卡瓦式表層套管連接器的設(shè)計(jì)

孫 文

(勝利油田昊瑞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,山東東營(yíng)257513)

卡瓦式表層套管連接器的設(shè)計(jì)

孫 文

(勝利油田昊瑞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,山東東營(yíng)257513)

為了完善井口裝置關(guān)鍵部件——表層套管連接器的設(shè)計(jì)方法,從分析事故實(shí)例著手以實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù),結(jié)合理論力學(xué)的研究方法,通過(guò)嚴(yán)密的計(jì)算過(guò)程,研究卡瓦牙傾斜滑移面摩擦系數(shù)與套管徑向受力的函數(shù)關(guān)系式;得到事故發(fā)生的原因——在滑移面上涂抹的防銹潤(rùn)滑油減小了摩擦系數(shù),導(dǎo)致套管徑向受力超出其極限抗外擠強(qiáng)度。結(jié)果表明:卡瓦牙傾斜滑移面摩擦系數(shù)對(duì)套管所受徑向外擠壓力的影響十分明顯,摩擦系數(shù)越大,表層套管連接器對(duì)表層套管的徑向夾持力越小;校核套管所承受的外壓是表層套管連接器設(shè)計(jì)工作不可忽視的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

表層套管連接器;卡瓦牙;傾斜滑移面的摩擦系數(shù)

2010年初江蘇某石油機(jī)械公司出品的套管頭產(chǎn)品,在鉆井施工中因卡瓦式表層套管連接器“擠扁”表層套管導(dǎo)致套管頭脫離表層套管,出現(xiàn)井液涌井,造成施工被迫中斷。事后調(diào)查發(fā)現(xiàn),套管頭設(shè)計(jì)沒(méi)有問(wèn)題,問(wèn)題出在表層套管連接器卡瓦牙滑移表面的潤(rùn)滑油上。筆者現(xiàn)就此事故進(jìn)行分析并探討卡瓦式表層套管連接器的設(shè)計(jì)方法。

1 套管頭及表層套管連接器

套管頭是油田采油(氣)井口裝置的重要部件。圖1是典型套管頭的結(jié)構(gòu)。該裝置主要用來(lái)固定鉆進(jìn)井的井口,連接井下套管柱,可靠地密封和控制套管間的環(huán)形空間。表層套管連接器(圖1的局部視圖和圖2),就是用來(lái)連接表層套管和套管頭的裝置,它主要由連接盤(pán)和卡瓦牙組成,并通過(guò)雙頭螺柱與套管頭本體連接在一起。它是套管頭的關(guān)鍵部件。其中卡瓦牙是表層套管連接器的主要零件,卡瓦牙質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到套管頭使用安全的問(wèn)題,卡瓦牙滑移錐角的大小,滑移表面摩擦系數(shù)是否恰當(dāng),表面硬度是否足夠,這些因素的設(shè)計(jì)確定都需要仔細(xì)推敲。通過(guò)受力分析和力學(xué)計(jì)算研究這些因素是如何影響表層套管連接器工作效果的。

圖1 套管頭剖視圖

圖2 表層套管連接器結(jié)構(gòu)

2 卡瓦牙的工作原理

卡瓦牙的制造方法是先車(chē)制一個(gè)內(nèi)孔有多個(gè)鋸齒、截面為楔形的旋轉(zhuǎn)體,按照一定的硬度進(jìn)行熱處理,最后沿徑向用線切割的辦法均布分割成4～6塊楔形的“牙體”,如圖3(a)所示,為了減小外形尺寸,增加軸向受力面積通常采用圖3(b)的形式。

圖3 滑面卡瓦牙

參照?qǐng)D2不難理解卡瓦牙的工作原理。它首先是依靠?jī)?nèi)側(cè)的多個(gè)鋸齒牙卡住表層套管的外圓面,當(dāng)擰緊上端栽入套管頭本體的螺柱時(shí),就會(huì)帶動(dòng)連接盤(pán)上移,進(jìn)而造成表層套管連接器產(chǎn)生整體向上的趨勢(shì),但由于表層套管上端頂在套管頭本體內(nèi),從而造成卡瓦牙越發(fā)牢固地卡住表層套管,甚至使內(nèi)側(cè)的鋸齒鑲?cè)牍荏w里,實(shí)現(xiàn)了連接表層套管和套管頭本體的功能。

3 卡瓦牙的受力分析

從上面分析的卡瓦牙工作狀態(tài)可以看出,卡瓦牙受4個(gè)力的共同作用[1],如圖4所示。

圖4 卡瓦牙受力分析

卡瓦牙在這些力的共同作用下處于平衡狀態(tài),即其“合力”為零。

(1)首先是通過(guò)傾斜滑移面?zhèn)鬟f的——來(lái)自連接盤(pán)的支撐力“N”,它垂直于傾斜滑移面[2];

(2)在N的作用下產(chǎn)生了表層套管的反作用力“F徑”,F徑作用于水平方向;

(3)因?yàn)檫B接器懸掛著表層套管,所以表層套管會(huì)對(duì)卡瓦牙產(chǎn)生一個(gè)豎直向下的墜力“F墜”;

(4)傾斜滑移面上存在著作用力和反作用力,且還存在趨向下方的趨勢(shì)力F墜,故存在摩擦力f的作用,摩擦力f的方向是平行滑移面的。其大小與N有以下關(guān)系:

