連續(xù)油管倒管作業(yè)對(duì)接裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

張 乾，王方祥，李道松，趙增權(quán)，李 龍 ，徐慶祥

(中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務(wù)分公司 天津 300283)

0 引 言

近幾年，連續(xù)油管作業(yè)因其施工快、周期短、可帶壓作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，在油氣井井下作業(yè)技術(shù)領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，如射孔[3]、打撈[4]、拖動(dòng)壓裂[5]等。連續(xù)油管因使用壽命要求[6]或因施工工藝要求等，常需進(jìn)行倒管作業(yè)，即將連續(xù)油管在不同功能的滾筒間進(jìn)行倒換。以連續(xù)油管由運(yùn)輸滾筒倒管到工作滾筒為例，連續(xù)油管穿過工作滾筒的限位孔，向滾筒內(nèi)部的管匯接頭傳送，同時(shí)調(diào)整連續(xù)油管接頭的方位，使其完全對(duì)正管匯接頭，方能實(shí)現(xiàn)成功對(duì)接。

連續(xù)油管倒管作業(yè)最大的難點(diǎn)是如何保證連續(xù)油管接頭與滾筒內(nèi)部管匯接頭完全對(duì)正。這主要是因?yàn)椋?1)由于不同工作滾筒內(nèi)部管匯接頭的位置均不一樣，且穿過限位孔的連續(xù)油管接頭有可能在管匯接頭上方的任何方位，所以無法設(shè)計(jì)固定的對(duì)接裝置，只能以實(shí)際的對(duì)接情況改變安裝策略； 2)連續(xù)油管穿過限位孔后伸出長(zhǎng)度僅1 m左右，管子短且剛度大，硬度高，很難依靠人力矯正對(duì)接； 3)工作滾筒內(nèi)部的作業(yè)空間狹小，不便于操作工具。目前，倒管作業(yè)無合適的工具使用，完全依靠人力推拉矯正管子，需4～5人齊力才能克服管子的剛度，進(jìn)行微調(diào)、對(duì)正接頭。由于人員力度不易控制，稍有不慎，就需反復(fù)操作；同時(shí)，需人員鉆進(jìn)工作滾筒內(nèi)配合操作，管子若有反彈，極易發(fā)生機(jī)械傷人事故。倒管作業(yè)過程中對(duì)正連接連續(xù)油管一般耗時(shí)4 h，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且存在極大的安全隱患。但目前關(guān)于此問題的研究鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。因此，解決倒管作業(yè)難題，深入提速增效已迫在眉睫。

為此，本文采用機(jī)械設(shè)計(jì)中三維空間共面性和共線性分析方法，形成對(duì)接裝置的設(shè)計(jì)思路，結(jié)合流體力學(xué)計(jì)算方法，優(yōu)選梯形迷宮密封的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過試壓試驗(yàn)檢驗(yàn)密封的有效性，設(shè)計(jì)對(duì)接裝置，保證連續(xù)油管倒管作業(yè)安全高效地進(jìn)行，對(duì)提速增效具有一定意義。

1 對(duì)接裝置的設(shè)計(jì)思路

連續(xù)油管接頭與滾筒內(nèi)部管匯接頭無法完全對(duì)正，是因?yàn)閮烧呓宇^的軸線在空間位置上既不共面，也不共線，如圖1所示。所以，需設(shè)計(jì)一種非固定式的對(duì)接裝置，通過調(diào)整該裝置，首先使兩者接頭的軸線處于同一平面上，然后使接頭的軸線共線，從而實(shí)現(xiàn)成功對(duì)接。

圖1 接頭空間位置圖

解決共面的問題，也就是解決對(duì)接角度的問題，使兩者接頭的傾斜角度一致。為此，在對(duì)接裝置上設(shè)計(jì)一種球鉸接萬(wàn)向軸密封連接機(jī)構(gòu)，使球頭短節(jié)可以360°自由旋轉(zhuǎn)，從而解決不共面的問題。通過調(diào)節(jié)球頭短節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，使兩者接頭的軸線共面且相互平行。

