水下井口頭系統(tǒng)下放工具關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

孫豹豹，王龍庭，徐興平

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266580）

海洋石油資源的鉆探與開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，深海石油鉆采設(shè)備的發(fā)展至關(guān)重要[1?5]。我國(guó)對(duì)水下井口頭系統(tǒng)套管掛和密封總成下放設(shè)備的研發(fā)起步較晚，使我國(guó)深水油氣鉆采設(shè)備的發(fā)展與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大，嚴(yán)重制約了我國(guó)深水油氣資源的開(kāi)發(fā)與利用，所以對(duì)下放工具的研究勢(shì)在必行。水下井口頭套管掛和密封總成下放工具是鉆采過(guò)程中必不可少的裝備，其關(guān)系著水下井口壓力封隔的成敗。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)下放工具的研究以及各大知名石油裝備公司實(shí)際所采用的下放工具大多只能實(shí)現(xiàn)套管掛和密封總成的單獨(dú)下放，增加了作業(yè)次數(shù)，延長(zhǎng)了工作時(shí)間，增加了鉆井成本，擴(kuò)大了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，不利于海洋石油鉆采的進(jìn)行[6?7]。傳統(tǒng)密封總成下放工具多采用剪切銷(xiāo)釘攜帶密封總成，其不足之處是在下放過(guò)程中剪切銷(xiāo)釘容易提前剪斷或在安裝過(guò)程中不完全剪斷，造成下放失敗。

深海海洋工作環(huán)境相比陸上和淺海更為復(fù)雜[8]，當(dāng)下放工具與鉆桿相連，進(jìn)行下放作業(yè)時(shí)，海洋環(huán)境載荷（海浪、海風(fēng)和海流）會(huì)對(duì)下放工具以及鉆桿產(chǎn)生較大影響[9?10]，使其承受較大彎矩載荷。為此，本文建立了下放過(guò)程中下放工具力學(xué)模型，針對(duì)傳統(tǒng)下放工具的不足，設(shè)計(jì)一種新型套管掛和密封總成下放工具，并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行接觸分析和強(qiáng)度分析，旨在為套管掛和密封總成的下放設(shè)計(jì)與研究奠定理論基礎(chǔ)。

1 力學(xué)分析

1.1 力學(xué)模型

深海海洋環(huán)境復(fù)雜，理想下放狀態(tài)很難實(shí)現(xiàn)；在實(shí)際下放過(guò)程中，下放工具和鉆桿受力情況復(fù)雜。在海風(fēng)和海浪等影響因素的作用下，海洋鉆井平臺(tái)會(huì)偏離理想作業(yè)位置，進(jìn)而給鉆桿一個(gè)橫向作用力，造成鉆桿彎曲，承受較大的彎矩載荷。為研究各載荷對(duì)下放工具彎矩的影響，建立鉆桿和下放工具力學(xué)分析模型，如圖1所示。

圖1 鉆桿和下放工具力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model of drill pipe and running tool

1.2 下放工具受力分析

將下放工具與其懸掛的其他部件看作一個(gè)整體，在橫向載荷的作用下，隔水管發(fā)生彎曲，繼而鉆桿也發(fā)生彎曲，隔水管要施加給下放工具一個(gè)支撐力，受力簡(jiǎn)圖如圖2所示。

由牛頓力學(xué)定律可得：

式中，F(xiàn)1為鉆桿對(duì)下放工具的拉力，N；T1為隔水管對(duì)下放工具的支撐力，N；G0為下放工具與其懸掛部件重力，N；α為隔水管對(duì)下放工具的支撐力與水平方向夾角；β為鉆桿對(duì)下放工具的拉力與水平方向夾角。

圖2 下放工具受力簡(jiǎn)圖Fig.2 Stress diagram of running tool

1.3 鉆桿受力分析

實(shí)際下放過(guò)程中，在外部載荷作用下鉆井作業(yè)平臺(tái)帶動(dòng)隔水管傾斜，隔水管會(huì)給鉆桿施加一個(gè)作用力；鉆桿既受到橫向載荷作用又受到豎向載荷作用，鉆桿在下放過(guò)程中的受力示意如圖3所示。

圖3 鉆桿受力示意Fig.3 Stress diagram of drill pipe

由牛頓力學(xué)定律得：

式中，G1為鉆桿重力，N；F'1為下放工具與其懸掛部件對(duì)鉆桿的拉力，與F1互為作用力與反作用力，N；T0為隔水管對(duì)鉆桿的作用力，N；F2為海洋鉆井平臺(tái)對(duì)鉆桿的豎向作用力，N；F3為海洋鉆井平臺(tái)對(duì)鉆桿的橫向作用力，N。