式中,μ為傾斜滑移面摩擦系數(shù)。

為了便于計(jì)算,把卡瓦牙的這些受力均分解到水平方向和豎直方向,如圖4所示。傾斜滑移面支撐力N在水平方向和豎直方向的分力分別為N水平和N豎直。

若令傾斜滑移面的傾斜角為α,則據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可得出

摩擦力f在水平方向和豎直方向的分力分別為f水平和f豎直。

卡瓦牙在這些力的作用下,處于平衡狀態(tài),則其在水平正、負(fù)方向的受力是均衡的,所以有關(guān)系式

同樣,其在豎直正、負(fù)方向的受力也是均衡的,所以也有關(guān)系式

將式(2)和式(4)帶入式(6),化簡(jiǎn)后得關(guān)系式

將式(3)和式(5)帶入式(7),化簡(jiǎn)后得關(guān)系式:

合并式(8)和式(9),化簡(jiǎn)后可得關(guān)系式

若表層套管連接器所受的軸向力F墜和滑移面的斜角α一定,則表層套管連接器對(duì)表層套管的徑向卡緊力F徑和滑移面的摩擦系數(shù)μ存在式(10)所表達(dá)的函數(shù)關(guān)系(圖5)。

式(10)和曲線圖表表明:卡瓦牙傾斜滑移面摩擦系數(shù)越大,表層套管連接器對(duì)表層套管的徑向夾持力就越小。

4 事故分析

通過(guò)以上對(duì)卡瓦牙的受力分析,發(fā)現(xiàn)所提事故產(chǎn)生問(wèn)題的根源。

圖5 卡瓦牙滑移面的摩擦系數(shù)對(duì)套管所受徑向外擠壓力的影響

設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)中關(guān)于表層套管抗外擠能力的計(jì)算過(guò)程如表1所示。

從設(shè)計(jì)表中給出的計(jì)算過(guò)程和結(jié)果來(lái)看,原設(shè)計(jì)是安全、合理的。但這是在連接器滑移面摩擦系數(shù)μ=0.15的情況下獲得的。而實(shí)際組裝時(shí)使用了潤(rùn)滑脂,導(dǎo)致連接器滑移面摩擦系數(shù)降低到μ′≤0.06。

表1 表層套管抗外擠能力計(jì)算

再根據(jù)實(shí)際情況來(lái)校核表層套管在實(shí)際的外擠壓力下是否安全:把潤(rùn)滑情況下的實(shí)際摩擦系數(shù)μ′=0.06代入式(10)求“實(shí)際情況下”卡瓦牙對(duì)套管的徑向夾持力“F徑′”,并計(jì)算“實(shí)際情況下”套管承受的外擠壓強(qiáng)“p擠′”。具體步驟是:

(1)據(jù)式(10)計(jì)算“實(shí)際情況下”卡瓦牙對(duì)套管的徑向夾持力

(2)計(jì)算“實(shí)際情況下”套管承受的外擠壓強(qiáng)

(3)“實(shí)際情況下”套管承受外壓與其許用外擠壓強(qiáng)對(duì)比。

可見(jiàn),“實(shí)際情況下”套管抗外擠壓的能力不足,不安全。

5 杜絕類(lèi)似事故的方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)

從以上的對(duì)比分析中,可以找到杜絕發(fā)生此類(lèi)事故的有效方法,即加大連接器滑移面摩擦系數(shù),從而減小表層套管連接器對(duì)表層套管的徑向卡緊力“F徑”,并最終達(dá)到避免因徑向卡緊力過(guò)大產(chǎn)生擠毀表層套管的目的。為了實(shí)現(xiàn)此種效果,可以采用如圖6所示的優(yōu)化方法來(lái)加大連接器滑移面摩擦系數(shù)。

改進(jìn)后的卡瓦牙因?yàn)樵谕鈧?cè)滑移面添加了防滑牙槽,而使其連接器滑移面摩擦系數(shù)大大增加,根據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),改進(jìn)后連接器滑移面摩擦系數(shù)約為0.19～0.23。代入式(8)～(10),可計(jì)算出優(yōu)化設(shè)計(jì)的卡瓦牙對(duì)套管的徑向擠壓,僅相當(dāng)于原設(shè)計(jì)的88%,從而進(jìn)一步減小了表層套管被擠毀的可能性。

圖6 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的卡瓦牙

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)比較計(jì)算出的套管徑向承壓值(22.3 MPa)和“實(shí)際情況下”的套管徑向承壓值(28.1 MPa),可以發(fā)現(xiàn)連接器滑移面摩擦系數(shù)對(duì)套管承受夾持力的影響很大。摩擦系數(shù)越大,表層套管連接器對(duì)表層套管的徑向夾持力就越小。所以在設(shè)計(jì)表層套管連接器時(shí),要關(guān)注卡瓦牙滑移面的摩擦系數(shù);并校核套管所承受的外壓。另一方面,全面考慮可能遇到的各種情況,并說(shuō)明設(shè)計(jì)產(chǎn)品的工作狀況是十分必要的。

[1] 張鴻瑾.簡(jiǎn)明理論力學(xué)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2008:77-93.

[2] 洪培成,陸勉文,高鳳琴.靜態(tài)力學(xué)概論[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004:25-33.

[3] 陳如恒,沈家駿.鉆井機(jī)械的設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京:石油工業(yè)出版社,1995:197-203.

[責(zé)任編輯] 王艷麗

TE 931+.1

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1673-5935(2010)04-0019-04

2010-09-28

孫 文(1974-),男,山東臨朐人,勝利油田昊瑞石油機(jī)械有限責(zé)任公司工程師。