深水低壓井口下入工具結構設計與承載特性分析

闞長賓，楊進*，周建良，劉書杰，張思敏，胡南丁，殷啟帥

1 中國石油大學(北京)石油工程學院 北京 102249 2 中海石油研究總院 北京 100027 3 清華大學機械工程學院 北京 100084

深水低壓井口下入工具結構設計與承載特性分析

闞長賓1，楊進1*，周建良2，劉書杰2，張思敏3，胡南丁1，殷啟帥1

1 中國石油大學(北京)石油工程學院 北京 102249 2 中海石油研究總院 北京 100027 3 清華大學機械工程學院 北京 100084

深水低壓井口下入工具是低壓井口管柱的唯一平臺轉移和鉆臺下入工具，影響著深水導管的安全高效下入作業(yè)。為打破國外技術服務公司的長期技術壟斷，通過對深水低壓井口下入工具的結構設計、工作原理、工作過程及深水鉆井平臺操作工況、作業(yè)程序、作業(yè)關鍵技術難題的研究，設計了一種采用圓頭T型卡簧推桿、錐面軸套及卡簧相配合的新型深水低壓井口下入工具的鎖緊與釋放結構；應用該鎖緊與釋放設計結構并配合安裝導向頭設計結構，可使下入工具適應于深水惡劣操作工況條件；通過對不同作業(yè)工況條件下的承載力學特性分析和操作過程仿真分析，研究了結構系統安全性及工具鎖緊與釋放過程的可行性；數值模擬分析表明，起吊、下入最危險操作工況條件下，許用應力安全系數分別為3.87、4.98。本研究可為安全、高效地開展深水低壓井口頭平臺轉運及下入作業(yè)提供一種新的設計思路和方法。

深水鉆井；下入工具；結構設計；承載特性；仿真分析

0 引言

近年來，隨著我國深水開發(fā)的需要，深水鉆完井總井次迅猛增加，但深水所需的鉆完井技術裝備、鉆完井井下工具、深水水下井口及配套工具等嚴重依賴國外技術[1]。這些國外技術存在著下入效率低下、工序適應性差、工序多、供貨周期長等技術局限，嚴重制約了我國海上高效作業(yè)施工要求及南海敏感區(qū)域的勘探開發(fā)進程[2-3]。

AKERS T J、BECK、JEANJEAN等學者[4-7]對深水低壓井口導管管柱的下入設計和操作控制因素進行了研究，并結合現場實施案例對下入操作參數及施工難點進行闡述。楊進、周建良、劉書杰、管志川、蘇堪華等[8-10]廣泛開展了深水導管噴射下入機理、水力參數、導管承載力、導管下入深度、導管下入安全性等方面的研究，取得了一些理論創(chuàng)新及技術成果。GREGORY D W、GUILLAUME N、陳國明、暢元江[11-14]等開展了深水表層導管安裝方法及風險控制技術研究，并對深水導管下入過程進行了風險識別并提出了相應的控制措施。周俊昌[15]等開展了送入管柱的設計，對送入管柱進行了負載力學特性的研究，并通過建立的送入管柱設計計算模型進行了下入過程的計算研究，討論了下入作業(yè)過程常見問題的現場應對策略。但這些研究都是基于國外的設備或工具開展的一些機理研究、設計計算，而對于深水低壓井口下入工具的自主設計與研究，國內未見公開報道，國外的也因深水技術封鎖而鮮有公開的論文、專著等技術資料的報道。

通過對深水低壓井口鉆井平臺下入作業(yè)工況的分析及下入關鍵技術的研究，針對低壓井口下入過程的技術控制性因素研究了一套深水低壓井口下入工具，并對其進行了不同作業(yè)工況的承載力學分析與模擬，最后結合平臺操作過程進行了運動仿真。

