深水表層連續(xù)鉆進(jìn)送入工具轉(zhuǎn)動(dòng)塊及相關(guān)聯(lián)部件分析

吳 怡，張 亢，楊玉貴，李舒展，王麥倫，汪文星

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京100010；2. 中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院 北京100728；3. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 北京102249)

0 引 言

深水噴射法下表層導(dǎo)管在目前深水油氣井表層導(dǎo)管下入方式中是技術(shù)相對(duì)成熟，應(yīng)用較為廣泛的，而深水表層連續(xù)鉆進(jìn)送入工具又是噴射作業(yè)中必不可少的水下作業(yè)工具。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的深水水下井口及配套服務(wù)工具等嚴(yán)重依賴國(guó)外技術(shù)，水下井口及送入工具一直被 FMC、Drill-Quip、喀麥隆等外國(guó)廠商壟斷，其相關(guān)技術(shù)也一直對(duì)我國(guó)封鎖，造成了工具在使用過(guò)程中存在費(fèi)用昂貴、關(guān)鍵配件供應(yīng)短缺、供貨周期長(zhǎng)等問(wèn)題。研發(fā)并形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的送入工具已刻不容緩，這對(duì)提升我國(guó)深水海洋工程裝備的綜合競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義[1]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)科研單位及鉆完井工具廠商加大了對(duì)深水水下井口及相關(guān)配套服務(wù)工具的研發(fā)力度，初步形成了一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的送入工具。但是目前國(guó)內(nèi)加工制造的送入工具技術(shù)還相對(duì)不成熟，需對(duì)工具進(jìn)行一系列的功能測(cè)試分析等，以便滿足現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)要求，盡早投入現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)使用階段。

本文運(yùn)用 Solidworks軟件進(jìn)行工具 3D模型的建立、檢查，運(yùn)用三維CAD軟件對(duì)模型進(jìn)行處理，通過(guò)接口軟件將模型導(dǎo)入 ABAQUS分析軟件中，運(yùn)用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行模型的前處理，包括各零部件材料的賦予，有限元網(wǎng)格的劃分，約束邊界條件和載荷的施加、求解，最后對(duì)送入工具的關(guān)鍵部件轉(zhuǎn)動(dòng)塊及相關(guān)部件進(jìn)行結(jié)果提取和分析評(píng)價(jià)。保證送入工具強(qiáng)度滿足施工作業(yè)要求，保證現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)的安全。

1 送入工具結(jié)構(gòu)及工作原理分析

1.1 送入工具結(jié)構(gòu)組成

送入工具主要由以下幾部分構(gòu)成：坐落機(jī)構(gòu)、鎖緊與解脫機(jī)構(gòu)、鎖緊與解脫狀態(tài)示位機(jī)構(gòu)、緊固機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)、維保構(gòu)件及附屬構(gòu)件等[2]。每個(gè)機(jī)構(gòu)不是孤立的，而是相互配合、協(xié)同工作，其中每個(gè)機(jī)構(gòu)包括的零件有所重疊。

如圖 1所示，坐落機(jī)構(gòu)主要零部件為安裝導(dǎo)向頭、階梯心軸、送入工具本體、防轉(zhuǎn)銷等；鎖緊與解脫機(jī)構(gòu)主要零部件為階梯心軸、鎖緊襯套、矩形螺紋副、導(dǎo)向銷、卡簧推桿、卡簧墊圈、卡簧等；鎖緊與解脫狀態(tài)示位機(jī)構(gòu)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(fù)位彈簧等。

坐落機(jī)構(gòu)的主要功能：在現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)條件下，送入工具本體與低壓井口頭迅速導(dǎo)向?qū)樱顾腿牍ぞ邷?zhǔn)確坐落于低壓井口頭上。鎖緊與解脫機(jī)構(gòu)的功能：在工具坐落后，執(zhí)行送入工具與低壓井口頭的相互鎖緊及相互解脫工序。鎖緊與解脫狀態(tài)示位機(jī)構(gòu)的功能：為便于觀察送入工具的鎖緊、釋放、解脫和回收等不同的工作狀態(tài)，需要有指示性結(jié)構(gòu)，以便于ROV觀察，此功能主要依賴涂有白漆的示位桿進(jìn)行位置標(biāo)識(shí)直讀。

圖1 CADA工具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of CADA

1.2 送入工具工作原理分析

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，主要分為以下幾個(gè)操作步驟：工具坐落與鎖緊、導(dǎo)管噴射、工具解脫、“二開”繼續(xù)鉆進(jìn)、工具回收。