解決共線的問題，也就是解決兩者接頭軸線之間距離的問題。由于軸線已在同一平面內(nèi)相互平行，只要在該平面內(nèi)平行移動(dòng)球頭短節(jié)，調(diào)節(jié)軸線之間的距離，就可使兩者的軸線共線。為此，在對(duì)接裝置上設(shè)計(jì)一種直線伸縮密封連接機(jī)構(gòu)，使球頭短節(jié)的軸線在平面內(nèi)沿直線自由移動(dòng)。

2 對(duì)接裝置的整體設(shè)計(jì)

根據(jù)連續(xù)油管的使用工況，結(jié)合旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、伸縮結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)[7]，設(shè)計(jì)的對(duì)接裝置整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。該對(duì)接裝置主要利用了兩部分機(jī)構(gòu)，一是球鉸接萬(wàn)向軸密封連接機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，解決共面問題；一是直線伸縮密封連接機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)直線自由伸縮，解決共線問題。為了保證兩處機(jī)構(gòu)連接處的密封性，球頭短節(jié)處設(shè)計(jì)了包膠密封，直線伸縮連接處設(shè)計(jì)了梯形迷宮密封結(jié)構(gòu)。

圖2 對(duì)接裝置的整體結(jié)構(gòu)圖

該對(duì)接裝置主要包括球頭短節(jié)1、球座端蓋2、彎短節(jié)3和固定短節(jié)4。球頭短節(jié)1連接到連續(xù)油管接頭上，半球形球座5與球座端蓋2通過緊固螺栓連接，形成球形空間，與球頭短節(jié)1的球頭部分相配合，通過包膠密封[8]6實(shí)現(xiàn)球頭與球座之間的密封，形成球鉸接萬(wàn)向軸密封連接機(jī)構(gòu)。

固定短節(jié)4插入彎短節(jié)3的梯形迷宮密封7內(nèi)腔內(nèi)，通過擰緊由壬擠壓錐形環(huán)8固定安裝在彎短節(jié)3上。彎短節(jié)3可沿固定短節(jié)4的軸線進(jìn)行直線伸縮運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)球頭短節(jié)1的直線運(yùn)動(dòng)，形成直線伸縮密封連接機(jī)構(gòu)。

3 密封結(jié)構(gòu)優(yōu)選

浮動(dòng)密封形式[9-10]能夠減小伸縮移動(dòng)的阻力，但需通過優(yōu)選密封結(jié)構(gòu)保證其密封性。梯形迷宮密封利用自身迷宮流道結(jié)構(gòu)，使高壓流體流過時(shí)產(chǎn)生巨大的摩阻損耗，將壓力降為0，從而實(shí)現(xiàn)密封目的[11]。

根據(jù)梯形迷宮密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用流體力學(xué)計(jì)算方法[12-13]，以密封的漏失量為標(biāo)準(zhǔn)分析迷宮密封結(jié)構(gòu)的密封性能。梯形迷宮密封的結(jié)構(gòu)如圖3所示，基本結(jié)構(gòu)參數(shù)確定有效長(zhǎng)度為8.5 mm，齒尖角為30°，空腔深度為1 mm。需優(yōu)選其齒數(shù)和齒頂寬。

經(jīng)過流體力學(xué)方法計(jì)算獲得漏失量與齒數(shù)和齒頂寬的關(guān)系，如圖4所示。

在密封長(zhǎng)度一定的條件下，對(duì)于梯形齒的迷宮密封，齒數(shù)和齒頂寬的關(guān)系為式(1)：

圖3 梯形迷宮密封結(jié)構(gòu)圖

圖4 漏失量與齒數(shù)和齒頂寬的關(guān)系圖

ntWt+(nt+1)Wc=L

(1)