1 系統構成與結構設計

工具結構示意圖如圖1所示。系統主要由坐落機構、工具鎖緊與釋放機構、鎖緊狀態(tài)示位機構、密封機構、工具維保構件及附屬構件等構成。其中，坐落機構主要構件有：井口安裝導向頭、中心轉動軸、下入工具本體、坐落防轉銷等；工具鎖緊與釋放機構的主要構件有：中心轉動軸、錐面軸套、矩形螺紋副、錐面軸套限位銷、圓頭T型卡簧推桿、卡簧減阻墊圈總成、預應力卡簧等；鎖緊狀態(tài)示位機構主要構件有：示位桿、錐面軸套、示位桿墊圈、示位桿減阻帽、示位桿復位彈簧、示位桿密封圈等。

圖1 低壓井口下入工具結構示意圖Fig. 1 The diagrammatic sketch of running tool of conductor wellhead

1-下入工具本體；2-預應力卡簧；3-坐落防轉銷；4-中心轉動軸；5-錐面軸套；6-圓頭T型卡簧推桿；7-卡簧上端面密封圈；8-示位桿；9-半月型承載板；10-密封壓蓋；11-端密封圈；12-O型密封圈；13-軸密封總成；14-端蓋緊固螺栓；15-示位桿復位彈簧；16-示位桿減阻帽；17-卡簧減阻墊圈總成；18-保養(yǎng)孔銷釘；19-錐面軸套限位銷；20-O型圈；21-承載墊圈；22-安裝導向頭；23-O型下端面密封圈；24-矩形螺紋副；25-卡簧限位銷；26-過流通孔；27-軸套檢修銷釘；28-示位桿密封圈；29-示位桿墊圈

工具的主要結構性構件有：中心轉動軸、工具本體、錐面軸套、半月型承載板、密封蓋板、圓頭T型卡簧推桿、卡簧、端蓋緊固螺栓、錐面軸套限位銷、承載墊圈、坐落防轉銷等。其中，工具本體通過中心轉動軸下端預設置的安裝臺肩及承載墊圈進行下端面的裝配，并通過半月型承載板、密封蓋板、端蓋緊固螺栓，與中心轉動軸上端預設置的上端安裝臺肩進行上端面的配合安裝，可實現中心轉動軸與工具本體之間的正旋及反正旋方向的自由轉動。錐面軸套通過矩形螺紋副與中心轉動軸進行配合安裝，實現了通過中心轉動軸正旋及反正旋的轉動而帶動錐面軸套沿軸向的上下運動，其運動過程是中心轉動軸的旋轉運動并與錐面軸套限位銷的配合而實現的運動過程。工具本體上設置有圓頭T型卡簧推桿安裝槽，圓頭T型卡簧推桿通過與推桿安裝槽進行配合安裝。預應力卡簧通過設置于工具本體上的卡簧安裝槽進行裝配，預應力卡簧安裝后，可將卡簧減阻墊圈和圓頭T型卡簧推桿通過卡簧的預張緊應力進行機械約束并限位于安裝槽內。鎖緊狀態(tài)示位機構通過與示位桿復位彈簧、示位桿密封圈、示位桿墊圈、示位桿減阻帽的配合，安裝于半月型承載板和密封壓蓋的預設安裝孔中，當錐面軸套作沿中心轉動軸軸向運動時，可直接對下入工具的鎖緊及釋放狀態(tài)進行位置標識直讀。

2 工作過程及工作原理

2.1 工作過程及原理

應用下入工具進行下入操作可分為：井口坐落、鎖緊井口、管柱起下和釋放工具4個作業(yè)工序。

(1)井口坐落工序

因鉆井平臺受風、波浪、海流等復雜外載作用并伴隨垂蕩、搖擺等多自由度的復雜作業(yè)工況條件，通過工具本體上設置的安裝導向頭，可實現大通徑工具的聯接面迅速對接。當導向頭進入低壓井口特定距離，則導向頭與低壓井口通過形尺寸配合自動完成工具與井口的居中對正，然后平穩(wěn)下放大鉤便可完成井口坐落工序。如圖2所示，為下入工具坐落低壓井口的安裝姿態(tài)示意圖。

