深水表層連續(xù)鉆進(jìn)送入工具芯軸抗拉伸試驗

張 亢，李舒展，焦金剛，汪文星，王麥倫

(1. 中國石油大學(xué)(北京) 北京102294；2. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京102294)

0 引 言

深水表層連續(xù)鉆進(jìn)送入工具是在深水噴射法下表層導(dǎo)管作業(yè)所需的專用工具，其作用是將噴射鉆頭及管柱與表層導(dǎo)管連接在一起形成噴射管柱，影響著深水導(dǎo)管的安全高效下入作業(yè)。長期以來，深水水下井口及其送入工具被美國FMC、GE-VetcoGRAY、Cameron、Drill-Quip 及挪威AkerSolutions 等外國公司所壟斷，并且使用過程中存在費用昂貴、供貨周期長(一般1 年以上)、關(guān)鍵配件供應(yīng)短缺等問題，嚴(yán)重限制了我國深水油氣勘探開發(fā)進(jìn)程及海上高效施工作業(yè)要求[1]。

近年來，隨著我國南海深水油氣勘探開發(fā)力度的不斷加大，國內(nèi)相關(guān)油氣生產(chǎn)單位、水下工具生產(chǎn)廠商、科研院所等也加大了對深水表層連續(xù)鉆進(jìn)送入工具及相關(guān)水下服務(wù)工具的研發(fā)力度，初步形成了一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的深水表層連續(xù)鉆進(jìn)送入工具。為驗證其可靠性，需進(jìn)行相關(guān)的功能測試及可靠性試驗，以滿足現(xiàn)場施工作業(yè)要求，保證工具滿足安全性條件可用于深水作業(yè)，并為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計深水表層連續(xù)鉆進(jìn)送入工具提供指標(biāo)參數(shù)指導(dǎo)。

1 繼續(xù)鉆進(jìn)送入工具結(jié)構(gòu)分析

工具主要由以下幾大構(gòu)件組成：中心轉(zhuǎn)動軸(即芯軸)、工具本體、錐面軸套、半月型承載板、密封蓋板、圓頭T 型卡簧推桿、卡簧、示位桿等。如圖1 所示，工具本體通過錐面軸套上端預(yù)設(shè)置的安裝臺肩、螺紋及承載墊圈進(jìn)行下端面的裝配，并通過半月型承載板、密封蓋板、端蓋緊固螺栓，與錐面軸套上端預(yù)設(shè)置的上端安裝臺肩進(jìn)行上端面的配合安裝，實現(xiàn)錐面軸套與工具本體之間的相對鎖定。工具本體上設(shè)置有圓頭T 型卡簧推桿安裝槽及卡簧安裝槽，圓頭T型卡簧推桿與推桿安裝槽進(jìn)行配合安裝。預(yù)應(yīng)力卡簧安裝后，可將卡簧減阻墊圈和圓頭T 型卡簧推桿通過卡簧的預(yù)張緊應(yīng)力進(jìn)行機械約束并限位于安裝槽內(nèi)，T 型卡簧推桿可對卡簧施加徑向應(yīng)力，實現(xiàn)工具本體與低壓井口頭的鎖緊與釋放。錐面軸套通過矩形螺紋副與中心轉(zhuǎn)動軸進(jìn)行配合安裝，實現(xiàn)了中心轉(zhuǎn)動軸的正旋及反旋的轉(zhuǎn)動以及沿軸向的上下運動，其過程是通過中心轉(zhuǎn)動軸的旋轉(zhuǎn)運動并與錐面軸套限位銷的配合而實現(xiàn)的。示位桿通過與示位桿復(fù)位彈簧、示位桿密封圈、示位桿墊圈、示位桿減阻帽的配合，安裝于半月型承載板和密封壓蓋的預(yù)設(shè)安裝孔中，可直接對下入工具的鎖緊及釋放狀態(tài)進(jìn)行位置標(biāo)識直讀[2]。

