GDS-114液壓滑套式安全接頭力學(xué)分析及試驗(yàn)*

黎 敏，劉永恒，王 璽，吳永勝，馬文宗

(長慶油田分公司機(jī)械制造總廠，陜西 西安 710201)

0 引 言

近年來，長慶油田在單井產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益提高的同時(shí)，井況日趨復(fù)雜，呈現(xiàn)多樣性、不確定性等特點(diǎn)，常遇到砂卡、封隔器卡等卡鉆事故，管柱在井內(nèi)無法正常上提下放或者旋轉(zhuǎn)，不僅影響工具使用，而且可能導(dǎo)致管柱廢棄，給產(chǎn)建單位帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，能起到脫開工具管串、順利起出油管的安全接頭有著不可替代的、重要的作用。

目前國內(nèi)油氣田使用的安全接頭主要有倒扣式和滑套式安全接頭，兩者從結(jié)構(gòu)、原理、適應(yīng)范圍皆有不同。倒扣式安全接頭為防止中途自行脫開，卡爪與下接頭的螺紋配合通常用管鉗裝配以保證一定的預(yù)緊力，導(dǎo)致使用時(shí)工具脫開難度大，容易發(fā)生粘扣或是從其他螺紋處脫開的現(xiàn)象，可靠性差，另外對于如有特殊工藝要求或井下條件限制管串無法旋轉(zhuǎn)的情況倒扣式安全接頭無法適應(yīng)。相對于倒扣式安全接頭存在的局限性和缺陷，滑套式安全接頭結(jié)構(gòu)簡單，操作方便、可靠，解決了管串無法旋轉(zhuǎn)等特殊情況而不能采用常規(guī)倒扣方式進(jìn)行丟手的問題，并且能與分層壓裂、分層酸化、測試管串等多種井下工具配套組合，適應(yīng)性強(qiáng)。

通過分析GDS-114液壓滑套式安全接頭(以下簡稱GDS-114安全接頭)工作原理和不同工況下的受力情況，建立了銷釘剪斷、卡爪丟手力學(xué)模型，推導(dǎo)了滑套開啟壓力、釋放卡爪所需上提拉力和整體最大許用拉力計(jì)算公式，計(jì)算了工具的理論施工參數(shù)，為安全接頭進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

GDS-114安全接頭結(jié)構(gòu)如圖1，它由上接頭、卡爪、卡爪套筒、鋼球、滑套、下接頭以及若干密封件組成。上接頭與卡爪、下接頭與卡爪套筒均采用螺紋連接并設(shè)置2道O型密封圈密封。

圖1 GDS-114液壓滑套式安全接頭結(jié)構(gòu) 1.上接頭 2.卡爪 3.O型密封圈A 4.鋼球Ф58 5.O型密 封圈B 6.剪切銷釘 7.滑套 8.O型密封圈C 9.卡爪套筒 10.O型密封圈D 11.下接頭

卡爪通過彈性分瓣爪結(jié)構(gòu)與卡爪套筒嵌在一起，滑套安裝在卡爪內(nèi)孔中，并通過剪切銷釘與卡爪連接在一起，同時(shí)滑套上端設(shè)置4道O型密封圈密封，下端支撐卡爪防止彎曲回縮導(dǎo)致意外丟手的事故發(fā)生。使用時(shí)，將上、下接頭與27/8″油管螺紋連接，工具整體結(jié)構(gòu)簡單、合理。

GDS-114安全接頭主要技術(shù)參數(shù)如表1，工作時(shí)向油管內(nèi)投球，鋼球坐于滑套密封面，隨后向油管內(nèi)加壓，滑套在油管壓力作用下剪斷銷釘，下行至卡爪孔內(nèi)支撐錐面。由于卡爪不再受滑套約束，上提管柱使卡爪在卡爪套筒內(nèi)徑向收縮變形，直至卡爪與卡爪套筒分離脫開。

表1 GDS-114液壓滑套式安全接頭技術(shù)參數(shù)

2 滑套開啟壓力計(jì)算

卡爪加工有8個(gè)均布的銷釘孔，滑套上端與之對應(yīng)地加工有銷釘槽，利用剪切銷釘將滑套和卡爪固定。工作時(shí)在油管內(nèi)投球，鋼球坐于滑套60°支撐錐面上，與油管形成密封腔。往油管泵注液體憋壓到一定的壓力，在壓差作用下滑套剪斷銷釘并下行。