(2)鎖緊井口工序

此過程是通過反正旋轉動中心轉動軸來實現，隨著中心轉動軸反向旋轉角度的增加，矩形螺紋副將扭矩傳遞給錐面軸套，而錐面軸套又通過與錐面軸套限位銷的配合，使錐面軸套將扭矩轉化為沿軸向向下的平移運動，此平動過程又將圓頭T型卡簧推桿在錐面形配合的作用下沿徑向將推桿向外推開，進而又由推桿將卡簧推開，完成反正旋方向旋轉9圈后，便完成了鎖緊工序，同時，操作過程中要注意觀察示位桿的標識位置的變化，鎖緊結束時示位桿要確保處于鎖緊狀態(tài)位置。如圖3所示，為下入工具鎖緊低壓井口的安裝姿態(tài)示意圖。下入管柱經鎖緊工序、下入管柱作業(yè)工序后，便可進行工具釋放工序，釋放過程為鎖緊過程的逆過程。

圖2 下入工具坐落低壓井口姿態(tài)示意圖Fig. 2 The diagrammatic sketch of running tool posture while landing the wellhead

圖3 下入工具鎖緊低壓井口姿態(tài)示意圖Fig. 3 The diagrammatic sketch of running tool posture while locking the wellhead

圖4 圓頭T型卡簧推桿正壓力仿真曲線Fig. 5 Simulation press curve of T thrusting rod

管柱起下過程為鉆桿起下過程，與常規(guī)起下鉆桿桿柱無異，故未作描述。

2.2 工作過程特點

在鉆井平臺現場操作過程中，由于鉆井平臺存在不可避免的浮沉及搖擺運動，深水低壓井口與下入工具均為大通徑的工具面對接聯接，其甲板聯接與鎖緊過程為施工操作的難點。針對此技術難題，在下入工具設計中設置有安裝導向頭機構，當下入工具的導向頭機構進入低壓井口頭一定距離時，導管在導向機構的引導與扶正作用下可迅速完成居中與對正，此時平穩(wěn)下放大鉤便可實現下入工具自動坐落，使此操作過程大為簡化、施工更安全、便捷、高效。

圓頭T型卡簧推桿呈120°均勻布于工具本體上，安裝槽內設置有4處配合摩擦面，配合摩擦面的設置可保證推桿沿徑向方向的推出狀態(tài)，使得作用于預應力卡簧上的外推力沿軸向均布，承受均勻外推力作用，同時減小了圓頭T型卡簧推桿與推桿安裝槽在高負載工況條件下的摩擦阻力，提高了工具的裝配精度。

圖5 圓頭T型卡簧推桿徑向位移仿真曲線Fig. 5 Simulation radial displacement of T thrusting rod

圓頭T型卡簧推桿與預應力卡簧采用大面積的形狀配合，改善了卡簧在徑向上的受力狀況，使得鎖緊與釋放工況具有更高可靠性。

2.3 工作過程仿真

基于所建立的下入工具三維結構，利用運動仿真軟件對其進行了運動及力學特性分析，研究其鎖緊與釋放過程的運動特性參數。計算模擬過程中設置卡簧預張緊應力為15 kN，圓頭T型卡簧推桿與推桿安裝槽之間的摩擦系數設置為0.15，錐面軸套與圓頭T型卡簧推桿之間的摩擦系數設置為0.15[16-18]。如圖4、圖5所示，為中心轉動軸發(fā)生旋轉轉動時，圓頭T型卡簧推桿發(fā)生的所受正壓力曲線和沿徑向位移曲線。