由于送入工具芯軸上部連接鉆桿，下部連接鉆具組合，在深水表層導(dǎo)管噴射下入過程中及“二開”繼續(xù)鉆進(jìn)時，存在受到拉伸載荷作用的可能，需要對芯軸進(jìn)行加載試驗，驗證其是否存在機械結(jié)構(gòu)損壞及失效現(xiàn)象。

圖1 芯軸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of mandrel structure

2 送入工具作業(yè)流程分析

應(yīng)用深水表層連續(xù)鉆進(jìn)送入工具進(jìn)行噴射法下表層導(dǎo)管主要操作步驟包括：鉆前組裝、導(dǎo)管噴射、工具解脫、“二開”鉆進(jìn)、工具回收。

2.1 鉆前組裝

①根據(jù)工況，計算確定彈簧剪切銷釘數(shù)量，并安裝在CADA 工具上。由大鉤下放CADA 工具，使CADA 工具上4 個坐落防轉(zhuǎn)銷與低壓井口頭上4 個防轉(zhuǎn)銷槽對正，坐CADA 工具于低壓井口頭上，同時彈簧剪切銷釘進(jìn)入低壓井口頭卡槽中。

②階梯心軸倒轉(zhuǎn)7-1/4 圈，錐面滑套向下運動，坡面下降，向外推動圓頭T 型卡簧推桿，預(yù)應(yīng)力卡簧被彈出，CADA 工具與低壓井口頭鎖緊組裝完畢，同時涂有白漆的(便于ROV 觀察)示位桿下降，顯示送入工具與低壓井口頭已鎖緊。如圖2 所示。

③鎖緊組裝完畢的導(dǎo)管串下放至二層平臺，在月池低壓井口與泥墊完成組裝，準(zhǔn)備進(jìn)行導(dǎo)管噴射作業(yè)。

圖2 CADA 與低壓井口頭組裝圖Fig.2 Assembly diagram of CADA and LPWHD

2.2 表層導(dǎo)管噴射

組裝完畢的CADA 工具、低壓井口頭和泥墊鎖緊作為深水鉆具組合，開始進(jìn)行噴射(Jetting)下表層導(dǎo)管(Conductor)作業(yè)，此時頂驅(qū)已經(jīng)鎖死，如圖3 所示。噴射到位后，準(zhǔn)備工具解脫。

圖3 深水表層套管噴射Fig.3 Jetting for surface conductor

2.3 工具解脫

導(dǎo)管噴射到位后，進(jìn)行井口工具解脫作業(yè)。工具芯軸上提，軸套防轉(zhuǎn)塊卡入J 型槽與芯軸固定，在軸套防轉(zhuǎn)塊的軸向限制下，正轉(zhuǎn)7-1/4 圈，錐面滑套坡面上升，圓頭T 型推桿退回，預(yù)應(yīng)力卡簧縮進(jìn)，同時示位桿上升。轉(zhuǎn)動到位后下放芯軸，使軸套防轉(zhuǎn)塊進(jìn)入J 型槽上部，此時芯軸與芯軸軸套依靠上部螺紋剪切銷釘固定，芯軸繼續(xù)正轉(zhuǎn)1/8 圈，上部螺紋剪切銷釘在扭矩作用下被剪斷，實現(xiàn)解脫。芯軸可以順利下放，準(zhǔn)備“二開”鉆進(jìn)。

2.4 “二開”鉆進(jìn)

下放鉆桿，進(jìn)行正常的“二開”鉆井作業(yè)。鉆進(jìn)到位后，上提鉆桿，將工具芯軸提至工具本體位置時，卡住芯軸軸套，使得整個 CADA 工具的幾個主要部分“合而為一”，準(zhǔn)備工具回收。

