一種熱采井口油管頭設計及分析

董展翔(中國海洋石油服務股份有限公司油田生產事業部，天津 300459)

0 引言

隨著我國油氣勘探開發的不斷深入，所遇地質條件也越趨復雜，普遍具有儲層深、溫度高、產量大的特點，且含有硫化氫(H2S)等酸性腐蝕性氣體[1]。為了不斷適應石油開采惡劣的地質條件，文章筆者根據多年豐富的現場工作經驗模擬高溫高壓油氣井的開發開采條件，通過查閱和參考國內行業內的各種文獻和標準，通過技術論證，公式推理，設計出一款適用于高溫高壓油氣井開采條件的油管頭。文章的設計思路為設計開發更多款適應高溫、高壓且具有腐蝕特性的油氣井開發條件的油管頭提供理論支持和技術借鑒。

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、調節油氣生產的設備。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構關系如圖1所示。

圖1 井口裝置安裝關系

2 油管頭介紹

油管頭是一個上、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就是：通過油管頭的懸掛器來支撐井內油管的重力；通過油管掛和油管頭之間的密封環實現油管掛和油管頭的抗高壓的密封，進而密封井內油管和套管之間的一個環形空間，為油氣井作業提供正、反循環洗壓井的空間，進而確保油氣井作業期間的井控安全；為井內下接的套管頭、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側閘門，完成油套管之間管洗、壓井作業[3]。

圖2 油管頭示意圖

3 油管頭的設計及計算

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、各種規格的螺栓、螺母、密封墊環等零部件組成。對形狀規則的承壓厚壁圓筒、螺栓通過標準規定的計算公式進行計算和校核[4]。

3.1 各處壁厚計算分析和確定

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，而在進行承壓本體壁厚的計算時，根據國內外行業相關的計算標準只需要計算出最薄處的厚度是否符合工程強度要求就可以，即該油管頭四通的壁厚在額定工況下是否滿足強度要求[5]。只需要對A-A處的壁厚進行計算分析，也就是只需要A-A處的壁厚大于強度校核計算中的最小壁厚即可。

圖3 油管頭各處壁厚示意圖

設定工作參數和性能：設計壓力：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算如下：(總體一次薄膜應力強度計算)

材料最小屈服強度：SY=414 MPa；靜水壓試壓壓力：P1=50 MPa；承壓本體最薄處內半徑：R內=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力強度：

充分考慮腐蝕余量，按閥門設計計算手冊表3-1得：C取3實際壁厚t=30 mm，t>t1+3。根據上述計算結果t＞t1+3，可以得知，該油管頭壁厚最薄處的厚度符合現場實際使用的強度要求[6]。因此，整個油管頭四通的承壓本體的壁厚均符合工程設計要求的強度。

3.2 法蘭連接螺栓強度的計算及分析

3.2.1 上整體式法蘭計算及分析

上整體式法蘭的螺栓強度計算及分析(Φ330 法蘭、M30 螺栓)：

墊環寬度ω=10 mm，墊環有效密封寬度c=ω/8，壓緊力作用處的直徑DC=185 mm，墊環比壓力Y=124 N/mm2，內壓p=50 N/mm2，螺栓數目n=8，材料規定的最小屈服強度Sy=735 N/mm2

由公式(13)得：dB=2.133×10-2m=21.33 mm

實際螺栓規格為M30，長度180 mm，它的直徑大于計算得出的最小直徑 21.33 mm。因此，得出結論：設計強度符合現場工程要求。

3.2.2 底法蘭計算及分析

根據對346.1 mm(13-5/8英寸)法蘭的計算過程，進行計算得：

實際螺紋規格為M42，它的直徑大于計算得出的最小直徑 30.35 mm。因此，得出結論：設計制作出的油管頭整體強度符合工程使用要求。

4 結語

文章根據油氣井開發開采的現場工程條件，在擬定的實際工況下的額定壓力值、額定溫度和額定材料類別；然后按照這些參數客觀實際需求，選擇到材料ZG(J)35CrMo；然后通過翻閱相關文獻和國內外行業標準，進而確定了油管頭四通的具體結構形式；結合工程實際需求通過理論計算分析，設計出一款符合現場油氣井開發開采生產條件的油管頭；本文為類似結構的油管頭的強度校準，計算分析提供理論支持和技術借鑒。