0 引言
水下井口头系统作为深水油气生产系统的核心组成，是我国深水勘探开发装备国产化的重要突破点。依据行业规范要求，水下井口头系统在投入使用前必须经过严格的性能测试。而国内前期亦对此研究较少，没有形成用于水下井口头系统测试的成熟试验装置，影响了我国水下井口头系统产业化进程。基于此，有必要对水下井口头系统测试工装及测试技术进行重点关注。
高压井口头作为水下井口头系统中最关键的承压部件，是重点测试对象。高压井口头坐放在Φ762 mm导管头内，上部通过连接器与水下采油树或防喷器连接，下部焊接Φ508 mm套管，内部通过套管挂悬挂其他内层套管，各主要部件间均设有密封。在钻完井及正常作业期间，水下高压井口头、连接器及水下采油树/防喷器之间形成一个封闭承压腔体，隔绝内部巨大的钻井液 (生产液) 压力及外部海水压力[1]。
高压井口头在出厂前必须进行静水压测试，验证其本体承压能力。笔者在参考相关标准及工程调研的基础上，结合待测高压井口头结构，在满足测试要求的基础上，兼顾测试操作安全性及经济性，设计了一套高压井口头静水压测试装置，顺利完成了测试，并通过了DNV船级社的现场认证，验证了该套装置的合理性和可行性。该套测试装置的研制成功可为其他类似测试工装的设计提供借鉴与参考。
1 测试对象简介待测水下高压井口头规格为Φ476 mm，额定工作压力为69 MPa，工作温度为2~120 ℃，带NACE防硫化氢应力腐蚀要求，设计寿命20 a。
该水下高压井口头为一体三挂式结构形式，上部设有标准的H4连接型面，下部为套管焊接接口，内部可悬挂3层套管。高压井口头内部有四处关键密封面：顶部设有钢圈密封型面，可用于VX/VGX密封钢圈的安装，实现高压井口头与连接器之间的密封；下部分别设有3处环空密封型面，对应不同规格套管悬挂器环空密封总成的安装。在内压作用下，高压井口头会产生一定变形, 但上述4处密封尺寸变化必须在设计要求范围内，确保密封性能。
依据标准要求，高压井口头静水压测试为工厂验收试验 (FAT)，并规定了压力边界、测试条件、测试规程及验收准则。
压力边界：如图 1所示，API 17D所规定的压力边界范围；
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| 图 1 高压井口头结构示意图 Fig.1 Structural schematic of the high pressure wellhead |
测试条件：测试压力为1.5倍额定工作压力，试验温度为室温，测试介质为自来水；
测试规程：测试压力下分别保压3和15 min；
验收准则：①无可见泄漏；②每小时压降小于3.45 MPa。
2 技术分析 2.1 测试装置结构依据测试要求，静水压测试需要将高压井口头两端密封，使高压井口头形成密闭容器，再向内部加压测试[2]。经过不断优化，最终完成测试装置结构设计，如图 2所示。主要结构单元包括密封芯轴、封堵端盖及锁紧单元。
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| 图 2 测试装置结构图 Fig.2 Structural schematic of the test device 1—锁紧端盖；2—驱动螺栓；3—锁块；4—密封芯轴；5、6、8—轴向密封；7、9—端面密封。 |
2.2 测试原理
高压井口头测试装置组装完毕后，整体竖直放置，封堵端盖注水孔连接加压管线及压力监测系统，封堵端盖及芯轴背压孔连接压力监测系统，其余所有连接孔均用堵头封堵。高压井口头静水压测试示意图如图 3所示。
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| 图 3 高压井口头静水压测试示意图 Fig.3 Schematic diagram of hydrostatic pressure test ofhigh pressure wellhead 1—密封端盖；2—高压井口头；3—密封芯轴。 |
压力测试前，打开封堵端盖透气孔，利用加压管线通过注水孔向腔内注水，直至透气孔开始溢水，封堵透气孔，并清洁测试装置表面及地面水渍。加压过程中，腔体内部水压与加压管线直接相连，因此通过监测加压管线压力变化可观测腔内水压情况。压力到位后，停止加压，继续观测加压管线压力变化是否满足压降要求，直至规定保压时间，泄压，测试结束。
测试过程中，如出现压降过快或无法保压等现象，可通过保压过程中观测封堵端盖及芯轴背压压力变化，或泄压后观测测试装置表面溢水部位判断泄漏部位。
2.3 关键技术 2.3.1 密封芯轴技术高压井口头压力测试装置的关键是使其本体内部形成一个封闭腔体，若采用常规方案，可在两头利用盲板端盖封堵[3]。然而，该测试压力高达103.5 MPa，且高压井口头为大直径管状结构 (外径685 mm)，经计算，盲板端盖承受载荷高达3.87×104 kN，由此造成的测试工装必然十分厚重，且对选材强度均有较高要求，这显然不利于测试操作及成本控制。
为解决上述难题，特采取了“密封芯轴+封堵端盖”的设计方案，有效减小了密封腔体体积。该芯轴上端与端盖连接并密封，下端与高压井口头内壁密封，使得密封内腔由高压井口头内孔变为芯轴与高压井口头之间的环形间隙，有效减少了轴向压力作用面积，大大降低了封堵压力，优化了整体结构。同时，由于密封腔体体积的缩小，亦提高了测试效率及测试安全性。改进前、后测试装置结构如图 4所示。
