水下井口系统密封技术研究和发展现状

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国石油大学( 华东) 机电工程学院 作者:侯超

  针对海洋油气开发特点,总结了水下井口系统用主要密封装置,介绍水下井口系统密封技术及装置发展现状,分析水下井口系统密封区别于常规密封的特点,总结水下井口系统密封的关键技术,得出海洋油气发展方向决定了金属密封技术是水下井口系统密封未来发展的主要趋势的结论,并指出相关行业标准的制订将推动水下密封技术的发展。

  世界海洋油气资源丰富,海洋可采储量占全球可采储量的45%,近一半的待勘探油气资源位于海上。近年来,世界范围内海洋油气开发持续升温,产量持续增长。但不少地区尚未勘探或充分勘探,海洋深水部分的油气勘探开发还需要进一步拓展,海洋油气的开发需要先进的技术装备作为支撑。其中密封装置在海洋油气开发过程中发挥着至关重要的作用,在水下井口系统中也是关键环节,是保证整个系统高效、安全、稳定和长期运行必不可少的部分。

  海洋油气开发经历了从浅水到深水,从低压到高压的变化;密封装置为了适应这种变化的需要,也经历了从最初的弹性密封到弹性材料与复合材料密封,到目前广泛使用的全金属密封的转变,其材料和结构也在不断改变。海洋油气开发正在向更深海域迈进,所面临的深水、高温、高压的问题将会更加严峻,水下井口系统密封装置也必须不断地发展和创新,以适应环境的变化,满足工况需求。

1、水下井口系统密封技术发展现状

  海洋油气不断向更深的海域迈进,水下井口系统面临着高温、高压、强腐蚀以及压差范围大等问题,给水下井口系统的密封带来了更大的挑战。常规的弹性密封技术成熟、成本较低,在开发初期应用广泛;但由于其密封材料自身的属性问题,容易发生高温降解、化学降解,循环载荷导致的疲劳、压缩载荷突变失效和挤压间隙的剪切失效等问题,已经不能满足现阶段水下井口系统的密封要求,图1 所示为南海某油田水下井口头环形橡胶密封装置失效后的状态。

失效后的水下井口头环形橡胶密封装置

图1 失效后的水下井口头环形橡胶密封装置

  为了适应海洋油气开发工况的改变以及减少开发过程中的风险和损失,科研人员不断寻求新的密封技术和装置。相对于弹性密封来讲,金属密封能够很好地解决上述问题,因此,金属密封技术在水下井口系统密封中得到了广泛的应用。同时,也推动海洋油气钻井朝着更深、压力更大的方向迈进。

  水下井口系统密封装置主要存在于:(1) 水下采油树/防喷器与水下井口头连接密封;(2) 套管挂、油管挂与水下井口头密封;(3) 油管挂与水下采油树密封;(4) 水下采油树与管线连接密封等,如图2 所示。

水下井口系统主要密封部位

图2 水下井口系统主要密封部位

2、水下井口密封特点及关键技术

  海洋油气正在向深水时代迈入,面临着深水、高温、高压、强腐蚀的恶劣环境,常规的弹性密封已经难以满足深水油气开发的密封要求。金属密封技术是采用适当的金属材料,利用接触面的压力使金属发生塑性变形与流动来填充接触面之间的空隙,从而获得密封能力。金属密封已经应用到水下井口系统所有类型密封装置,这也是今后水下井口系统密封装置的主要发展趋势。

  2.1、水下井口系统密封特点

  (1) 密封装置需要在水下环境中进行远程操作安装;

  (2) 密封装置下放至安装位置时,无法检查密封面是否光洁;

  (3) 无法精准地控制机具对密封装置的激励运动;

  (4) 密封装置必须能够长期适应水下油气井的工作环境;

  (5) 密封装置失效后,其更换程序复杂、费用高昂。

  2.2、水下井口密封关键技术

  (1) 密封材料。由于水下井口系统长期处于高温、高压、强腐蚀的工况条件下,因而密封材料的选择十分重要。要综合考虑密封材料的密封强度、耐腐蚀性,金属密封材料还需考虑材料的延伸性、屈服强度和硬度。

  (2) 密封装置结构。合理的密封结构是密封装置可靠的前提和关键,在满足密封要求的前提下,尽量简化密封结构,使得密封装置能够快速激励、可靠密封。

  (3) 密封装置加工工艺。密封件表面粗糙度对密封效果有直接的影响( 主要针对金属密封) ,对于金属密封面,如果表面粗糙度大,密封表面的塑性变形不足以填满泄漏通道,密封介质就会顺着泄漏通道泄漏出来。因此,加工工艺对密封装置密封效果影响很大。

  (4) 密封装置安装技术。水下井口系统密封装置多数需要在水下进行安装,因此,安装技术在一定程度上决定了密封装置最终的密封效果;下放安装工艺需要与密封装置的结构相呼应,紧密配合,减少误差,提高密封效果。

3、总结

  (1) 海洋油气开发逐步向深海迈进,水下井口系统密封将面临压力更高、温度更高的挑战,密封技术的发展和油气开发在一定程度上相辅相成,相互促进。

  (2) 水下井口系统的工况条件决定了其密封装置的密封要求,弹性密封由于其材料的局限性,应用受限;金属密封技术得到广泛应用。

  (3) 水下井口系统密封技术的关键点在于密封材料选取、密封结构设计、密封装置加工以及密封装置下放技术等。

  (4) 需要编写、制订并完善水下密封装置的设计标准和检测标准,使得水下密封技术得到更好的应用和发展。

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