摘 要

现阶段，海洋油气能源开采不断升温，然而海洋平台空间相对狭小，且海洋情况复杂，高成本、较低采油效率始终成为这一方面的难题。而单筒双井技术既能够节省空间，又能提高采油效率。因此，作为井口装置重要部分的套管头，对于其研究设计就有着重要的意义。

本文通过查阅相关文献，阐述了单筒双井井口装置对于海洋平台油气开采的重要性；并分析比较了国内外对于此方面的研究现状；同时，对井口装置做了功能分析，如控制调节生产、悬挂固定管柱、密封环形空间、洗井等，及介绍其相应的实现方法，最后选择合适的设计方案，设计了针对单筒双井井口装置的套管头的结构；最后，选择其中重要的零部件进行计算校核，如套管头本体强度校核、螺栓的强度校核、根据API SPEC 6A 20th相关规范，选择连接密封方式、连接方式及密封件的规格参数、螺纹的种类及相关参数等。最后，对整篇论文进行总结。

关键词：单筒双井；套管头；海洋平台；套管挂

Abstract

At present, the development of offshore oil and gas energy sources is continuously heating up. However, the space of offshore platforms is relatively small and the marine conditions are complex. High costs and low oil production efficiency have always been a problem in this area. The single-tube double-well technology can not only save space, but also improve oil recovery efficiency. Therefore, the casing head, which is an important part of the wellhead device, has important significance for its research and design.

In this paper, by referring to the relevant literature, the importance of single-tube and double-well wellhead equipment for oil and gas exploration on offshore platforms is described. The status of research in this field at home and abroad is analyzed and compared; at the same time, functional analysis is performed on wellhead devices, such as control and regulation of production. , Suspension of fixed columns, sealed annulus, wells, etc., and its corresponding implementation methods, and finally select the appropriate design, designed the structure of the casing head for single-cylinder double wellhead device; Finally, select one of the important The parts and components are subjected to calculation check, such as strength verification of casing head body and strength check of bolts. According to API SPEC 6A 20th related specifications, the connection sealing method, connection method and the specification parameters of the seals, types of threads and related Parameters and so on. Finally, the paper is summarized.

Key Words：Single-tube double wells; casing head; offshore platform; casing hanging

目 录

第1章 绪论 1

1.1 目的与意义 1

1.2 国内外现状 1

1.3 毕业设计内容 4

第2章 总体方案 5

2.1功能分析 5

2.2功能实现方法 6

2.2.1密封 7

2.2.2洗井 9

2.2.3悬挂管柱 10

2.2.4连接 11

2.3总体技术方案 11

第3章 主要零部件设计计算 13

3.1套管头四通体设计及计算 13

3.2连接法兰选择及螺栓强度计算 18 3.2.1法兰选择 18 3.2.2套管头与油管头连接螺栓强度校核 20 3.2.3套管头下部双头螺栓强度校核 21

3.3套管头侧翼阀门选择及连接方式 21

3.4密封结构及密封件的选择 23

第4章 总结 26

参考文献 27

致谢 28

第1章 绪论

1.1 目的与意义

当今世界，能源作为一个国家运作的战略资源，对于人们的生活、国家安全是十分重要的。但随着各国对能源的使用加速，陆地油田所采的石油、天然气已不能满足各国发展需要，在此情况下，各国把目标转向海洋能源的开发，海洋油气勘探不断升温。但是，由于海洋情况未知且情况复杂，海洋油气开发受到多种因素的影响，所需要的费用及成本远高于陆地开发。为了降低海洋油气开发成本，一种较低成本的开发技术应运而生——单筒多井技术，也被称之为导管共用钻井技术^[1]。这种技术可以解决由于采油平台空间、面积受限导致的槽口不足、无法充分开采油气的问题，而且在一定程度上，可以节省油田的开发成本，提高采油效率，此技术一般用在储油量未知或者一些能源储存情况不明的场合。

油气开采至今为止，井口装置进行了由陆地到海上、由水上到水下的发展^[5]。而井口装置对油气开采来说，是油气从井下到井上油气输出的第一道控制设备，对于平台的正常安全生产，起到关键性的作用，其性能的优劣关系到油气井能否安全、高效地生产,对油井的安全钻采起着十分重要的作用^[2]。井口装置是海洋平台油气开采过程中的主要通道，简单来说，井口装置主要由套管头、油管头和采油树三部分组成, 主要用于监控采油井口的压力和调控生产过程中液体的流速，也可以用于洗井、清蜡、注水、测试等各种日常维护作业^[2]。特别是对于额定工作压力较高油气田而言，井口装置的安全性、可靠性尤为重要，装置良好的使用情况和安全性能，对于井下、井口的任何不安全隐患，都能很好的预防和控制，以确保整个平台的安全。在特殊的情况下，井口装置也可以远距离控制各个闸阀来调节油气生产，起到密封各层套管、油管的环形空间，连接井下管柱等作用。如需进行井下特殊作业，也可以向设计相应的结构、向井下注入化学药剂来到达目的。所以，井口装置作为采油（气）最为重要的硬件设施，不同的钻采条件、工作环境、钻采技术等所需要用到的井口装置的结构与形式也绝不相同。

