水下基盤導(dǎo)向樁連接器設(shè)計與應(yīng)用

任冠龍，余 意，黃 亮，張 崇，徐 斐

(中海石油(中國)有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524057)

隨著海上油氣技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，我國海上油氣開發(fā)作業(yè)水深不斷增加，部分深水海上油氣田不能采用自升式鉆井平臺實施鉆完井作業(yè)，目前多

數(shù)采用在預(yù)安裝的水下基盤上進行預(yù)鉆井的方案來進行開發(fā)[1-2]。水下鉆井基盤作為海洋石油鉆井作業(yè)使用的一種設(shè)備，從建造場地吊裝運輸?shù)筋A(yù)定海域，并下放、安裝到海底的井位處，受海洋氣候和風(fēng)浪流的影響極大[3]。以前下放基盤就位時，導(dǎo)向樁和導(dǎo)向繩一般作為1個整體下入和回收，導(dǎo)向繩和導(dǎo)向樁之間在水下不能夠進行脫離或連接，面臨每次作業(yè)必須導(dǎo)向繩和導(dǎo)向樁一起整體取出、整體下入的問題，兩者在水下不能夠進行脫離或連接，因此在鉆井期間井口轉(zhuǎn)換過程中，以及水下采油樹下入完成之后都需要將導(dǎo)向繩連同導(dǎo)向樁一起回收，花費額外作業(yè)時間，且費用高昂[4-5]。

目前，國內(nèi)關(guān)于水下基盤導(dǎo)向樁連接器的研究較少見諸報道，且以傳統(tǒng)需要人工輔助的螺栓連接形式為主，導(dǎo)向樁和導(dǎo)向繩的水下自動快速連接還處于技術(shù)空白[6-8]。因此，為打破國外壟斷，形成自主產(chǎn)權(quán)的水下基盤導(dǎo)向樁連接器，開展了新型水下基盤導(dǎo)向樁連接器的研制工作。所研制的連接器結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便，可實現(xiàn)導(dǎo)向樁和導(dǎo)向繩的水下自動快速連接，并在遇到緊急狀況下迅速脫離。該工具的結(jié)構(gòu)和性能已得到室內(nèi)和現(xiàn)場試驗驗證，顯著的提高作業(yè)時效、節(jié)省了作業(yè)成本，具有極大的推廣應(yīng)用價值。

1 水下基盤導(dǎo)向樁連接器結(jié)構(gòu)

水下基盤導(dǎo)向樁和導(dǎo)向繩是海洋深水鉆井的關(guān)鍵設(shè)備，兩者連接可方便引導(dǎo)防噴器和水下采油樹等裝置的下入，水下基盤主要構(gòu)件有井槽導(dǎo)向孔、導(dǎo)向樁及附件，主要作用包括引導(dǎo)鉆具、承接水下井口裝置及防噴器組、布置井距、輔助導(dǎo)管架對接定位等。

根據(jù)現(xiàn)場的使用要求，設(shè)計的水下基盤導(dǎo)向樁連接器結(jié)構(gòu)如圖1所示。該連接器主要由本體底座、心軸、殼體、卡腳頂銷、環(huán)形套筒、卡腳鎖塊、高壓彈簧、承載環(huán)和ROV專用開關(guān)工具等組成。導(dǎo)向樁連接器的中心軸下端通過螺紋與連接器底座連接，導(dǎo)向繩通過中心孔連接到心軸和連接器上。底座外壁上裝有3個卡腳鎖塊，底座上開有裝載12個高壓彈簧的孔。承載環(huán)套在底座心軸外側(cè)，并壓住高壓彈簧。環(huán)形套筒套在心軸的臺肩上部和底座的外側(cè)，內(nèi)側(cè)設(shè)有槽口，與底座外壁上的鎖塊相對應(yīng)。環(huán)形套筒和心軸及底座的環(huán)形空間涂潤滑油脂。