2 套管掛和密封總成下放工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

套管掛和密封總成下放工具的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)套管掛和密封總成的同時(shí)下放與安裝，節(jié)省作業(yè)時(shí)間，減小鉆井成本。在深海鉆井過(guò)程中，井口設(shè)備單次下放時(shí)間長(zhǎng)，不確定因素多，實(shí)現(xiàn)套管掛和密封總成的同時(shí)下放尤為重要。如何實(shí)現(xiàn)套管掛和密封總成的同時(shí)下放，對(duì)下放工具的結(jié)構(gòu)以及下放過(guò)程中需要注意的細(xì)節(jié)有更高的要求。該下放工具包括套管掛攜帶單元、密封總成攜帶單元、驅(qū)動(dòng)單元、返流單元和沖洗單元。

2.1 總體設(shè)計(jì)

套管掛的主要作用是承載套管柱[11]，密封總成的主要作用是防止油氣泄漏[12?14]；下放工具在鉆井作業(yè)平臺(tái)上完成對(duì)套管掛和密封總成的懸掛，通過(guò)鉆桿將套管掛和密封總成下放到海底井口目標(biāo)位置，并通過(guò)液壓輔助密封或重力坐封的方式激勵(lì)密封總成實(shí)現(xiàn)密封，最后回收下放工具[15]。

套管掛和密封總成下放工具結(jié)構(gòu)示意如圖4所示，根據(jù)下放工具所要實(shí)現(xiàn)的功能，密封總成采用重力坐封的形式，將其分為四部分，分別是連接單元、密封總成攜帶單元、套管掛攜帶單元、驅(qū)動(dòng)單元。連接單元由連接接頭和防轉(zhuǎn)銷(xiāo)釘組成，連接接頭的主要作用是承接鉆桿與芯軸，并通過(guò)防轉(zhuǎn)銷(xiāo)釘限制連接接頭與芯軸的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。上端蓋的作用是將上本體與芯軸連接并固定。保護(hù)套筒既可防止在下放過(guò)程中上本體外壁被刮傷，又可在下放工具到達(dá)海底井口時(shí)作為扶正套筒，防止偏離井口軸線。套管掛和密封總成均采用鎖塊連接的方式進(jìn)行攜帶，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 套管掛和密封總成下放工具結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structure diagram of casing hanger and sealing assembly running tool

圖5 套管掛/密封總成攜帶單元局部結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Local structure of casing hanger/sealing assembly carrying unit

與傳統(tǒng)下放工具相比，該設(shè)計(jì)主要改進(jìn)之處有以下兩點(diǎn)：一是將原有套管掛下放工具和密封總成下放工具的功能集合到該下放工具上，可以實(shí)現(xiàn)套管掛和密封總成的同時(shí)下放與安裝；二是密封總成攜帶單元采用鎖塊連接的形式，這與傳統(tǒng)工具使用剪切銷(xiāo)釘懸掛的方式有本質(zhì)不同，避免了在下放過(guò)程中剪切銷(xiāo)釘提前剪斷或者在安裝時(shí)不完全剪斷的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 驅(qū)動(dòng)單元

驅(qū)動(dòng)單元為套管掛和密封總成的懸掛與脫掛提供動(dòng)力，將鉆桿的旋轉(zhuǎn)力以徑向載荷的形式傳遞給鎖塊，其組成結(jié)構(gòu)包括芯軸和驅(qū)動(dòng)體。芯軸通過(guò)連接頭與鉆桿相連，上部有上端蓋坐放軸肩，中部有弧形驅(qū)動(dòng)槽，底部有下本體坐放軸肩，其中弧形驅(qū)動(dòng)槽有三段，結(jié)構(gòu)如圖6所示。驅(qū)動(dòng)體是環(huán)形軸，上部有防旋轉(zhuǎn)鍵和密封總成驅(qū)動(dòng)環(huán)，中部有銷(xiāo)釘連接孔，下部有套管掛驅(qū)動(dòng)環(huán)，如圖7所示。

圖6 芯軸結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Schematic diagram of spindle s-groove

圖7 驅(qū)動(dòng)體結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Schematic diagram of the drive body structure

2.3 材料選擇

下放工具應(yīng)用于海底高溫高壓強(qiáng)腐蝕的環(huán)境中[16?17]，同時(shí)還要承受鉆井產(chǎn)生的碎屑對(duì)其表面刮擦，這對(duì)下放工具的材料性能提出了更高的要求。綜合考慮下放工具工作環(huán)境和材料力學(xué)性能，關(guān)鍵部件材料的選擇主要遵循以下兩個(gè)原則：（1）屈服強(qiáng)度：套管掛攜帶鎖塊和擋環(huán)要承受套管掛和套管柱雙重重力，在較大載荷作用下接觸應(yīng)力要小于其屈服強(qiáng)度。（2）耐腐蝕性：下放工具材料要滿足在高腐蝕海洋環(huán)境中依然能夠保持可靠的力學(xué)性能。根據(jù)上述密封材料選擇原則，水下井口頭套管掛和密封總成下放工具關(guān)鍵部件材料屬性如表1所示。

表1 下放工具關(guān)鍵部件材料屬性Table 1 Material properties of key components at the subsea wellhead

