0 引言

随着深水钻井作业费用的与日俱增，如何高效安全地完成钻井工程，已成为当前深水作业的工作要点^[1-2]。固井作为钻井的一部分，同样具有重要作用，而作为固井重要井口装备的水泥头，因为其技术集成度高、科技含量高，所以一直被国外公司垄断，例如哈里伯顿公司的Commander 1000Top_Drive Cementing Head、贝克休斯公司的LaunchPRO Wireless TD Cement Head以及威德福公司的Remote_Control Top_Drive Cementing Head^[3-5]。随着我国海洋油气资源的勘探开发以及对自主知识产权需求的不断增多，国内科研院所近年来也逐渐开始重视深水固井水泥头，并开展相关技术的研究工作。

1 深水固井水泥头功能特点及技术要求

(1) 深水、超深水钻井主要采用半潜式钻井平台和钻井船2种浮式钻井装置。由于井口设计在海底，套管头不连接到钻台面，所以大多采用水下释放塞固井工艺进行固井。固井期间分别用钢球(或矛塞)和钻杆塞释放下胶塞和上胶塞，因此要求固井水泥头具有双胶塞和憋压球的储存以及投放功能^[5-8]。

(2) 深水、超深水井一般采用ø177.8 mm(7 in)尾管悬挂技术固井完钻，随着大位移井、水平井和大斜度井越来越多，逐渐使用旋转尾管固井技术，解决尾管下入遇阻和固井质量问题，而且海上平台钻机一般都配备顶驱。因此，要求深水固井水泥头具备顶驱驱动旋转功能^[9]。

(3) 由于海上作业对安全性要求较为苛刻，所以装备应尽量采用自动化系统，使作业人员避开固井作业时井口的高压危险区域。因此，深水固井水泥头需配置自动化的远程控制系统，所有操作都应具有手动备份，同时具备操作动作显示，以监控作业状态。

(4) 海上作业最大的特点就是高成本，任何作业环节在保证质量的同时，都应尽量缩短等待和维修等非作业时间。因此，要求水泥头操作简单、便于装卸，能够耐海水腐蚀，长期使用。

2 关键技术分析

虽然国外公司的深水固井水泥头形式多样，但基于同样的工艺条件以及使用环境，它们都有顶驱泵注旋转、双塞一球的投放、“手自一体”的远程操控和操作显示监控辅助功能，并具有高承载和高耐压等技术特点，这是深水固井水泥头的关键技术，也代表深水固井水泥头的发展方向^[10-11]。

2.1 结构模块化技术

固井作业时要求水泥头投塞和投球等功能单元能灵活取舍、快速拆卸组装以满足不同工艺需求，因此水泥头机械结构的模块化设计在以实用、高效为目标的深水、超深水钻井平台上显得尤为重要。以哈里伯顿公司的Commander 1000Top_Drive Cementing Head结构为例，整体机械结构由泵注旋转单元、上塞投放单元、下塞投放单元以及投球单元4个模块组成，结构如图 1所示。

泵注旋转单元连接外部循环和固井管线，上螺纹连接顶驱，能够实现心轴旋转和外部管汇连接机构不旋转的功能。各单元模块采用哈里伯顿公司独有专利技术(快装螺纹机构)进行连接，能够实现轴向载荷8 900 kN，扭矩100 kN·m的可靠连接。各功能单元模块内的投塞、投球以及指示等功能机构(见图 2)也采用模块化设计思路，独立装配成形后，采用插入式法兰连接方式快速连接到各模块单元的本体上，实现各功能模块快速装卸，便于灵活组合选用和维护，同时水头各机械连接处额定密封压力高达70 MPa。