1-心軸；2-外殼；3-彈簧座；4-高壓彈簧；5-環(huán)形套筒； 6-卡腳頂銷；7-連接套筒；8-卡腳鎖塊；9-套筒底座。圖1 水下基盤導(dǎo)向樁連接器結(jié)構(gòu)示意圖

2 工作原理

在現(xiàn)場需要脫開連接器與導(dǎo)向樁時，將專用開關(guān)工具固定在導(dǎo)向樁連接器的開關(guān)位置，通過液壓驅(qū)動環(huán)形套筒向下移動，壓縮高壓彈簧，從而推動卡腳鎖緊塊橫向進入套筒內(nèi)側(cè)凹槽，即可脫開連接；需要鎖緊導(dǎo)向樁時，使用專用開關(guān)工具移開環(huán)形套筒，靠已儲能的高壓彈簧向上驅(qū)動承載環(huán)，使環(huán)形套筒向上移動，卡腳鎖緊塊被強行彈出即可鎖緊。

水下基盤導(dǎo)向樁連接器可與導(dǎo)向繩進行連接固定，在下入前導(dǎo)向樁和連接器通過鎖銷進行鎖緊。當(dāng)鉆完井過程中需要解脫導(dǎo)向繩時，只需通過ROV專用液壓工具打開連接器鎖銷，實現(xiàn)連接器與導(dǎo)向樁之間解脫，而不用將整個導(dǎo)向樁回收至平臺，也不需要潛水員來安裝或者釋放。

3 主要技術(shù)參數(shù)

水下基盤導(dǎo)向樁連接器外徑為219.075 mm，總體長度為539.75 mm，心軸外徑為31.75 mm，用于連接的鋼絲直徑為19.05～31.75 mm，整個工具能承受的最大拉力為222 460 N，釋放壓力為3.45 MPa，質(zhì)量為81.2 kg。

4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

水下基盤導(dǎo)向樁連接器在水下作業(yè)過程中，其主要受鋼絲繩作業(yè)拉力、外部海水壓力、內(nèi)部壓力等影響，外殼、環(huán)形套筒、套筒底座等由于本身需要安裝部分零件，在外部載荷及自身結(jié)構(gòu)特性下，其局部可能出現(xiàn)應(yīng)力集中。因此，連接器生產(chǎn)前需對上述關(guān)鍵部位進行力學(xué)性能分析。本文根據(jù)連接器實際承載特性，對主要受載的外殼、環(huán)形套筒、套筒底座進行了強度與安全分析。

4.1 理論分析

4.1.1 抗拉強度

根據(jù)水下基盤導(dǎo)向樁連接器主要部件的受拉特性，在進行強度分析時，各部件需滿足抗拉強度要求[9]，即：

(1)

式中：σz為連接器部件的拉應(yīng)力，MPa；F為部件的實際拉力，N；A為部件的最小橫截面積，mm2；[σs]連接器各部件的許用拉應(yīng)力 。

4.1.2 壁厚

對于水下外殼、環(huán)形套筒、套筒底座等，均可簡化為薄壁管件。根據(jù)相關(guān)設(shè)計準(zhǔn)則，在管體的壁厚δ

(2)

式中：δ連接器零部件的理論最小壁厚，mm；p為連接器整體設(shè)計承受的最大壓力，MPa；D為零部件外徑，mm；[σ]為設(shè)計溫度下零部件材料的許用應(yīng)力，MPa；φ為焊縫系數(shù)，對于無縫管間φ=1；C1為部件的腐蝕余量，mm；C2為部件壁厚制造偏差，mm。

4.1.3 內(nèi)外壓作用下部件強度理論

結(jié)合材料力學(xué)、彈性力學(xué)相關(guān)理論，對于受內(nèi)外壓力的管柱體，其任意半徑處ρ的徑向、環(huán)向應(yīng)力的拉梅表達[10]為：

