成。裝在套管頭上面,主要承受油管柱內的壓力、承受油管柱和采油(氣)樹以及其它裝置的負荷。
(1)F.M.C公司產品
F.M.C公司電潛泵油管頭裝置中油管掛內的油管懸掛器,利用增加裝穿電纜裝置來實現電潛泵的采油作業。這種形式的電纜接頭,根據電壓、電流、工作溫度分為多種級別供用戶選擇,電壓從3000—5000V,電流分別為70、125、140、164A,工作溫度從－60~178?C。
1一G級電潛系統,適用于標準F.M.C的TC型油管頭,用直徑178mm生產套管帶全壓和金屬密封技術,69mm的EUE油管×1#AWG接頭電纜,5kV一140A供電系統,上下Pigtail接頭可拆卸,優質加長密封區域以保證Pigtail上下接頭的壓力及水密封。同時,配備壓縮型橡膠在特別的高溫情況下可靠工作,配備可調節的可調式內部控制閥調節正常壓力。
1一M型,適用于F.M.C公司TCB型直徑為170ram生產套管(或更小)和直徑為69mm的EUE油管(或更小)。
F.M.C公司1一A、1一S電潛油管頭系統適用于API 6A工作壓力最大至68.9MPa含H2S、C02的工況下,標準F.M.C的TC型或TCM型油管頭。
(2)意大利Breda公司產品
①油管頭。
意大利Breda公司油管頭有DP70、DP4、DP7三種類型。各種類型的法蘭規格均較齊全,側面均為法蘭栽絲連接形式,下法蘭的兩次密封采用Y形結構。
DP70適合單油管懸掛。
DP4適合雙油管懸掛,其四通殼體增設緊頂螺釘,控制雙管懸掛的方向和位置。
DP7型適合多油管懸掛,在其四通殼體上有四只緊頂螺釘,以控制懸掛器的安裝方向和深度。
②懸掛器。
可分為DP4HS MS型、B8M型和DP4H5型。
DP4HS MS型油管懸掛器為潛油電泵作業使用,為井下潛油泵電纜提供了可靠的封隔裝置,懸掛器本體與油管連接,電纜心軸插入并固定,底部輸出端連接裝置與心軸連接,固定螺釘按位置鎖緊懸掛器。
B8M型為纏繞式懸掛器結構,配備TSB型球形單向背壓閥,通過上緊上法蘭頂絲,減小盤根、密封與殼體及油管之間的間隙。DP4H5型為伸長頸結構,帶井下安全閥及控制管線接口。
(3)Cameron公司產品
①N型油管掛。
Cameron公司N型油管掛有N型心軸式和N—RFC式2種類型。
N型心軸油管掛的特點具有壓縮式環形密封,可通過油管柱的重量或鎖緊螺栓來增能,可帶有背壓閥,用來封閉油管,利用關井壓力完井。此外,它還帶有延伸的頸部,這種延伸頸部設計,提供了二次環形和一種進行外部測試初始密封及連接的手段。延伸頸部共有3種類型：延伸平滑頸、延伸密封頸和帶有備用控制管道的延伸密封頸。
N型RFC油管掛是一種纏繞密封式懸掛器,這種密封可通過擰緊油管四通的鎖緊螺栓而增能,適用于工作壓力高達103MPa的工作條件。
②MTBS油管油管掛。
Cameron MTBS油管掛適用于工作壓力高達103 MPa的工作條件。它具有大通徑,其環形密封被徑向地擠入密封部位,當油管掛由與之配對的錐座內提起時,環形密封就自動地恢復到原狀。油管掛的上密封是一種壓力增強的金屬“U”形帽式的雙向密封,因而不再需要其它的輔助密封。油管掛的延伸頸部設計,可確保金屬“U”形帽式密封在安裝時對中可靠。
③CEVOY MS型油管掛。
MCEVOY MS型油管掛適用于138MPa和207MPa的工作條件,其延伸頸部設計為了便于安裝采油樹,采用可變形的支撐環而不再需要其它的測量和調試裝置。使用雙向密封,且不需要將密封環壓入接合密封面即可形成金屬對金屬的密封。當重新使用油管掛時,只需將密封和支撐環更換即可。
④懸掛器。
Cameron公司DCP懸掛器有DCP雙油管懸掛器和DCP單油管懸掛器2種類型。
DCP雙油管懸掛器是帶有D型環形密封的拼合心軸式懸掛器,通過密封填料注入孔,把塑料密封注入四通的頂法蘭內,從而使這些密封增能,有2個支撐銷支撐這兩部分并使之對中。
DCP單油管懸掛器是心軸式的懸掛器,適用于DCPS油管四通。二者配套,可用于雙層完井。
4.采油(氣)樹
指井口裝置總閘門以上的主體部分,外形像樹,所以叫采油(氣)樹,主要由套管閘門、總閘門、生產閘門、清蠟閘門、油管四通或三通、油嘴等部件組成。其作用是控制和調節油井的自噴生產,引導噴出的油氣進入輸油管線,保證錄取油壓、套壓、計量油、氣產量、取樣及清蠟等工作。近年來主要發展整體式結構,海洋平臺采油作業,由于受平臺面積及鉆井成本等的限制一般首先選用整體式結構。
意大利Breda公司生產的整體采油樹有S型和D型2種。
S型適用于單管井口裝置,S一1型為主閥+單閥+四通+清蠟閥組合結構,S一2型為雙主閥+四通組合結構,S一3型為雙主閥+四通+清蠟閥結構。D一1、D一2、D一3和S型相似。
D型適用于雙管井口裝置。
5.水下井口裝置
這種井口不是安裝在海底,而是在海水中,像自升式鉆井船一樣,用幾個樁腿支撐在海水中,而在海底泥面上有一個簡單的關閉裝置。用這種井口裝置作業工藝較為簡單,且遇到井涌時可以較安全地進行井口操作。
6.防火井口裝置
Cameron防火井口和采油樹裝置特點是從油管四通的下卡箍直到上主閥共同形成一個殼層,在油管掛(一直延伸到油管掛頸部)和主閥體之間,在油管掛體和油管頭四通之間,以及在油層套管掛和油管頭四通之間,均有金屬對金屬的防火密封。油管頭四通與防火環形閥做成一個整體以減少連接件的數目。主截斷閥到油管頭四通以及油管頭四通到套管頭四通間的連接均采用Cameron重型防火卡箍。這種卡箍具有厚壁結構,在著火時,可起到“冷源”作用。螺栓組合凹入到卡箍凸緣的螺孔內,這樣可避免溫度升高時,直接暴露在火焰中的螺栓和螺帽的連接作用因著火而削弱。防火的上主閥和下主閥上都包括一種易熔材料,這種易熔材料僅在規定的溫度時熔化。
7.水下采油樹
S型水下采油樹用于鉆井平臺或淺水浮動鉆井裝置,水深一般小于90m,配有人井工具和修井工具,油管掛、井口及防噴器組無需定向,鉆桿柱及油管上接立管無需專用的定向立管,固定關閉環形單流閥無需電纜環形堵頭,組合式閥體使得連接增強,減少密封,生產管線連接及修井控制連接由操作工人進行,井口連接和閥門可進行遠程液控系統操作。
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