一種熱采井口油管頭設(shè)計(jì)及分析

董展翔(中國海洋石油服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459)

0 引言

隨著我國油氣勘探開發(fā)的不斷深入，所遇地質(zhì)條件也越趨復(fù)雜，普遍具有儲層深、溫度高、產(chǎn)量大的特點(diǎn)，且含有硫化氫(H2S)等酸性腐蝕性氣體[1]。為了不斷適應(yīng)石油開采惡劣的地質(zhì)條件，文章筆者根據(jù)多年豐富的現(xiàn)場工作經(jīng)驗(yàn)?zāi)M高溫高壓油氣井的開發(fā)開采條件，通過查閱和參考國內(nèi)行業(yè)內(nèi)的各種文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)，通過技術(shù)論證，公式推理，設(shè)計(jì)出一款適用于高溫高壓油氣井開采條件的油管頭。文章的設(shè)計(jì)思路為設(shè)計(jì)開發(fā)更多款適應(yīng)高溫、高壓且具有腐蝕特性的油氣井開發(fā)條件的油管頭提供理論支持和技術(shù)借鑒。

1 井口裝置介紹

井口裝置是安裝在表層套管以上，能夠在鉆井過程中控制井筒和在油氣井打完井后控制、調(diào)節(jié)油氣生產(chǎn)的設(shè)備。井口裝置主要有三部分組成：套管頭、油管頭和采油樹[2]。井口裝置與各級井筒、油管和套管之間的基本結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

圖1 井口裝置安裝關(guān)系

2 油管頭介紹

油管頭是一個(gè)上、下均為法蘭的四通裝置，它上法蘭連接的是采油樹，下法蘭連接的是套管頭，其外形如圖2所示。油管頭由油管懸掛器、油管頭四通、封隔器、頂絲、閘閥、壓力表和法蘭組成。它的主要工作功能和特點(diǎn)就是：通過油管頭的懸掛器來支撐井內(nèi)油管的重力；通過油管掛和油管頭之間的密封環(huán)實(shí)現(xiàn)油管掛和油管頭的抗高壓的密封，進(jìn)而密封井內(nèi)油管和套管之間的一個(gè)環(huán)形空間，為油氣井作業(yè)提供正、反循環(huán)洗壓井的空間，進(jìn)而確保油氣井作業(yè)期間的井控安全；為井內(nèi)下接的套管頭、上接的采油樹之間提供過度的連接；通過油管頭四通的兩個(gè)側(cè)閘門，完成油套管之間管洗、壓井作業(yè)[3]。

圖2 油管頭示意圖

3 油管頭的設(shè)計(jì)及計(jì)算

油管頭主要承壓部件有油管頭四通本體、公稱通徑117.8 mm (7英寸)的上整體式法蘭、346.1 mm(13-5/8英寸) 整體式底法蘭、各種規(guī)格的螺栓、螺母、密封墊環(huán)等零部件組成。對形狀規(guī)則的承壓厚壁圓筒、螺栓通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算和校核[4]。

3.1 各處壁厚計(jì)算分析和確定

如圖3所示，該油管頭四通的主要壁厚有三處，分別是圖3中的A-A、B-B、C-C 三處，而在進(jìn)行承壓本體壁厚的計(jì)算時(shí)，根據(jù)國內(nèi)外行業(yè)相關(guān)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)只需要計(jì)算出最薄處的厚度是否符合工程強(qiáng)度要求就可以，即該油管頭四通的壁厚在額定工況下是否滿足強(qiáng)度要求[5]。只需要對A-A處的壁厚進(jìn)行計(jì)算分析，也就是只需要A-A處的壁厚大于強(qiáng)度校核計(jì)算中的最小壁厚即可。

圖3 油管頭各處壁厚示意圖

設(shè)定工作參數(shù)和性能：設(shè)計(jì)壓力：額定工作壓力35 MPa；工作溫度：-29～161 ℃；材料及性能：ZG(J)30 CrMo，60 K。油管頭四通承壓本體通徑 177.8 mm，外徑 360 mm，該承壓本體最小壁厚計(jì)算如下：(總體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算)

材料最小屈服強(qiáng)度：SY=414 MPa；靜水壓試壓壓力：P1=50 MPa；承壓本體最薄處內(nèi)半徑：R內(nèi)=75 mm；承壓本體最薄處外半徑：R外=105 mm。那么總體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度：

充分考慮腐蝕余量，按閥門設(shè)計(jì)計(jì)算手冊表3-1得：C取3實(shí)際壁厚t=30 mm，t>t1+3。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果t＞t1+3，可以得知，該油管頭壁厚最薄處的厚度符合現(xiàn)場實(shí)際使用的強(qiáng)度要求[6]。因此，整個(gè)油管頭四通的承壓本體的壁厚均符合工程設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度。

3.2 法蘭連接螺栓強(qiáng)度的計(jì)算及分析

3.2.1 上整體式法蘭計(jì)算及分析

上整體式法蘭的螺栓強(qiáng)度計(jì)算及分析(Φ330 法蘭、M30 螺栓)：

墊環(huán)寬度ω=10 mm，墊環(huán)有效密封寬度c=ω/8，壓緊力作用處的直徑DC=185 mm，墊環(huán)比壓力Y=124 N/mm2，內(nèi)壓p=50 N/mm2，螺栓數(shù)目n=8，材料規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度Sy=735 N/mm2

由公式(13)得：dB=2.133×10-2m=21.33 mm

實(shí)際螺栓規(guī)格為M30，長度180 mm，它的直徑大于計(jì)算得出的最小直徑 21.33 mm。因此，得出結(jié)論：設(shè)計(jì)強(qiáng)度符合現(xiàn)場工程要求。

3.2.2 底法蘭計(jì)算及分析

根據(jù)對346.1 mm(13-5/8英寸)法蘭的計(jì)算過程，進(jìn)行計(jì)算得：

實(shí)際螺紋規(guī)格為M42，它的直徑大于計(jì)算得出的最小直徑 30.35 mm。因此，得出結(jié)論：設(shè)計(jì)制作出的油管頭整體強(qiáng)度符合工程使用要求。

4 結(jié)語

文章根據(jù)油氣井開發(fā)開采的現(xiàn)場工程條件，在擬定的實(shí)際工況下的額定壓力值、額定溫度和額定材料類別；然后按照這些參數(shù)客觀實(shí)際需求，選擇到材料ZG(J)35CrMo；然后通過翻閱相關(guān)文獻(xiàn)和國內(nèi)外行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而確定了油管頭四通的具體結(jié)構(gòu)形式；結(jié)合工程實(shí)際需求通過理論計(jì)算分析，設(shè)計(jì)出一款符合現(xiàn)場油氣井開發(fā)開采生產(chǎn)條件的油管頭；本文為類似結(jié)構(gòu)的油管頭的強(qiáng)度校準(zhǔn)，計(jì)算分析提供理論支持和技術(shù)借鑒。