3 有限元分析

3.1 有限元模型

由力學(xué)分析可知，在下放過(guò)程中不同位置下放工具受力不斷變化，工具處于即將到達(dá)安裝位置時(shí)，套管掛和密封總成的重力完全作用在下放工具上，下放工具受到套管掛和密封總成最大作用載荷，對(duì)此位置下的工具進(jìn)行有限元分析更具有實(shí)際意義。

套管掛攜帶單元和密封總成攜帶單元均采用鎖塊連接的形式，鎖塊間隔90°均勻分布，為了便于仿真計(jì)算，取四分之一部分建立有限元模型，如圖8所示。設(shè)置材料屬性，接觸類(lèi)型均為Frictional，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2，最后添加約束與載荷。

圖8 有限元模型局部示意Fig.8 Schematic diagram of the finite element model

3.2 套管掛攜帶單元接觸分析

在下放過(guò)程中，套管掛攜帶鎖塊上下端面與套管掛連接凹槽配合，要承受套管掛和套管的雙重重力，以476.250 mm×339.725 mm套管掛為例，其質(zhì)量為216 kg，對(duì)應(yīng)套管柱計(jì)算質(zhì)量為110 kg/m，取600 m。對(duì)套管掛攜帶單元接觸分析，鎖塊接觸應(yīng)力與變形量云圖如圖9所示。從圖9中可以看出，鎖塊最大應(yīng)力值為596.46 MPa，發(fā)生與套管掛凹槽接觸的鎖塊上端面，遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。鎖塊最大變形發(fā)生在與套管掛凹槽接觸的鎖塊上下端面，變形最大值為0.25 mm，變形量很小，可忽略不計(jì)。

圖10 為套管掛攜帶單元擋環(huán)接觸應(yīng)力與變形量云圖。從圖10中可以看出，最大接觸應(yīng)力及最大變形均發(fā)生在與鎖塊下表面接觸的內(nèi)孔下部，最大應(yīng)力值為1 145.1 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求，最大變形量為0.06 mm，可忽略不計(jì)。

3.3 芯軸強(qiáng)度分析

芯軸是驅(qū)動(dòng)單元關(guān)鍵構(gòu)件，也是驅(qū)動(dòng)力的有效中間體；通過(guò)驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)釘與驅(qū)動(dòng)體連接，進(jìn)而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)體軸向運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖塊的徑向移動(dòng)，最終達(dá)到攜帶套管掛和密封總成的目的。芯軸下軸肩要承受整個(gè)套管掛攜帶單元的重量，這對(duì)其強(qiáng)度有更高的要求。

圖11 為芯軸強(qiáng)度分析結(jié)果。由圖11可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生在芯軸下軸肩與下本體的接觸面上，最大值為197.41 MPa，最小應(yīng)力發(fā)生在下軸肩上部，均小于10 MPa，因此芯軸滿足強(qiáng)度要求；芯軸在承受套管掛攜帶單元全部重量時(shí)，最大變形發(fā)生在下軸肩及其上部，變形量很小，可忽略不計(jì)。

圖9 鎖塊接觸應(yīng)力與變形量分析Fig.9 Contact stress and deformation analysis of locking block

圖10 擋環(huán)接觸應(yīng)力及變形量分析Fig.10 Contact stress and deformation analysis of retaining ring

圖11 芯軸應(yīng)力與變形量分析Fig.11 Stress and deformation analysis of mandrel

4 結(jié)論

（1）通過(guò)建立下放過(guò)程中下放工具的力學(xué)模型，進(jìn)行鉆桿和下放工具受力分析；在實(shí)際下放過(guò)程中，海洋鉆井平臺(tái)會(huì)發(fā)生偏移，造成鉆桿傾斜，下放工具受力情況復(fù)雜；通過(guò)分析可知，鉆桿傾斜角度越大對(duì)下放工具受力情況影響越大。

（2）海洋環(huán)境載荷是影響海洋油氣鉆采過(guò)程的關(guān)鍵因素，造成鉆桿傾斜的原因：一是在海風(fēng)和海浪載荷作用下，海洋鉆井平臺(tái)會(huì)發(fā)生偏移，帶動(dòng)隔水管和鉆桿一起傾斜；二是海浪和海流力載荷會(huì)直接作用在隔水管上，隔水管帶動(dòng)鉆桿產(chǎn)生傾斜。

（3）根據(jù)下放工具受力分析結(jié)果和下放工具所要實(shí)現(xiàn)的功能，對(duì)水下井口頭套管掛和密封總成下放工具進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)芯軸和套管掛攜帶單元等關(guān)鍵部件進(jìn)行了接觸應(yīng)力分析和強(qiáng)度分析。由分析結(jié)果可知，下放工具滿足設(shè)計(jì)要求，材料選擇符合作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該研究為套管掛和密封總成下放工具的研究奠定了理論基礎(chǔ)。