式中:nt為齒數(shù)；Wt為齒頂寬，mm；Wc為空腔與節(jié)流間隙交界面寬度，mm；L為密封長(zhǎng)度，mm。

由圖4可知，在密封長(zhǎng)度一定的條件下，齒頂寬越大，泄漏量越大。根據(jù)式(1)，在密封長(zhǎng)度一定的條件下，齒數(shù)越少，齒頂寬越大，齒頂寬的增加使空腔變小，空腔對(duì)流體能量的耗散能力減弱，所以密封效果變差。綜合而言，應(yīng)該盡量增加齒數(shù)，減小齒頂寬度。所以，優(yōu)選梯形迷宮密封的齒數(shù)是5個(gè)，齒頂寬為0.8 mm。

4 試壓試驗(yàn)

根據(jù)連續(xù)油管的施工現(xiàn)場(chǎng)要求，對(duì)該對(duì)接裝置進(jìn)行70 MPa的壓力試驗(yàn)，以驗(yàn)證其密封性。試壓過程中，首先升壓至30 MPa，穩(wěn)壓10 min，之后以10 MPa為一個(gè)壓力梯度，逐漸升壓至70 MPa，在每一個(gè)壓力梯度值均穩(wěn)壓10 min，壓降小于0.7 MPa為合格。試壓試驗(yàn)獲得的試壓曲線如圖5所示。

圖5 試壓曲線圖

試壓過程中，在每一個(gè)壓力梯度值處，穩(wěn)壓10 min內(nèi)，壓降為0。觀察對(duì)接裝置的密封連接處，無明顯的滲漏。說明該對(duì)接裝置完全能夠滿足密封需求。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

連續(xù)油管倒管作業(yè)所用的對(duì)接裝置如圖6所示。該裝置代替工作滾筒內(nèi)部的固定彎接頭，已應(yīng)用到倒管作業(yè)過程中，應(yīng)用情況見表1。

圖6 對(duì)接裝置實(shí)物圖

表1 應(yīng)用情況

以官頁(yè)3-1Z井為例，說明該對(duì)接裝置的應(yīng)用情況。官頁(yè)3-1Z井進(jìn)行不壓井完井作業(yè)，需要通過連續(xù)油管投球，并注入高壓流體在井內(nèi)坐封橋塞，實(shí)現(xiàn)井筒暫閉?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過程需要更換滿足施工要求的工作滾筒，利用該對(duì)接裝置現(xiàn)場(chǎng)完成倒管作業(yè)，用時(shí)0.5 h。施工過程中，Ф45 mm的鋼球順利通過對(duì)接裝置，坐到橋塞的球座上，連續(xù)油管通過地面泵打壓60 MPa，完成橋塞坐封、丟手過程。整個(gè)作業(yè)過程無流體滲漏，實(shí)現(xiàn)了安全高效施工。

現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用表明，該對(duì)接裝置安裝使用方便，密封連接可靠，對(duì)正快捷高效，兩人即可完成對(duì)接工作，不僅提高了作業(yè)的安全系數(shù)，而且大幅縮短了作業(yè)時(shí)間，提高倒管作業(yè)效率700%，保證連續(xù)油管作業(yè)安全高效的進(jìn)行。

6 結(jié) 論

1)采用三維空間共面性和共線性分析方法，設(shè)計(jì)了球鉸接萬(wàn)向軸密封連接機(jī)構(gòu)和直線伸縮密封連接機(jī)構(gòu)，解決了連續(xù)油管倒管作業(yè)過程中接頭對(duì)正連接的問題。

2)采用流體力學(xué)計(jì)算方法，優(yōu)選了梯形迷宮密封的結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)選的齒數(shù)為5個(gè)，齒頂寬為0.8 mm。

3)對(duì)接裝置對(duì)正快捷高效，密封連接可靠，使用安全方便，可提高倒管作業(yè)效率700%，保證連續(xù)油管作業(yè)安全高效的進(jìn)行。