由仿真曲線，隨著中心轉動軸扭轉角度的逐漸增加，錐面軸套逐漸向下運動，當轉數n=2.29時，錐面軸套的圓錐面與圓頭T型卡簧推桿的內側端配合，此過程為圖中OA區(qū)間所示過程；隨著中心轉動軸扭轉角度繼續(xù)增加，在軸套錐面與推桿的形狀配合作用下，圓頭T型卡簧推桿沿徑向被逐漸推出，當轉數n=7.21時，錐面軸套的圓錐面則越過圓頭T型推桿的內端面，此時圓頭T型卡簧的徑向位移最大、所受正應力最大，此過程為圖中AB區(qū)間所示過程；繼續(xù)旋轉中心轉動軸，錐面軸套繼續(xù)下行，軸套的上端平面與圓頭T型推桿的內端面進行配合，圓頭T型卡簧推桿停止徑向運動從而產生一個相對恒定的卡簧正壓力，當轉數n=9.0時，錐面軸套下端面抵住工具本體，完成工具鎖緊過程，此過程為圖中BC區(qū)間所示過程，目的是防止管柱起下時產生錐面軸套反向旋轉的回旋作用力。

3 不同工況條件下的承載力學分析與模擬

3.1 鎖緊與釋放過程力學分析

下入工具在起下鉆柱組合之前，先要進行平臺上的鎖緊與釋放操作，此過程可視為由中心轉動軸與錐面軸套組成的螺紋運動副的扭矩轉化為錐面軸套的推力的過程。力矩傳遞過程為軸向載荷作用，根據矩形螺紋的螺旋傳動副的簡化受力分析，錐面軸套軸向推力的力學平衡方程為：

式中：T為下入工具的中心轉動軸旋轉時，錐面軸套產生的沿軸向推力，kN；M為中心轉動軸扭矩，kN·m； d為矩形螺紋傳動副的螺紋中徑圓直徑，m；λ為中心轉動軸的矩形螺紋傳動副螺紋升角，°；ρ為矩形螺紋傳動副的摩擦角，°。

下入工具在鎖緊深水低壓井口過程中，鉆井平臺液壓大鉗通過轉動中心轉動軸，將轉動扭矩通過錐面軸套與圓頭T型推桿的配合轉化為圓頭T型卡簧推桿的頂推力，從而將卡簧推開，卡簧與低壓井口的鎖緊凹槽進行形狀配合后完成鎖緊過程。由下入工具鎖緊過程的平衡條件知：

式中：FN為反正旋方向鎖緊過程中，錐面軸套產生的錐面正壓力，kN；γ為錐面軸套的錐面與豎直方向的夾角，°；fζ為圓頭T型卡簧推桿與卡簧安裝槽第ζ配合面的摩擦阻力，kN；l為圓頭T型卡簧推桿的圓頂推面長度，m；σ為圓頭T型卡簧與低壓井口的接觸面徑向寬度，m；T(s)為圓頭T型卡簧推桿圓頂推面所受正壓力的分布。

下入工具釋放過程為鎖緊操作過程的反過程，由受力平衡條件可得：

式中：FP1為釋放工況條件下，深水低壓井口安裝卡槽對卡簧作用的正壓力，kN；β為深水低壓井口安裝卡槽和卡簧的接觸面，沿豎直方向夾角，°；l為圓頭T型卡簧推桿的圓頂推面長度，m；σ為圓頭T型卡簧與低壓井口的接觸面徑向寬度，m；T(s) 為圓頭T型卡簧推桿圓頂推面所受正壓力的分布；fζ為圓頭T型卡簧推桿與卡簧安裝槽第ζ配合面的摩擦阻力，kN。

3.2 鉆臺轉運工況負載力學分析與模擬

受海上鉆井平臺空間限制，工具的鎖緊作業(yè)過程需要在平臺甲板上進行操作，而從甲板轉運至鉆臺則需平臺折臂吊車和貓道機配合完成。此過程中，下入工具受力較為復雜，中心轉動軸、工具本體由于受橫向載荷作用，并與深水低壓井口的配合時存在卡瓦擠毀效應。假定下入工具鎖緊后，管柱串被吊起某一角度α時，受力平衡方程為：