工具坐落與鎖緊作業(yè)流程：送入工具本體上設(shè)置有安裝導(dǎo)向頭，可實(shí)現(xiàn)大通徑的送入工具連接面迅速對(duì)接。當(dāng)安裝導(dǎo)向頭進(jìn)入低壓井口頭一定距離以內(nèi)時(shí)，安裝導(dǎo)向頭與低壓井口頭，通過(guò)形尺寸配合，自動(dòng)完成工具與井口的居中扶正，同時(shí)使送入工具上的4個(gè)防轉(zhuǎn)銷與低壓井口頭防轉(zhuǎn)銷槽對(duì)齊，平穩(wěn)下放大鉤，工具坐落于低壓井口頭上，井口坐落完成，然后進(jìn)行工具與低壓井口頭的鎖緊。鉆桿帶動(dòng)階梯心軸倒轉(zhuǎn) 7-1/4圈，鎖緊襯套在導(dǎo)向銷的軸向限制下，坡面向下移動(dòng)，下降過(guò)程中逐漸向外推動(dòng) T型卡簧推桿，卡簧被彈出，同時(shí)涂有白漆的示位桿下降，顯示送入工具與低壓井口頭已鎖緊。井口鎖緊后準(zhǔn)備進(jìn)行表層導(dǎo)管噴射作業(yè)[3]。

導(dǎo)管噴射作業(yè)流程：鎖死頂驅(qū)，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，利用鉆頭的水力噴射能力將表層導(dǎo)管下至預(yù)定位置。

井口解脫作業(yè)流程：工具階梯心軸上提，軸套卡入 J型槽與心軸固定，在軸套轉(zhuǎn)動(dòng)塊的軸向限制下，正轉(zhuǎn)7-1/4圈，鎖緊襯套坡面上升，T型推桿退回，卡簧縮進(jìn)，同時(shí)示位桿上升。轉(zhuǎn)動(dòng)到位后，下放階梯心軸，是軸套轉(zhuǎn)動(dòng)塊進(jìn)入 J型槽上部，此時(shí)心軸與心軸軸套依靠上部螺紋剪切銷釘固定，心軸繼續(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(shí)現(xiàn)解脫。心軸可以順利下放，準(zhǔn)備“二開”鉆進(jìn)。

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

工具回收作業(yè)流程：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(tái)。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。

2 工具材料特性及分析要求

2.1 工具三維模型

根據(jù)項(xiàng)目組提供的資料，低壓井口頭繼續(xù)鉆進(jìn)工具部件三維模型如圖2所示。

2.2 載荷情況

根據(jù)低壓井口頭繼續(xù)鉆進(jìn)工具部件的實(shí)際工作狀態(tài)和設(shè)計(jì)開發(fā)輸入的要求，其承受的載荷為懸掛載荷，數(shù)值如表 1所示，重點(diǎn)進(jìn)行吊裝低壓井口頭的工況模擬。

圖2 三維模型Fig.2 Three-dimensional model

根據(jù)繼續(xù)鉆進(jìn)工具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)塊處受力較為復(fù)雜，為此重點(diǎn)進(jìn)行此處的有限元分析。

2.3 材料物理特性

低壓井口頭繼續(xù)鉆進(jìn)工具部件本體、芯軸襯套和向下鎖緊襯套材料為 4130，芯軸和鎖緊推桿材料為4140，轉(zhuǎn)動(dòng)塊和鎖環(huán)材料為 4340，低壓井口頭本體材料為 8630，其力學(xué)特性如表 2所示。材料 8630(85K)的屈服極限和抗拉強(qiáng)度是根據(jù)高壓井口頭本體試樣經(jīng)過(guò)拉伸試驗(yàn)得到的數(shù)值，更接近真實(shí)情況。

表2 材料物理特性Tab.2 Physical properties of materials

2.4 分析假設(shè)

①材料是均勻的，連續(xù)的，各向同性的。

②整個(gè)分析過(guò)程結(jié)構(gòu)發(fā)生小變形。

③只考慮 2.2 中的載荷作用，忽略重力等其他載荷。

3 轉(zhuǎn)動(dòng)塊及相關(guān)聯(lián)部件分析

3.1 幾何模型

低壓井口頭繼續(xù)鉆進(jìn)工具和相關(guān)聯(lián)部件的三維模型由工具加工廠商設(shè)計(jì)提供，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及承載情況，選取轉(zhuǎn)動(dòng)塊、芯軸襯套、芯軸的局部區(qū)域作為研究分析對(duì)象。考慮到結(jié)構(gòu)及載荷的周期性，沿周向?qū)ΨQ面選取模型的1/4進(jìn)行有限元分析，以提高分析效率。運(yùn)用三維 CAD軟件對(duì)模型進(jìn)行處理，得到用于分析的幾何模型如圖3所示。