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| 图 4 改进前后测试装置结构示意图 Fig.4 Structural schematic of the test device before andafter the modification |
2.3.2 锁紧技术
为确保密封腔的形成，封堵单元必须与高压井口头紧密固定，结合高压井口头外壁结构，特设计锁块锁紧方式。锁块结构如图 5所示。在封堵端盖内壁设计环形凹槽，内置16个矩形锁块，每个锁块锁紧型面与高压井口头H4连接型面相吻合，锁块后部设有驱动螺栓 (见图 6)，驱动螺栓头部设有一段细颈，与锁块外弧面沟槽相配合，确保通过旋转驱动螺栓可以实现锁块的前后移动，进而实现封堵端盖与高压井口头之间的锁紧与固定。
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| 图 5 锁块结构图 Fig.5 Lock block structure |
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| 图 6 驱动螺栓结构图 Fig.6 Drive bolt structure |
2.3.3 冗余密封技术
测试过程中，高压井口头、封堵端盖及密封芯轴之间均需设置密封。鉴于测试压力高达103.5 MPa，属于超高压测试，为提高测试安全可靠性，每处密封均采取了冗余设计，即均为双重密封，且2道密封之间设有背压注入通道。当与高压环境接触的内侧密封一旦不能承受103.5 MPa试验压力时，可以通过加背压的方式，在2道密封之间加压，以降低每道密封所承受的压力，从而提高密封整体可靠性[4-5]。
3 测试实施及结果基于测试能力及测试资质考虑，高压井口头静水压测试选择在国家油气田井口设备质量监督检验中心进行，并邀请了挪威船级社 (DNV) 进行了测试现场见证。
依据标准要求，测试介质选择自来水，环境温度为室温，测试压力103.5 MPa (1.5倍额定压力)，保压时间为3 min/15 min，验收准则包括：无可见泄漏，且3 min压降小于0.17 MPa, 5 min压降小于0.86 MPa。
3.1 测试前准备依据测试规程要求，实施测试前准备工作。清理端盖与芯轴表面，配合部位涂抹润滑油；连接芯轴与端盖，将连接好端盖的芯轴插入高压井口头中；拧紧驱动螺栓，将端盖锁紧在高压井口头上；连接高压注入管线，打开透气孔，注入自来水；自来水注满后关闭透气孔，检查管线连接，擦干测试工装外表面及地面水渍，准备测试。
3.2 测试过程及结果依据测试规程，实施高压井口头静水压测试，测试步骤如下：
(1) 加压至1.5倍额定压力，断开压力源；
(2) 压力稳定后开始计时，保压3 min，泄压；
(3) 加压至1.5倍额定压力，断开压力源；
(4) 压力稳定后开始计时，保压15 min，泄压；
(5) 保存测试数据其曲线，测试结束。
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| 图 7 高压井口头静水压测试曲线 Fig.7 Curve of hydrostatic pressure test of highpressure wellhead |
| 保压时间/min | 起始压力/MPa | 结束压力/MPa | 实际压降/MPa | 允许压降/MPa | 结果 |
| 3 | 103.97 | 103.83 | 0.14 | 0.17 | 合格 |
| 15 | 104.80 | 104.34 | 0.46 | 0.86 | 合格 |
测试结果显示，2次保压过程中，压降均在允许范围内，且测试结束后测试装置外表面无可见泄漏，这表明高压井口头静水压测试合格。
4 结论在参考相关标准及工程调研的基础上，结合待测高压井口头结构，在满足测试要求的基础上，兼顾测试操作安全性及经济性，设计了一套高压井口头静水压测试装置，并顺利完成了测试，得到如下结论：
(1) 高压/超高压压力测试工装要尽量减小密封腔体积，以提高测试效率及测试安全性。
(2) 重型测试工装研制要考虑装配因素，须容易对中和调平，尽量避免组装时易损伤密封件或密封面的结构设计。
(3) 压力测试工装设计须考虑密封冗余，以提高密封可靠性；并设计密封泄漏检测点，方便判断密封失效部位。
(4) 该套高压井口头静水压测试装置顺利完成现场测试并通过了DNV船级社的现场认证，现场测试结果验证了该套测试装置的合理性和可行性，可为其他类似测试工装设计提供借鉴与参考。
| [1] | 王中华.油井套管静水压检测设备设计与研究[D].上海:上海交通大学, 2002. |
| [2] | 李必文, 陶文辉, 殷立洪. 钢管静水压试验端部密封形式的应用探讨[J]. 钢管, 2008, 37(2): 61–64. |
| [3] | 李伟, 张弘, 邱真理, 等. 70 MPa石油套管静水压试验机的研制[J]. 石油矿场机械, 1999, 28(5): 12–14. |
| [4] | 王克玮. 水压试验机的大间隙密封技术[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2000, 8(10): 45–47. |
| [5] | 张宜军. 浅谈全自动高压水试验机超高压密封的选用与维护[J]. 流体传动与控制, 2008(1): 57–59. |