式中：FD為鉆井大鉤所施加的起吊載荷，kN； N為鉆井平臺甲板對起吊管柱的承載力，kN；a為鉆井平臺垂蕩加速度，m/s2；GL為鉆井平臺甲板轉運工況下，深水低壓井口頭管柱重量，103kg；g為重力加速度，m/s2；α為鉆井平臺甲板轉運工況下，起吊管柱軸線與水平面的夾角，°；ΣFh’為鉆井平臺甲板轉運工況下，管柱起吊角度α時，管柱上緣對下入工具本體的正壓力，kN；ΣFh為鉆井平臺甲板轉運工況下，管柱起吊角度α時，管柱下緣對下入工具本體的正壓力，kN。

圖6 管柱串轉運工況的結構受力云圖Fig. 6 The stress contour of running tool when transferring working procedure

圖7 轉運工況的卡簧受力云圖Fig. 7 The stress contour of snapring when transferring working procedure

由于工具在不同負載工況條件下的受力復雜性，采用理論分析的方法難于刻畫構件的實際受力情況及強度分布，同時不同構件間的接觸受力狀況也難于表達，因此為研究整個下入工具的受力狀態(tài)及關鍵部位的應力應變狀態(tài)，采用數值模擬，模擬過程中通過不同構件間接觸關系的設置可將整個工具視為一個整體進行施加外力分析以研究整體內應力應變狀況。設置起吊方向為沿XY平面內，起吊角度為45°，載荷為轉運工況條件36 in(壁厚1.5 in)導管起吊，導管線重8.07 kN/m，導管總長為9.0 m，低壓井口頭重量11.12 kN，則此工況下總靜載荷為83.7 5 kN，取1.2的附加安全系數并取整為102kN。下入工具材質設置為45#管材鋼，模擬結果如圖6、圖7所示。由模擬結果，下入工具的中心轉動軸低位側、卡簧低位側位置為受拉應力最大處，最大值分別為84.32 MPa、28.23 MPa；下入工具的中心轉動軸高位側、卡簧高位側位置為受擠壓應力最大處，最大值分別為51.74 MPa、18.37 MPa；最大應力分別為許用應力的20.08%、11.36%，因此此操作工況條件下的最小許用應力安全系數為4.98，結構強度校核安全。

3.3 下入工況負載力學分析與模擬

下入管柱完成平臺轉運并聯接整個低壓井口下入導管管串，便可進行導管管柱的下入作業(yè)。此過程主要操作為下入鉆桿通過與中心轉動軸的標準油管扣聯接，而后通過大鉤上提下放整個低壓井口及導管管串。由平衡條件，平衡方程為：

式中：β為深水低壓井口安裝卡槽和卡簧的接觸面，沿豎直方向夾角，°；l為圓頭T型卡簧推桿的圓頂推面長度，m；σ為圓頭T型卡簧與低壓井口的接觸面徑向寬度，m；fp2(s)為低壓井口導管管柱組合下入工況條件下，低壓井口安裝卡槽對卡簧作用的正壓力分布；G為低壓井口下入導管管柱組合的總重，103kg；a為鉆井平臺垂蕩加速度，m/s2；g為重力加速度，m/s2。

應用所建立的數值模擬模型，對此過程進行了數值模擬，此工況條件下，管柱結構：低壓井口頭+36 in(壁厚1.5 in)導管×2根+36 in(壁厚1.0 in)導管×6根，管柱串總長80 m，36 in(壁厚1.5 in)導管線重8.07 kN/m，36 in(壁厚1.0 in)導管線重7.38 kN/ m，則此工況下總靜載荷為615.4 kN，取1.5的附加安全系數并取整為103kN，設置起吊載荷為103kN，數值模擬結果如圖8、圖9所示。由模擬結果，下入工具本體的內壁與外壁的上表面內側位置為受拉應力最大處，最大值為104.0 MPa，下入工具本體的內壁與外壁的下表面內側位置為受壓應力最大處，最大值為91.78 MPa，卡簧的最大壓應力為93.47 MPa，最大應力值分別為最大許用應力值的24.76%、25.85%、22.25%，因此此工況下最小許用安全系數為3.87，滿足結構強度安全要求。