2.2 高压旋转密封技术

深水固井水泥头泵注旋转单元主要实现与外部循环固井管汇连接，水泥头装置通过上接头连接到顶驱上。由于水泥头内腔旋转时，连接外部管线的由壬接头以及气路接头无法旋转，所以在可旋转的本体与管线所连接的无法旋转的外壳之间需设计高压旋转密封，结构如图 3所示。深水固井水泥头额定密封压力压力不低于70 MPa，气路密封不低于0.8 MPa，旋转时速度不低于20 r/min，连续旋转12 h以上，在固相颗粒30~60目的钻井液或水泥浆这种恶劣密封介质下要求高压旋转密封长期稳定可靠，技术难度较大，同时为减少密封组的更换次数，提高对环境的适应性，旋转密封往往有密封间隙可调的功能。目前，国外公司采用耐磨橡胶设计成的组合密封虽然已达到技术要求，但仍然需要持续地对密封结构进行优化和性能改进。

2.3 功能机构集成技术

多种功能高度集成成为水泥头动作功能单元设计的难点，也是其关键技术之一。

威德福公司深水水泥头“手自一体”带有指示及安全锁定功能的投塞机构如图 4所示。旋转气缸与旋转手轮对称分布在旋转心轴两端，通过气动控制或手动旋转手轮带动心轴旋转90°实现胶塞投放，同时在心轴末端设置有投塞指示杆跟随心轴联动，以标识心轴位置，实现动作指示功能。心轴上设置有锁定阀，在非工作期间，锁定阀锁定心轴位置，以避免人为或碰撞引起心轴旋转而错误投塞。

2.4 机构气动驱动技术

水泥头气动驱动系统一般包括气动三联件、电磁开关阀、电磁换向阀、调速阀和执行气缸等部件。通过执行气缸的直线运动或旋转运动带动水泥头功能机构动作，完成相应功能。以投球执行气缸气路控制为例，其控制原理如图 5所示。钻机0.8 MPa气源经过滤三联件处理后引入气路，电磁开关阀作为气源的开关。初始状态时，两位四通电磁换向阀为右位机能；需要投球操作时，控制两位四通电磁换向阀上电，控制气缸前进，推动机械机构完成投球动作，随后电磁换向阀断电，两位四通阀回到右位机能，投球气缸复位，不影响后续释放胶塞作业。

在可执行器气路上增设调速阀，实现气路开度控制，能有效保障执行器动作平缓，同时拔除调速阀，断开气缸气路，可手动操作实现功能机构动作。各电磁阀分配独立的控制点位、设置严格的控制逻辑次序，以保证气动控制的安全可靠。

2.5 水泥头远程操控技术

水泥头通信控制系统采用上位机与下位机通过无线通信方式进行操控信息交互的架构模式^[11-12]。上位机一般采用微处理机或工业PLC作为主控器，外围配套通信控制电路模块，整体集成到水泥头本体上，负责气动系统中各电磁阀的驱动和动作反馈显示。下位机一般采用便携式控制箱，通过触摸屏组态人机交互界面或通关分布操控按钮，以此作为水泥头的操作指令输入及显示终端。上位机与下位机可采用成熟无线通信技术进行数据交换，所有电力器件均采用自防爆型蓄电池供电。

为保证系统正常运行及防止误操作，设置“看门狗”负责程序状态监测及纠正，在操作终端所有指令键均采用“复合键”模式输入。为便于施工步骤的状态监测，上位机的控制动作状态与下位机操作终端面板上流采取同步显示方式。

2.6 辅助装置配套

深水固井水泥头一般体积较大，为提高操作效率，需设置专用装胶塞工具，如图 6所示，利用该工具可将多组胶塞从水泥头顶部快速装入到位。为了便于海上运输和吊装，深水水泥头配置专用吊箱，如图 7所示。深水水泥头及其所有辅助配套装置均需要按照API和DNV认证的标准及规范来设计和生产。

3 结束语

深水固井水泥头是重要的井口装备，因为其技术集成度高、科技含量高，所以一直被国外公司垄断。为此，笔者从固井工艺、井深结构、安全可靠性和经济性等方面阐述了深水固井水泥头的功能特点及技术要求，分析了深水固井水泥头的结构模块化、高压旋转密封、功能机构集成、机构气动驱动和远程操控等几项关键技术的原理及性能特点，指明了深水固井水泥头将来的发展方向。研究结果可为国内相关机构开展深水固井水泥头的研制提供参考。