(3)

式中：σρ為管體的徑向應(yīng)力，MPa；σφ為管體的環(huán)向應(yīng)力，MPa；ro為管體的外徑，mm；ri為管柱的內(nèi)徑，mm；q1為管體的外壓，MPa；q2為管體的內(nèi)壓，MPa。

根據(jù)第四強度理論[11]，管體的等效應(yīng)力可表示為：

(4)

導(dǎo)向樁連接器各零部件的等效應(yīng)力需滿足各自材料的屈服應(yīng)力。

4.2 仿真分析

由于導(dǎo)向樁連接器的外殼、環(huán)形套筒、套筒底座上均需根據(jù)需要開孔、安裝其它零部件，開孔使得部件本體強度有了一定削弱。此外，孔洞處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中?；诖耍谠O(shè)計理論基礎(chǔ)上，需對上述部件進行深入分析。

4.2.1 模型建立與加載

結(jié)合外殼、環(huán)形套筒、套筒底座理論設(shè)計及其實際結(jié)構(gòu)圖，應(yīng)用SolidWorks分別進行實體建模，隨后導(dǎo)入Workbench劃分網(wǎng)格。相關(guān)零部件實物圖如圖2所示。通過Workbench后進行網(wǎng)格無關(guān)性檢查[12]，確定的外殼、環(huán)形套筒、套筒底座網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖2 導(dǎo)向樁連接器部件實物

圖3 導(dǎo)向樁連接器部件網(wǎng)格劃分

對于外殼、環(huán)形套筒、套筒底座的加載，主要根據(jù)水下基盤導(dǎo)向樁連接器極限工況進行加載，即在最大拉力、最大水深、最大內(nèi)壓等進行加載。根據(jù)設(shè)計要求，選取500 m水深進行階梯載荷加載，最大內(nèi)壓根據(jù)現(xiàn)場某井最大測壓31.8 MPa加壓，最大拉力為222.5 kN(50 000 lbs)，環(huán)形套筒和套筒底座的彈簧力按最大壓縮距離計算；根據(jù)實際安裝形式對外殼、環(huán)形套筒、套筒底座的約束進行固定。同時結(jié)合外殼、環(huán)形套筒、套筒底座的材料，其最大屈服應(yīng)力分別為630、930、930 MPa，泊松比為0.3，彈性摸量為2.06×105MPa。

4.3 有限元分析

根據(jù)上述的加載和約束形式，通過有限元分析獲得的外殼、環(huán)形套筒、套筒底座結(jié)果分別如圖4～6所示。

根據(jù)上述結(jié)果，導(dǎo)向樁連接器外殼的最大應(yīng)力和最大變形均位于底部與套筒螺紋連接部位，最大應(yīng)力為145.39 MPa，最小安全系數(shù)為4.33；最大變形量為0.13 mm，小于0.3 mm，最大應(yīng)力和最小變形量均與現(xiàn)場實際相符，且都在工具安全的使用范圍內(nèi)，滿足使用要求。

環(huán)形套筒由于不受拉力作用，其主要受工作壓力、彈簧力、摩擦力及卡腳鎖塊的外推力影響，其最大應(yīng)力為33.565 MPa，最大變形小于0.1 mm。

套筒底座在內(nèi)外壓、拉力、彈簧力及卡腳鎖塊推力等綜合作用下，最大應(yīng)力為251.61 MPa，最大應(yīng)力峰值位于卡腳鎖塊安裝槽兩面連接處底部，該區(qū)域面積較小，應(yīng)力分布趨勢與彈塑性理論分析相符；

圖4 外殼應(yīng)力和變形圖

圖5 環(huán)形套筒應(yīng)力和變形圖

圖6 套筒底座應(yīng)力和變形云圖

套筒底座的最大變形為0.086 mm，發(fā)生在套筒底座與芯軸連接端部，該處變形量較小，處于材料的彈性變形階段，滿足現(xiàn)場使用要求。后續(xù)加工過程中，針對孔端部的應(yīng)力集中問題，通過倒角對相關(guān)結(jié)構(gòu)進行了進一步的優(yōu)化。