圖3 幾何模型Fig.3 Geometric model

3.2 網(wǎng)格模型

根據(jù)有限元分析要求，對(duì)設(shè)計(jì)提供的三維模型進(jìn)行處理，然后導(dǎo)入有限元分析軟件，保證盡可能采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格[6]。在載荷作用下，轉(zhuǎn)動(dòng)塊以及與其接觸面區(qū)域的應(yīng)力較大，為此對(duì)這些部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，重點(diǎn)關(guān)注。網(wǎng)格劃分時(shí)選用結(jié)構(gòu)化單元 C3D8R和 C3D10相結(jié)合。初次劃分分析求解，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)網(wǎng)格局部進(jìn)行調(diào)整，得到滿足分析要求的低壓井口頭繼續(xù)鉆進(jìn)工具部件網(wǎng)格模型如圖4所示，其單元數(shù)為83819，節(jié)點(diǎn)數(shù)為117325。

圖4 網(wǎng)格模型Fig.4 Mesh model

圖5 邊界條件圖Fig.5 Boundary condition diagram

3.3 邊界條件

按照 2.2的要求，在芯軸襯套上端面施加懸掛載荷 2224099.5N，由于選取的分析模型為實(shí)際模型的1/4，這里施加懸掛載荷為 556025N，在圓周剖分面上施加對(duì)稱約束，在芯軸上端面施加軸向位移約束，得到其邊界條件如圖5所示。

3.4 分析結(jié)果評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)分析得到其總體位移分布如圖6所示，總體等效應(yīng)力分布如圖 7所示，轉(zhuǎn)動(dòng)塊等效應(yīng)力分布如圖8所示，芯軸等效應(yīng)力分布如圖9所示，芯軸襯套等效應(yīng)力分布如圖10所示。

從圖 6可以看出，在懸掛載荷作用下，部件最大位移為 0.5896mm，發(fā)生在芯軸襯套上端面。從圖 7可以看出，轉(zhuǎn)動(dòng)塊及其附近區(qū)域等效應(yīng)力最大值為942.6MPa，發(fā)生在轉(zhuǎn)動(dòng)塊與芯軸外圓接觸面邊緣，此處為結(jié)構(gòu)局部不連續(xù)引起的應(yīng)力集中，如圖 8所示，發(fā)生屈服的區(qū)域較小，轉(zhuǎn)動(dòng)塊上等效應(yīng)力最大值為942.6MPa，發(fā)生在轉(zhuǎn)動(dòng)塊與芯軸外圓接觸面邊緣，此為邊緣應(yīng)力集中現(xiàn)象，轉(zhuǎn)動(dòng)塊上等效應(yīng)力主要分布在575.8MPa以下，材料的屈服應(yīng)力862MPa，相對(duì)安全系數(shù)為1.5，強(qiáng)度上滿足要求。從圖9可以看出，芯軸上的等效應(yīng)力最大值為 920.1MPa，發(fā)生在芯軸外圓與轉(zhuǎn)動(dòng)塊接觸面邊緣，此處由于邊緣應(yīng)力集中現(xiàn)象，芯軸上等效應(yīng)力主要分布在 422.9MPa以下，材料的屈服應(yīng)力為 725MPa，相對(duì)安全系數(shù)為 1.71，強(qiáng)度上滿足要求。從圖 10可以看出，芯軸襯套上等效應(yīng)力最大值為 762.5MPa，略高于材料的屈服應(yīng)力725MPa，芯軸襯套上等效應(yīng)力主要分布在 424MPa以下，相較于材料的屈服應(yīng)力的安全系數(shù)為 1.71，強(qiáng)度上滿足要求。

圖6 總體位移分布圖Fig.6 Overall displacement distribution

圖7 總體等效應(yīng)力分布Fig.7 Total equivalent stress distribution

圖8 轉(zhuǎn)動(dòng)塊等效應(yīng)力分布圖Fig.8 Equivalent stress distribution of rotating block

圖9 芯軸等效應(yīng)力分布圖Fig.9 Equivalent stress distribution of spindle

圖10 芯軸襯套等效應(yīng)力分布圖Fig.10 Equivalent stress distribution of spindle bushing

4 結(jié) 論

本文對(duì)深水表層連續(xù)鉆進(jìn)送入工具的轉(zhuǎn)動(dòng)塊及其相關(guān)聯(lián)部件進(jìn)行了有限元分析。分析結(jié)果表明：在懸掛載荷作用下，低壓井口頭繼續(xù)鉆進(jìn)工具轉(zhuǎn)動(dòng)塊及其相關(guān)聯(lián)部件最大位移為0.5896mm；轉(zhuǎn)動(dòng)塊上等效應(yīng)力主要分布在 575.8MPa以下，相對(duì)安全系數(shù)為1.5；芯軸上等效應(yīng)力主要分布在 422.9MPa以下，相對(duì)安全系數(shù)為1.71；芯軸襯套上等效應(yīng)力主要分布在424MPa以下，相對(duì)安全系數(shù)為 1.71。由此可見，我國(guó)自主研發(fā)的送入工具在強(qiáng)度理論計(jì)算方面已滿足現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)要求，這為下一步工具的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供了理論數(shù)據(jù)指導(dǎo)，并且對(duì)今后深水送入工具的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。