圖8 管柱串下入工況的結構受力云圖Fig. 8 The stress contour of running tool when running-in working procedure

圖9 下入工況的卡簧受力云圖Fig. 9 The stress contour of snapring when running-in working procedure

4 結論

(1)通過對深水低壓井口下入工具的作業(yè)工況分析，設計了一種適應于深水作業(yè)要求的低壓井口下入工具，通過矩形螺紋傳動副與錐面軸套配合、圓頭T型卡簧推桿與預應力卡簧的配合設計，使工具鎖緊與釋放具有穩(wěn)定可靠的特性。

(2)對深水低壓井口下入工具進行了運動特性分析和系統仿真研究，結果表明具有系統結構簡單、高效的扭矩傳遞、傳動效率高的特點。

(3)下入工具的功能性設計，滿足了深水井口下入作業(yè)的功能性要求和結構強度的要求；通過下入工具的承載力學特性分析和有限元數值模擬研究表明，工具在最危險工況條件下作業(yè)安全性高，危險載荷條件下的最大應力為材料許用應力的25.85%。

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Configuration design and bearing characteristics analysis on running tool of deepwater conductor wellhead

KAN Changbin1, YANG Jin1, ZHOU Jianliang2, LIU Shujie2, ZHANG Simin3, HU Nanding1, YIN Qishuai1
1 School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China 2 Research Institute of CNOOC, Beijing, 100027, China 3 School of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084,China

Conductor wellhead running tool is the only operating practice to transfer or to run in/out the conductor pipe on platform deck, and it is a key factor on deepwater conductor running. But the related technologies were monopolized by several monopolistic companies abroad. In this paper, one kind of novel locking and releasing mechanical conf i guration was presented by studying running tool structure, operating principle, operating procedure, as well as operating behavior on semi-submerged platform, job procedure and technical problems on running.It was constructed with T-shaped-round-tip thrusting rod, pyramidal axle sleeve, and circlip. The locking and releasing mechanical structure equipped with guiding mechanism would qualif i ed the running tool to apply in deepwater harsh operating conditions. The stability, the credibility, and the safety of the running tool were conducted by the study on bearing characteristics, operating simulation and fi nite element simulation on different operating status. The simulation results show that the safety factor of allowable stress is respectively 3.87 and 4.98 under the condition of transferring working procedure and running-in working procedure. By this way, the high cost of deepwater drilling caused by foreign technological embargo in China could be reduced.

deepwater drilling; running tool; conf i guration design; bearing characteristics; virtual simulation

10.3969/j.issn.2096-1693.2017.02.026

(編輯 馬桂霞)

闞長賓, 楊進, 周建良, 劉書杰, 張思敏, 胡南丁, 殷啟帥. 深水低壓井口下入工具結構設計與承載特性分析. 石油科學通報, 2017, 02： 279-287

KAN Changbin, YANG Jin, ZHOU Jianliang, LIU Shujie, ZHANG Simin, HU Nanding, YIN Qishuai. Conf i guration design and bearing characteristics analysis on running tool of deepwater conductor wellhead. Petroleum Science Bulletin, 2017, 02： 279-287. doi： 10.3969/ j.issn.2096-1693.2017.02.026

*通信作者, cyjin1018@vip.sina.com

2016-11-13

國家自然科學基金“海洋深水淺層鉆井關鍵技術基礎理論研究”(51434009)和國家十三五重大專項“深水表層管柱高效下入技術及深部復雜地層井壁穩(wěn)定研究”(2016ZX05032004-003)聯合資助