海洋油气钻采井口连接器专利技术综述
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摘 要 目前海洋油气钻采正蓬勃发展，井口连接器作为勘探开发设备的核心部件，起到连接海洋钻采井口系统与隔水导管的作用，其对连接的密封性、快拆快接、抗拉抗弯、精准对接具有较高的技术要求。本文基于专利角度，对海洋钻采井口连接器的技术构成、国内外专利研究现状、研究热点进行了分析。结果表明刚性连接中的卡箍连接是能够综合实现上述技术要求的最优连接器，而卡箍连接的关键技术在于卡接结构和密封件的改进。
关键词 井口连接器;海洋油气钻采;卡箍连接;专利分析
1 技术构成
海洋油气的勘探开发是陆地油气勘探开发的延续，经历了一个由浅海到深海、由简单到复杂的发展过程。而作为勘探开发设备的核心部件井口连接器，是实现海洋钻采水下井口系统与隔水导管连接的关键，其研究热点可分为刚性连接器、柔性连接器、安装方法及安装装置，其中涉及刚性连接的专利约有870项，占比72.7%;柔性连接约有140项，占比11.7%，安装方法和安装装置的研究偏少。
由于井口等设备长期设置于海底，与常规的地面设备相比操控更难，因此存在如何实现水下的精准对接技术难题;同时海水具有盐度的腐蚀，这对连接处的密封性要求高;当出现台风或井喷等事故时，需要快拆或快接设备;受海水深度、波浪潮汐、洋流等影响，如何补偿轴向、径向位移进而实现抗拉抗弯也是急需解决的技术难题。即从技术功效来看，密封性、快拆快接、抗拉抗弯、精准对接是评价水下井口连接质量的重要指标。这其中刚性连接特别注重上述技术功效的研究。而精准对接功效是整个井口连接器领域的研究重点，刚性连接、柔性连接、安装方法、安装装置分别涉及专利147、73、3、17项[1]。
2 专利研究现状
国外从20世纪四五十年代开始进行井口连接器的研发，经过几十年的发展已经形成了一系列的产品，并积累了丰富的工程经验。由于海洋工程装备具有高风险高投入的特点，所以只有少数几家欧美的大公司占据着主要的市场份额，如Vetco、Cameron、FMC、Aker。
2.1 全球专利申请概况
2010年以前，水下井口连接器的专利申请数量较少，年均申请量在10-20项左右，主要原因是对于海洋油气资源的需求量不大，陆上油气资源已能够满足需要，且水下情况复杂。2010年以后，随着能源需求量增大以及技术水平的提高，国内外各大油气公司将目光纷纷投向海洋油气资源，作为海洋油气勘探开发设备的关键部件井口连接器成为发展的热点。其中美国在水下井口连接领域占有绝对优势，位居前列还有英国、挪威，专利申请量分别占总申请量的56.8%、9.8%、7.3%。
2.2 在华专利申请概况
水下井口连接技术在华专利申请起步较晚，2005年才逐步有申请，并且至今，每年的申请量依然较少，均在20以下。近年来，由于我国加大了海洋油气资源的开发投资力度，国内相关企业、高等院校才开始进行相关研究，但是进展依然缓慢。国外从1988年开始在中国进行专利布局，申请量于2008年开始大幅度增加，并于2012年达到顶峰，随后几年随着重要专利布局逐步完成，专利布局变得更有针对性，申请量略有下降。国外来华专利主要来自美国、英国，其中美国占申请总量的28.7%。
3 技术发展脉络与关键技术
3.1 水下卡箍连接发展脉络
水下井口连接中的专利申请以刚性连接为主，刚性连接可分为：螺纹连接、卡箍连接、法兰连接以及辅助支撑，其中卡箍连接为最重要的研究点。卡箍连接改进点一般在于密封件、卡接结构、驱动机构、整体设计的改进，分别涉及专利103、146、66、106项，并以改进卡接结构以提升连接强度和拆接便利性、改进密封件以提高密封性为研究热点。
2000年以前密封的主要研究方向为密封圈的设置，2000年以后为金属密封配合非金属密封的联合密封方式，以及针对密封件形状的改进;2000年以前卡接结构的主要研究方向为卡接结构的宏观布置的改进，2000年以后为卡接结构微观形状的改进;2000年以前驱动机构的主要研究方向为驱动方式的整体布置的选择，2000年以后为驱动机构具体结构的改进。总体而言，卡接结构由单级向多级、齿簧以及多样齿形发展，连接强度越来越大，齿状卡簧强度大，但对中难，需要配套改进对中机构;密封由橡胶密封向金属密封以及联合密封发展，密封件形状多样，密封性能逐渐增强;驱动由机械向液压以及双驱动发展，安全性更高。
3.2 水下卡箍连接关键技术
现有技术中的水下卡箍连接多是两个半卡箍通过螺栓连接，该连接方式连接时间长，较难对中，且拆卸困难。对此，Cameron公司研究了一种卡爪式连接器，沿周向设置有可向内收缩的若干卡爪，卡爪外周设置有靠轴向运动驱动卡爪收缩和扩张的楔形轴套，并通过液压驱动。同时卡爪设置成可拆卸的卡定接触部，以適应槽状或齿状的卡定配合。通过楔形轴套上下的两个液压腔与不同的液压管路连接，控制轴套上下运动，当轴套向下运动时推动卡爪收缩实现卡接;当轴套向上运动时，推动卡爪扩张而实现卡接的释放，最终实现快接和快拆。
现有技术通常运用金属、橡胶密封，但密封效果不够理想。对此，Vetco公司研究了一种将金属部件和橡胶件集成的密封装置，包括封闭端相对设置的两个U形金属密封环，封闭端设置凸台，将一个塑性部件设置在两个U形金属密封环之间，塑性部件上下设置凹槽与U形金属密封环封闭端的凸台卡定实现连接，U形金属密封环内壁设置凹槽。在上下两个U形金属密封环外侧设置压头，压头外壁设置凸起与U形金属密封环内壁的凹槽配合。当卡箍连接时，会压缩上下两个压头，使压头凸起进入U形金属密封环内的凹槽配合，继续挤压中间的塑性部件实现密封。
4 结束语
随着海洋油气开发不断由浅海向深海发展，亟须连接强度高、密封性好、容易安装和拆卸的水下井口连接器，而刚性连接中的卡箍连接是能够综合实现上述技术效果的最优连接器，即卡箍连接是专利研究热点和未来发展方向。而卡箍连接的关键技术在于卡接结构和密封件的改进，改进卡接结构以提升连接强度和拆接便利性，改进密封件以提高密封性。
参考文献
[1] 雒晓康.水下井口与采油树应用技术研究[M].中国石油大学出版社，2014：73.
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