如圖2所示，忽略下端壓力影響，控制滑套下行需要克服銷釘?shù)募魯嘧枇蚈型密封圈的摩擦阻力。由剪應(yīng)力強(qiáng)度條件有：

(1)

O型密封圈與剛體之間的摩擦力較小，一般由下式進(jìn)行估算[1]：

(2)

將式(2)代入式(1)整理后可得：

(3)

式中：P為滑套開啟壓力，MPa；n1為O型密封圈個(gè)數(shù)；Ff1為單個(gè)O型密封圈對滑套產(chǎn)生的摩擦力，N；n2為剪切銷釘個(gè)數(shù)；d1為開啟滑套的有效作用直徑，mm；d2為銷釘小頭直徑，mm；τ為銷釘抗剪強(qiáng)度，取抗剪強(qiáng)度等于0.65倍抗拉強(qiáng)度(取600 MPa[2])即390 MPa。

將GDS-114安全接頭銷釘和滑套數(shù)據(jù)代入式(3)計(jì)算，可得銷釘個(gè)數(shù)與滑套開啟壓力之間的關(guān)系見表2。

表2 銷釘個(gè)數(shù)與滑套開啟壓力關(guān)系表

現(xiàn)場使用時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整剪切銷釘安裝的個(gè)數(shù)。

3 釋放卡爪所需上提拉力計(jì)算

卡爪銑有5個(gè)均布槽，加工成彈性分瓣爪結(jié)構(gòu)如圖3所示，裝配時(shí)將分瓣爪嵌入卡爪套筒凹槽中，然后通過中間的滑套支撐以防止卡爪回縮。當(dāng)剪切銷釘剪斷后，滑套下行并坐于卡爪孔內(nèi)支撐錐面，此時(shí)上提管柱給予一定的上提拉力，受力情況如圖4所示，分瓣爪由于不再受滑套約束將沿著承載面徑向收縮變形，直至脫開卡爪套筒，將卡爪套筒、下接頭及后面的工具串置于井內(nèi)。

圖2 剪切銷釘力學(xué)模型 圖3 卡爪結(jié)構(gòu)模型

單獨(dú)分析卡爪的一個(gè)分瓣爪，其收縮變形可以簡化為變截面懸臂梁在拉力作用下的彎曲撓度。為建立卡爪丟手力學(xué)模型，現(xiàn)做如下假設(shè)：

(1) 忽略剪力影響，假設(shè)分瓣爪在線彈性范圍內(nèi)小撓度平面彎曲。

(2) 不考慮安全接頭自重影響。

(3) 工作時(shí)，分瓣爪與卡爪套筒接觸面積不變。

分瓣爪在壓力N和摩擦力Ff2作用下徑向彈性變形，受力情況如圖4所示。將分瓣爪所受載荷分解為水平方向力Fx和豎直方向力Fy，其中Fx平衡上提拉力，F(xiàn)y使分瓣爪徑向收縮[3]，受力和變形情況如圖5所示。

圖4 卡爪丟手力學(xué)模型 圖5 分瓣爪彎曲變形

根據(jù)懸臂梁撓度計(jì)算公式[4]，B點(diǎn)撓度和C點(diǎn)的撓度為：

(4)

(5)

n3個(gè)分瓣爪同時(shí)收縮所需上提拉力為：

f1=n3(Nsinβ+ff2cosβ)

(6)

分析分瓣爪AB段任意一截面，該截面形狀及結(jié)構(gòu)尺寸如圖6所示[5]。

截面重心S到圓環(huán)中心的距離為：

(7)

圖6 分瓣爪截面形狀及結(jié)構(gòu)尺寸

截面對z10軸的慣性矩為：

(8)

根據(jù)平行移軸定理，截面對z1軸的慣性矩為：

Iz1=Iz10-Ays2

(9)

其中：

ff2=fN

(10)

fy=Ncosβ-ff2sinβ

(11)

(12)

聯(lián)立式(7)～ (9)、(12)，有：

(13)

聯(lián)立式(4)～(6)、(10)～(11)，有：

(14)

(15)

整理式(13)～(15)，并代入GDS-114安全接頭卡爪數(shù)據(jù)得：

F1=14.93 kN (即1.52噸力)

yC=3.76 mm<5 mm (滑套空位槽深，即C點(diǎn)最大允許撓度)