2.5 工具回收

上提鉆桿，大鉤的上提力直接將 CADA 工具與低壓井口之間的彈簧剪切銷釘剪斷，使得 CADA 工具與低壓井口頭分開，成功回收工具至鉆井平臺。至此，使用深水表層連續(xù)鉆進(jìn)送入工具的施工作業(yè)完畢。

3 抗拉性能試驗

3.1 試樣說明

用于此次抗拉伸試驗的工具芯軸為國內(nèi)某水下工具生產(chǎn)廠家加工制造的深水表層連續(xù)鉆進(jìn)送入工具中心轉(zhuǎn)動軸。芯軸主體長2 775 mm，直徑最大處為274.6 mm，最小處為203.2 mm。上部預(yù)留公接頭絲扣，下部預(yù)留母接頭絲扣。距芯軸頂端686.8 mm 處，設(shè)置有剪切銷釘卡槽，其作用是在芯軸轉(zhuǎn)動時依靠剪應(yīng)力產(chǎn)生的扭矩剪切銷釘，實現(xiàn)芯軸與工具本體的解脫，然后繼續(xù)進(jìn)行“二開”鉆井作業(yè)。距芯軸底端657.35 mm 處，設(shè)置有J 型溝槽，當(dāng)J 型溝槽的進(jìn)口與襯套上的防轉(zhuǎn)塊對齊時，芯軸轉(zhuǎn)動可使防轉(zhuǎn)塊進(jìn)入J 型槽內(nèi)，在防轉(zhuǎn)塊的軸向限制下，鉆桿帶動芯軸轉(zhuǎn)動可實現(xiàn)工具與井口的鎖緊與解脫。

由于深水表層連續(xù)鉆進(jìn)送入工具中心轉(zhuǎn)動軸為整體構(gòu)件，故此次試驗對象為芯軸整體，無需對芯軸局部做單獨抗拉伸測試。

3.2 試驗設(shè)備及要求

儀器設(shè)備：復(fù)合加載試驗系統(tǒng)。

檢驗環(huán)境條件：室溫。

樣品說明：外觀完好。

檢驗項目：整體抗拉試驗。

檢驗方法依據(jù)：委托方CQQW/WS-JS-I901009-52001《繼續(xù)鉆進(jìn)工具芯軸拉伸試驗大綱》。

3.3 試驗內(nèi)容

抗拉伸試驗測試是將芯軸整體置于加載試驗裝置上，芯軸兩端與加載試驗裝置鎖緊，保證芯軸整體水平(圖4)。從0 kN 逐步施加拉伸載荷至2 000 kN，在拉伸載荷為 100 kN 時，拉力保持不變穩(wěn)載1.5 min；在拉伸載荷分別加至500、1 000 kN 時，保持拉力不變穩(wěn)載0.5 min；在拉伸載荷分別加至1 300、1 600、1 800 kN 時，保持拉力不變穩(wěn)載1 min；當(dāng)拉伸載荷加至最高2 000 kN 時保載3 min，然后逐步卸載(圖5)。在每個階段測量芯軸主體長度并記錄，試驗載荷加載數(shù)據(jù)如表1 所示。

圖4 復(fù)合加載試驗系統(tǒng)Fig.4 Composite loading test system

表1 抗拉性能試驗載荷加載數(shù)據(jù)Tab.1 Load data of tensile test

圖5 試驗過程加載曲線Fig.5 Loading curve during test

4 結(jié) 論

送入工具芯軸在試驗過程中未出現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)損壞及失效現(xiàn)象，在試驗過程中最大拉伸載荷下，其芯軸長度最大變化幅度為52.2 mm，試驗前后靜載情況下試樣長度變化符合試驗大綱要求。故此次由國內(nèi)水下工具生產(chǎn)廠商加工制作的深水表層連續(xù)鉆進(jìn)送入工具中心轉(zhuǎn)動軸滿足抗拉伸試驗要求，具備滿足現(xiàn)場施工作業(yè)的安全性和可靠性。