套管头是井口装置组成部分中一个很重要的部分，它是处于井口装置最下面的一个部分，主要包括套管头本体、套管挂、顶丝、闸阀和压力表及各种密封元件。其作用是连接并固定井内各层套管、密封套管间的环形空间支撑上部装置重力、检测环空压力等。此处结构可以不断得到改进，主要向操作方便快捷化、密封可靠化、深井多层套管以及整体化方向发展^[4]，即将套管头结构设计的更为紧凑，现在通常将多层套管头本体制成一个整体，内部各层悬挂器通过相互承载传递重量^[2]。这样不仅可以做到减小体积，节约材料和连接件，还可以减轻自身重量，具有重要的研究意义。

1.2 国内外现状

井口装置根据不同的工作条件又分为陆上井口装置、海上平台井口装置、水下井口装置^[5]。目前，国内各油气田主要发展单油管电潜泵井口装置^[4]、双油管井口装置、整体式井口装置及整体式采油树等^[13]。而目前国外的厂商可以根据API要求生产AA~HH级别^[5]的井口装置最大工作压力可以达到138MPa^[5],构成采油树的法兰连接的闸阀额定工作压力最大可以达到210MPa^[5]。海洋平台采油作业与陆上采油类似，陆上自喷井和电潜泵采油井口装置可以直接用来海洋平台采油，但是海洋平台受面积的限制，对井口装置的结构和性能有着更高的要求，所以结构紧凑、节省空间的整体式采油井口装置多被用于海洋平台采油，而且整体式井口装置便于安装。

在井口装置的研究探索中，Vetco Gary公司曾于1959年率先使用整体式井口装置以降低海上和偏远地区的钻井费用^[5]。Aker Kvaerner公司生产的水平式采油树井口装置将整体式采油树简化为一个双联阀安装在油管头的一侧，进一步降低了井口装置的尺寸和重量^[5]，同时，修井作业时不用移动相关电液连接管线，节省了作业时间。水下井口装置是在传统的平台完井方式开采缺少经济性和开采效率的情况下被提出来的。水下井口和水下采油树是海底采油必不可少的装置。水下井口装置将各层套管悬挂固定在海底泥线之上，从而减少平台钻井的负载，等待钻井完成后可以通过井口回接装置回接各层套管到平台完井。常见的井口装置包括临时性的导向基座、永久性的导向基座、762mm导管头、井口防腐帽等^[5]。而水下完井方式是直接将水下采油树安装在水下井口头上，油气经水下采油树采出后，由水下集输管汇集并向外输出。已出现的水下采油树分为干式、干/湿式、湿式、沉箱式四种^[3]。水下采油树要求的标准压力有了很大的提高，由曾经的5000Psi发展到15000Psi^[5][13]以上。所设计的采油树在垂直形式的基础上，也出现了水平形式和垂直形式相结合的新型采油树。

单筒双井技术可以说是一种先进的将钻采导管进行共用的钻井技术，在海上平台槽口有限的情况下，利用该技术可以在单个槽口内钻两口定向井。1999年，在 QK17-2 区块开发井的钻探过程中，渤海油田首次采用了单筒双井技术^[6]。单筒双井技术适用于海洋油田的开发，对提高槽口利用率与采油效率，降低海洋资源开采成本起到很好的效果。

目前来说，套管头主要分为简易套管头和标准套管头^[7]。由于简易套管头有结构简单，操作方便，成本较低的优点及承压范围低、密封不够可靠、易发生井喷事故，卸联顶节时易倒扣，造成套管脱落事故等缺点，所以其一般适合于地层稳定，无有毒有害气体，不在井控条件下作业的井口。

而标准套管头可以分为整体式套管头和分式套管头，这两种套管头的组合形式是有所差别的。整体式套管头，即套管头结构为一个整体，只需要一次安装即可完成钻井所需的部分过程，且无需更换防喷器，具有节省时间成本，减小作业风险性等优点。同时，整体式套管头也因为它的结构特点不可避免的出现尺寸重量大的缺点，在安装使用的过程中，也就对现场作业的设备、工具有着较高要求。所以，整体式套管头只适用了70MPa左右的2层套管结构^[7]，但是，对于105MPa^[7]的3层以上套管的套管头必须使用分体式套管头。因为分体式套管头相比较于整体式套管头有较好的通用性与灵活性，可以按照工况要求可配置各种不同形式或规格的悬挂器，安装较为方便，容易处理紧急突发情况，但是相比于整体式套管头，其泄漏点较多。同时，分体式套管头一、二级套管环空压力级别不同，材质也可能不同，若套管头有质量问题，具备较好的更换条件。在防喷器压力上，二开可使用35~35MPa ^[7]的防喷器，三开则可以使用28~70MPa^[7]的防喷器组。

