深水井口頭送入工具結構與強度分析

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(1.中國石油大學(北京) 海洋工程研究院，北京102249；2.中國石油渤海鉆探伊朗項目部，德黑蘭)

通過對我國近50口深水自營井調研，深水水下井口及其送入工具主要被美國的FMC、GE-VetcoGray、Cameron、Drill-Quip及挪威的AkerSolutions等公司所壟斷，并且使用過程中存在費用昂貴、供貨周期長(一般1 a以上)、關鍵配件供應短缺等嚴重問題[1-3]。隨著陵水等1批大型深水油氣田的開發，打破國外技術壟斷，研發并形成具有自主知識產權的送入工具，對提升我國深水海洋工程裝備的綜合競爭力具有重要意義[4]。

依據現場施工作業要求，按照機械產品設計原則，參照《機械設計手冊》[5]，成功設計了一種深水低壓井口頭送入工具。使用AutoCAD進行了圖紙設計，使用SolidWorks進行了三維展示。對送入工具進行了作業流程分析，證明了工具設計的合理性和可行性。最后，結合現場作業實際情況，根據送入工具的結構特點和不同工況下的受力特點，使用Abaqus進行了力學特性校核。

1 送入工具結構分析

1.1 結構組成及功能

深水低壓井口頭送入工具的剖視圖、俯視圖和A-A剖面視圖分別如圖1～3所示[6-10]。

該工具的主要機構有坐落機構、鎖緊與解脫機構、鎖緊與解脫狀態示位機構、緊固機構、密封機構、維保構件及附屬構件等。其中，坐落機構主要零部件為安裝導向頭、階梯心軸、送入工具本體、防轉銷等；鎖緊與解脫機構主要零部件為階梯心軸、鎖緊襯套、矩形螺紋副、導向銷、鎖環推桿、鎖環墊圈、鎖環等；鎖緊與解脫狀態示位機構主要零部件為指示銷、鎖緊襯套、指示銷墊圈、指示銷減阻帽、指示銷復位彈簧等。

1—安裝導向頭；2—密封圈；3—送入工具本體；4—導向銷；5—鎖環；6—鎖環墊圈；7—密封圈；8—防轉銷；9—過流孔；10—指示銷減阻帽；11—密封圈；12—指示銷復位彈簧；13—密封圈；14—固定螺栓；15—復位彈簧壓緊環；16—指示銷；17—階梯心軸；18—半月板；19—密封圈；20—端蓋；21—指示銷墊圈；22—保養孔銷釘；23—鎖環推桿；24—矩形螺紋副；25—鎖緊襯套；26—密封圈；27—墊圈。圖1 送入工具剖視圖

1—送入工具本體；2—檢修銷釘；3—保養孔銷釘；4—階梯心軸；5—鎖環限位銷；6—固定螺栓；7—防轉銷；8—指示銷；9—過流孔。圖2 送入工具俯視圖

1—鎖環推桿；2—鎖緊襯套；3—過流孔；4—鎖環；5—送入工具本體；6—階梯心軸；7—鎖環墊圈；8—鎖環限位銷。圖3 送入工具A-A剖面視圖

坐落機構的主要功能：執行復雜海況及作業工況條件下，深水導管與送入工具本體的迅速導向、工具面對正與位置坐落；鎖緊與解脫機構的功能：在工具坐落后，執行深水導管與送入管柱的相互鎖緊及相互釋放工序。

1.2 結構特征與參數

在滿足送入工具作業需求，完成既定功能的前提下，按照“簡化設計原則”，嚴格遵守“越簡單、越可靠”的設計準則，送入工具全部采用機械配合控制，未采用液壓、電動等復雜控制系統。該工具通過鎖環、鎖環推桿、鎖緊襯套和階梯心軸的機械配合運動實現送入工具與低壓井口頭的鎖緊和解脫控制[11-12]。

在現場操作過程中，由于鉆井平臺存在橫搖及縱搖等運動，且深水低壓井口頭與送入工具均為大通徑的工具面對接聯接，其甲板聯接與鎖緊過程為施工操作的難點。針對該技術難題，設計的送入工具設置有安裝導向頭機構，當送入工具的導向頭機構進入低壓井口頭一定距離時，導管在導向機構的引導與扶正作用下可迅速完成居中與對正，繼續平穩下放大鉤，防轉銷坐入槽口中，實現送入工具自動坐落。安裝導向頭機構使甲板聯接與鎖緊過程大為簡化、施工更安全、便捷、高效。

送入工具的主要參數為：產品級別PSL2級，額定壓力34.47 MPa(5 000 psi)，溫度級別V級，防腐要求表面磷化，抗拉強度454 MPa(1 000 000 lbs)；最大外徑為926.0 mm；最大長度為2.9 m。

3個鎖環推桿呈120°均布于工具本體上，每個安裝槽的4個側面設置有配合摩擦面，配合摩擦面的設置可保證推桿沿徑向方向的推出狀態，使得作用于鎖環的外推力沿軸向均布，承受均勻外推力作用，同時減小了鎖環推桿與推桿安裝槽在高負載工況條件下的摩擦阻力，提高了工具的裝配精度。鎖環推桿與鎖環采用大面積的形狀配合，改善了鎖環在徑向上的受力狀況，使得鎖緊與解脫工況具有更高可靠性。