式中：yB為釋放卡爪瞬間B點(diǎn)的撓度(即B點(diǎn)徑向收縮變形量)，mm；yC為釋放卡爪瞬間C點(diǎn)的撓度，mm；l1為分瓣爪AB段長度，mm；l2為分瓣爪BC段長度，mm；E為彈性模量，取E=210 GPa；Iz1為分瓣爪AB段截面慣性矩，mm4；Fy為分瓣爪受豎直方向力，kN；F1為釋放卡爪所需上提拉力，kN；n3為分瓣爪個(gè)數(shù)；N為分瓣爪受到的壓力，kN；Ff2為分瓣爪受到的摩擦力，kN；β為分瓣爪承載斜面角度(角度制)；f為動(dòng)摩擦因數(shù)，無潤滑情況鋼對鋼一般在0.15～0.25，這里取f=0.17；ys為截面重心S到圓環(huán)中心的距離，mm；d3為分瓣爪AB段外徑，mm；d4為分瓣爪AB段內(nèi)徑，mm；α為分瓣爪弧心角的一半(角度制)；Iz10為不考慮重心影響時(shí)分瓣爪AB段截面慣性矩，mm4；A為分瓣爪AB段截面面積，mm2。

4 整體最大許用拉力計(jì)算

GDS-114安全接頭除要求丟手性能安全可靠，還要求在設(shè)計(jì)時(shí)保證滑套未開啟時(shí)能夠承受下部管柱重量[6]。分析圖1可知，卡爪厚度最薄處即圖4中AB段為該安全接頭抗拉薄弱點(diǎn)。根據(jù)強(qiáng)度條件有：

(16)

其中：

(17)

聯(lián)立式(12)、(16)～ (17)，有：

(18)

將GDS-114安全接頭卡爪數(shù)據(jù)代入式(18)計(jì)算得：

F2<9.84×105N (即100.41噸力)

式中：F2為整體最大許用拉力，N；[σ]為卡爪許用拉應(yīng)力，MPa；σs為屈服強(qiáng)度，取930 MPa；ns為安全系數(shù)，取1.5。

5 室內(nèi)試驗(yàn)

5.1 壓力試驗(yàn)

壓力試驗(yàn)在長慶油田分公司機(jī)械制造總廠進(jìn)行，利用WYC-B微機(jī)高壓測試系統(tǒng)V2.00對GDS-114安全接頭壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。試驗(yàn)分兩次進(jìn)行，第一次為70 MPa壓力試驗(yàn)，用以驗(yàn)證安全接頭的密封性能，試驗(yàn)結(jié)果為：70 MPa穩(wěn)壓10 min，壓降0.6～0.71 MPa；第二次為剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果：滑套開啟壓力15.6～16.8 MPa(6個(gè)銷釘)，與理論值比較，相對誤差在-3.9%～3.5%。

5.2 拉力試驗(yàn)

拉力試驗(yàn)在咸陽三隆恒力機(jī)械有限公司進(jìn)行，利用該公司自制的拉力試驗(yàn)機(jī)對GDS-114安全接頭進(jìn)行了拉力試驗(yàn)。

試驗(yàn)分兩次進(jìn)行，第一次為整體強(qiáng)度試驗(yàn)即滑套不開啟狀態(tài)下100 t拉力試驗(yàn)，用以驗(yàn)證安全接頭的整體抗拉能力，試驗(yàn)結(jié)果為：108噸力(工具未出現(xiàn)破壞)；第二次為丟手試驗(yàn)，即滑套開啟狀態(tài)下拉力試

驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為1.6噸力，與理論值比較，相對誤差在5.3%。

6 結(jié) 論

(1) 建立了GDS-114安全接頭力學(xué)模型，推導(dǎo)并計(jì)算了滑套開啟壓力、釋放卡爪所需上提拉力以及整體最大許用拉力。

(2) 理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)較為接近，其中滑套開啟壓力相對誤差在-3.9%～3.5%，釋放卡爪所需上提拉力相對誤差在5.3%，都在工程允許范圍內(nèi)，同時(shí)滑套不開啟狀態(tài)下工具在108 t拉力載荷作用下未發(fā)生破壞。該研究內(nèi)容可作為同類型安全接頭設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

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