5 室內(nèi)測試

在完成水下基盤導(dǎo)向樁連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其強度校核后，根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)需要，經(jīng)過中國船級社技術(shù)人員反復(fù)研究和試驗，對工具進行了加工和測試。根據(jù)工具的組成，其主要組裝順序為：

1) 先將心軸擰到工具底座的螺紋孔上。

2) 分別將3個卡腳頂銷和3個卡腳鎖塊安裝在底座上。

3) 將工具中部穿過心軸安裝在底座上，再將12個高壓彈簧裝進彈簧孔，擰緊頂絲。

4) 最后將環(huán)形套筒套在心軸的臺肩上部和底座的外側(cè)。

最終完成加工的工具如圖7所示。

圖7 導(dǎo)向樁連接器實物照片

在完成導(dǎo)向樁連接器組裝后，為了測試其使用性能，在室內(nèi)實驗室對工具進行了測試，測試主要包括鋼絲繩(1.5in)的配套使用測試、提拉性能測試、導(dǎo)入測試、工具鎖入導(dǎo)向樁測試、導(dǎo)向連接器釋放測試等，部分測試圖如圖8所示。通過現(xiàn)場測試表明，工具滿足基本設(shè)計需求，工作穩(wěn)定，3.45 MPa(500 psi)壓力下水下基盤導(dǎo)向樁連接器能穩(wěn)定釋放脫開。

圖8 導(dǎo)向樁連接器現(xiàn)場測試圖

6 現(xiàn)場應(yīng)用

水下基盤導(dǎo)向樁連接器在完成室內(nèi)測試后，該工具在崖城13-4氣田3口井首次進行了應(yīng)用，其后陸續(xù)應(yīng)用于流花4-1、流花19-5、番禺35-1等鉆井、水下采油樹安裝、修井等作業(yè)，現(xiàn)場使用效果良好，工具釋放可靠性高，釋放靈敏、快速。該工具在南海二號、南海五號等半潛式鉆井平臺完成超過20井次鉆完井及修井作業(yè)，現(xiàn)場累計使用時間達888 d，作業(yè)安全順利，顯著地提高了作業(yè)效率。由于該裝置結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便，后期在半潛式鉆井船進行的鉆完井作業(yè)中均可被使用，具有極大的推廣應(yīng)用價值。部分使用數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 水下基盤導(dǎo)向樁連接器部分使用情況統(tǒng)計

7 結(jié)論

1) 針對水下基盤在鉆完井作業(yè)中導(dǎo)向繩和導(dǎo)向樁必須整體取出、整體下入問題，研發(fā)了水下基盤導(dǎo)向樁連接器。該工具實現(xiàn)了導(dǎo)向繩與導(dǎo)向樁在海底進行快速連接和解脫，改變了以前只能將導(dǎo)向樁與導(dǎo)向繩起出水面才能解脫與連接的情況。

2) 對工具的主要結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計理論進行了說明，并結(jié)合其極限工況，應(yīng)用有限元軟件對工具主要零部件進行了強度與變形分析，驗證了工具的安全性。

3) 室內(nèi)測試和現(xiàn)場應(yīng)用表明，該工具結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便、可使用ROV液壓工具進行操作，性能指標(biāo)滿足海洋鉆井使用要求，大幅節(jié)省作業(yè)時間，降低作業(yè)風(fēng)險，提高作業(yè)時效，節(jié)省費用。該工具還可應(yīng)用于各種半潛式鉆井平臺下放基板及防噴器導(dǎo)向，下放采油樹導(dǎo)向以及各種水下工程設(shè)備下放導(dǎo)向，具有極大的推廣應(yīng)用價值。