2 送入工具作業流程分析

應用該送入工具對深水低壓井口頭在甲板上進行轉移、在鉆臺上進行下入，作業流程是：井口坐落、井口鎖緊、管柱下入和井口解脫。

井口坐落作業流程：因深水半潛式鉆井平臺受風、波浪、海流等復雜海洋環境載荷作用而產生縱蕩、橫蕩和垂蕩等多自由度的復雜運動，所以送入工具本體上設置有安裝導向頭，可實現大通徑的送入工具聯接面迅速對接。且當安裝導向頭進入低壓井口頭一定距離，則安裝導向頭與低壓井口頭通過形尺寸配合，自動完成工具與井口的居中扶正，然后平穩下放大鉤，使送入工具上4個防轉銷平穩坐落于防轉銷槽中，便完成井口坐落。

井口鎖緊作業流程：鉆桿帶動階梯心軸倒轉9圈，鎖緊襯套在導向銷的軸向限制下，坡面向下移動9倍螺距(矩形螺紋副)，下降過程中逐漸向外推動鎖環推桿，鎖環被彈出，同時涂有白漆的指示銷下降，顯示送入工具與低壓井口頭已鎖緊。

井口鎖緊后進行管柱下入，下入結束后，進行井口解脫作業。

井口解脫作業流程：井口鎖緊作業的逆過程，鉆桿帶動階梯心軸正轉9圈，鎖緊襯套在導向銷的軸向限制下，坡面向上移動9倍螺距，鎖環推桿收回，鎖環縮進，同時涂有白漆的指示銷上升，顯示送入工具與低壓井口頭已解脫。

3 送入工具力學特性校核

3.1 送入工具轉運工況力學特性校核

由于送入工具自身結構和受力的復雜性，僅使用理論分析的方法難以準確描述結構的受力情況。因此，為研究整個工具的受力狀態及關鍵部位的應力應變狀態，對此過程進行了Abaqus有限元模擬。模擬過程中通過不同構件間接觸關系的設置可將整個工具視為一個整體進行施加外力分析以研究整體內應力應變狀況。

以南中國海某深水井為例[13]，設置起吊方向為沿xy平面內，起吊角度為45°，載荷為轉運工況條件下起吊?914.4 mm(直徑36 in，壁厚1.5 in)表層導管，線重8.07 kN/m，總長為9.0 m，即，表層導管重力72.63 kN。低壓井口頭重力11.12 kN。則此工況下總靜載荷為83.75 kN，取1.2的附加安全系數并取整為100 kN。送入工具材質設置為45#管材鋼，模擬結果如圖4～5所示。

由模擬結果可知，送入工具的階梯心軸低位側、鎖環低位側位置為受拉應力最大處，最大值分別為84.32 MPa、28.23 MPa；送入工具的階梯心軸高位側、鎖環高位側位置為受擠壓應力最大處，最大值分別為51.74 MPa、18.37 MPa；最大應力分別為許用應力的20.08%、11.36%。因此，此操作工況條件下的最小許用應力安全系數為4.98，結構強度校核安全。

圖4 管柱串轉運工況的結構受力云圖

圖5 轉運工況的鎖環受力云圖

3.2 送入工具下入工況力學特性校核

下入管柱完成平臺轉運并聯接低壓井口頭下入導管串，便可進行導管管柱的下入作業。此過程主要操作為下入鉆桿通過與階梯心軸的標準油管扣聯接，而后通過大鉤上提下放低壓井口頭及導管串。

以南中國海某深水井為例[13]，應用所建立的數值模型，對此過程進行了數值計算。此深水井工況條件下的管柱組合為：低壓井口頭×1個+?914.4 mm(直徑36 in，壁厚1.5 in)導管×3根+?914.4 mm(直徑36 in，壁厚1.0 in)導管×5根；送入管柱的管串總長度80 m。?914.4 mm(直徑36 in，壁厚1.5 in)高強度深水導管的線重為8.07 kN/m，?914.4 mm(直徑36 in，壁厚1.0 in)深水導管的線重為7.38 kN/m，則此工況下總靜載荷為615.4 kN，取1.5的附加安全系數并取整為1 000 kN。設置起吊載荷為1 000 kN，數值模擬結果如圖6～7所示。

圖6 管柱串下入工況的結構受力云圖

圖7 下入工況的鎖環受力云圖

由模擬結果，送入工具本體的內壁與外壁的上表面內側為受拉應力最大處，最大值為104.0 MPa，送入工具本體的內壁與外壁的下表面內側位置為受壓應力最大處，最大值為91.78 MPa，卡簧的最大壓應力為93.47 MPa，最大應力值分別為最大許用應力值的24.76%、25.85%、22.25%，因而此工況條件下最小許用安全系數為3.87，滿足結構強度安全要求。

4 結論

1) 根據現場施工作業要求，設計了一種深水低壓井口頭送入工具。該工具通過機械配合控制，使得送入工具鎖緊與解脫更穩定可靠。安裝導向頭機構在送入工具坐落低壓井口頭過程中起到自動居中扶正的作用，提高了組裝時效，達到了提質增效的目的。

2) 對送入工具進行作業流程分析，證明了該工具設計的合理性和可行性，為工具的加工、測試及逐步實現國產化提供了有力的技術支撐。

3) 送入工具的功能性設計，滿足了深水井口下入作業的功能性要求和結構強度的要求。通過送入工具的承載力學特性分析和有限元數值模擬研究表明，工具在最危險工況條件下作業安全性高，危險載荷條件下的最大應力為材料許用應力的25.85%。

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