标准套管头按悬挂套管的层数分为单级套管头、双级套管头、三级套管头等。标准套管头压力级别为分别为21MPa、35MPa、70MPa、105MPa^[7]等。标准套管头按底部连接方式可以划分为焊接式、卡瓦式、螺纹式，三种不同的连接方式适用的条件和压力范围也不完全相同。标准套管头在悬挂器类型上，又包括芯轴式悬挂器和卡瓦式悬挂器^[12]两种，而卡瓦式套管头又包括:“W”型卡瓦悬挂器、“WE”型卡瓦悬挂器、“WD”型卡瓦悬挂器，如图1.1所示。套管头在与油管头连接处的密封多采用金属垫环密封，因为此处为法兰连接，金属垫环起到很好的密封效果且在实际应用中也最为广泛。至于悬挂的各层套管之间环形空间的密封，多使用非金属材料及结构形式密封，即二次密封。套管头中常使用到的二次密封类型包括：FS型密封圈、BT型密封圈、Y型密封圈、P型密封圈、CM金属密封圈^[7]等，如图1.2所示。FS型密封圈又分别为：AA、BB、CC、DD、EE、FF、HH级别。从DD级至HH级^[7]，其抗腐蚀性能逐步增强。

表1.1 套管头悬挂类型^[7]

表1.2 套管头二次密封类型^[7]

悬挂器是套管头悬挂固定套管的关键部分，标准套管头一般使用芯轴悬挂器和卡瓦悬挂器坐挂^[7][12]。如果使用卡瓦式套管悬挂器必须先固井后坐挂；芯轴式套管悬挂器需要先坐挂然后固井。对于回接来固井，若使用芯轴式悬挂器坐挂^[7]，结束注入水泥后需要再次进行回接，将插头插入套管悬挂器中，但是此方式并不可以确保将套管腔体内的残留水泥清洗干净，导致内层套管在坐挂时，密封槽内残留的水泥等杂质影响其密封性能，同时，通过下压套管使回接插头插入回接筒的过程中，有可能发生套管伸缩的情况，导致金属密封失效。所以，综合考虑来看，回接固井方式使用的套管头大部分选用分体式卡瓦悬挂方式^[7][15]。而其他方式均可使用固井卡瓦和芯轴式悬挂器坐挂。在密封方式中，橡胶密封和金属密封都可以应用到芯轴式悬挂器和卡瓦式悬挂器，但是对于主密封而言，芯轴式可以实现金属密封，而卡瓦式则较难实现。

现有的套管头结构中，套管与上接头、采油树直接相连，只对上端进行限位，下端则依靠悬挂机构、水泥环限位^[8]，若水泥环被破坏，悬挂作用被破坏，焊接部位受力增大，从而焊接强度不足造成焊接部位开裂^[9]，进而套管会下沉，导致整个采油树部分位置下移，给后期油井维护作业带来不必要的安全隐患。

而且目前国外采油装置最大工作压力可以达到140Mpa^[2][14]，采用法兰式连接闸阀最大额定工作压力达210Mpa^[2][14]。国外目前在不断开发并完善电潜泵井口装置及整体采油树，可以生产双通径的整体式采油树、双油管式的井口装置及单油管形式的电潜泵井口装置，还能根据油(气)田的生产情况和井内滞留流体的性质来生产陆上或海洋平台井口设备及水下井口装置^[14]。

而我国目前使用的井口装置和国外先进水平相比还有些差距，主要体现在：工作环境方面，额定工作压力级别过于密集，允许的温度范围额定值较小；在材料方面上，国内采油(气)井口装置可以选择的零件材料范围较少，如阀体，不论其在任何工况下，都使用 35CrMo^[2]，国外的材料种类则较多，如AISI4130等，同时美国高压铸件都是使用 ADO精炼^[2]，可以得到更好的外观和材料质量；最后，其它方面国外也更加灵活多变，美国相应的制造公司能根据生产情况和类型来选用不同特点的轴承、弹簧和密封件^[2][14]。最后，国内在工艺规程的制定、机加工手段等方面也有着一些差距。

综上所述，井口装置种类繁多，且针对不同的使用条件和功能要求，套管头结构也会有所不同，套管头的结构要适应不同的井口装置和应用场景。因此，对于海洋平台单筒双井井口装置，本次设计一个与之相适应的套管头有着重要的意义。

1.3 毕业设计内容

本次毕业设计应做的工作如下：

（1）对单筒双井井口装置进行功能分析，如密封功能，悬挂功能，洗井、测压等清理功能，并比较各种功能或结构的实现的方法，最后得出较优的总体方案；

（3）对主要零部件进行设计并计算，如四通体的壁厚，法兰、垫环、螺栓的型号选择，尺寸参数的查找、计算等等；

（4）完成与选题相关的文献翻译工作；

（5） 完成所设计结构的制图工作，如装配图的绘制、零件图的设计绘制等。

第2章 总体方案

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