水下基盤導向樁連接器設計與應用

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)

隨著海上油氣技術的持續發展，我國海上油氣開發作業水深不斷增加，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，目前多

數采用在預安裝的水下基盤上進行預鉆井的方案來進行開發[1-2]。水下鉆井基盤作為海洋石油鉆井作業使用的一種設備，從建造場地吊裝運輸到預定海域，并下放、安裝到海底的井位處，受海洋氣候和風浪流的影響極大[3]。以前下放基盤就位時，導向樁和導向繩一般作為1個整體下入和回收，導向繩和導向樁之間在水下不能夠進行脫離或連接，面臨每次作業必須導向繩和導向樁一起整體取出、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換過程中，以及水下采油樹下入完成之后都需要將導向繩連同導向樁一起回收，花費額外作業時間，且費用高昂[4-5]。

目前，國內關于水下基盤導向樁連接器的研究較少見諸報道，且以傳統需要人工輔助的螺栓連接形式為主，導向樁和導向繩的水下自動快速連接還處于技術空白[6-8]。因此，為打破國外壟斷，形成自主產權的水下基盤導向樁連接器，開展了新型水下基盤導向樁連接器的研制工作。所研制的連接器結構緊湊、操作簡便，可實現導向樁和導向繩的水下自動快速連接，并在遇到緊急狀況下迅速脫離。該工具的結構和性能已得到室內和現場試驗驗證，顯著的提高作業時效、節省了作業成本，具有極大的推廣應用價值。

1 水下基盤導向樁連接器結構

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

根據現場的使用要求，設計的水下基盤導向樁連接器結構如圖1所示。該連接器主要由本體底座、心軸、殼體、卡腳頂銷、環形套筒、卡腳鎖塊、高壓彈簧、承載環和ROV專用開關工具等組成。導向樁連接器的中心軸下端通過螺紋與連接器底座連接，導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。承載環套在底座心軸外側，并壓住高壓彈簧。環形套筒套在心軸的臺肩上部和底座的外側，內側設有槽口，與底座外壁上的鎖塊相對應。環形套筒和心軸及底座的環形空間涂潤滑油脂。

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 水下基盤導向樁連接器結構示意圖

2 工作原理

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

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

3 主要技術參數

水下基盤導向樁連接器外徑為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，質量為81.2 kg。

4 關鍵結構力學分析

水下基盤導向樁連接器在水下作業過程中，其主要受鋼絲繩作業拉力、外部海水壓力、內部壓力等影響，外殼、環形套筒、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構特性下，其局部可能出現應力集中。因此，連接器生產前需對上述關鍵部位進行力學性能分析。本文根據連接器實際承載特性，對主要受載的外殼、環形套筒、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

根據水下基盤導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力 。

4.1.2 壁厚

對于水下外殼、環形套筒、套筒底座等，均可簡化為薄壁管件。根據相關設計準則，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為連接器整體設計承受的最大壓力，MPa；D為零部件外徑，mm；[σ]為設計溫度下零部件材料的許用應力，MPa；φ為焊縫系數，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 內外壓作用下部件強度理論

結合材料力學、彈性力學相關理論，對于受內外壓力的管柱體，其任意半徑處ρ的徑向、環向應力的拉梅表達[10]為：

(3)

式中：σρ為管體的徑向應力，MPa；σφ為管體的環向應力，MPa；ro為管體的外徑，mm；ri為管柱的內徑，mm；q1為管體的外壓，MPa；q2為管體的內壓，MPa。

根據第四強度理論[11]，管體的等效應力可表示為：

(4)

導向樁連接器各零部件的等效應力需滿足各自材料的屈服應力。

4.2 仿真分析

由于導向樁連接器的外殼、環形套筒、套筒底座上均需根據需要開孔、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，孔洞處容易產生應力集中。基于此，在設計理論基礎上，需對上述部件進行深入分析。

4.2.1 模型建立與加載

結合外殼、環形套筒、套筒底座理論設計及其實際結構圖，應用SolidWorks分別進行實體建模，隨后導入Workbench劃分網格。相關零部件實物圖如圖2所示。通過Workbench后進行網格無關性檢查[12]，確定的外殼、環形套筒、套筒底座網格模型如圖3所示。

圖2 導向樁連接器部件實物

圖3 導向樁連接器部件網格劃分

對于外殼、環形套筒、套筒底座的加載，主要根據水下基盤導向樁連接器極限工況進行加載，即在最大拉力、最大水深、最大內壓等進行加載。根據設計要求，選取500 m水深進行階梯載荷加載，最大內壓根據現場某井最大測壓31.8 MPa加壓，最大拉力為222.5 kN(50 000 lbs)，環形套筒和套筒底座的彈簧力按最大壓縮距離計算；根據實際安裝形式對外殼、環形套筒、套筒底座的約束進行固定。同時結合外殼、環形套筒、套筒底座的材料，其最大屈服應力分別為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

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

根據上述結果，導向樁連接器外殼的最大應力和最大變形均位于底部與套筒螺紋連接部位，最大應力為145.39 MPa，最小安全系數為4.33；最大變形量為0.13 mm，小于0.3 mm，最大應力和最小變形量均與現場實際相符，且都在工具安全的使用范圍內，滿足使用要求。

環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，其最大應力為33.565 MPa，最大變形小于0.1 mm。

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

圖4 外殼應力和變形圖

圖5 環形套筒應力和變形圖

圖6 套筒底座應力和變形云圖

套筒底座的最大變形為0.086 mm，發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，滿足現場使用要求。后續加工過程中，針對孔端部的應力集中問題，通過倒角對相關結構進行了進一步的優化。

5 室內測試

在完成水下基盤導向樁連接器的結構設計及其強度校核后，根據現場作業需要，經過中國船級社技術人員反復研究和試驗，對工具進行了加工和測試。根據工具的組成，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) 最后將環形套筒套在心軸的臺肩上部和底座的外側。

最終完成加工的工具如圖7所示。

圖7 導向樁連接器實物照片

在完成導向樁連接器組裝后，為了測試其使用性能，在室內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、導入測試、工具鎖入導向樁測試、導向連接器釋放測試等，部分測試圖如圖8所示。通過現場測試表明，工具滿足基本設計需求，工作穩定，3.45 MPa(500 psi)壓力下水下基盤導向樁連接器能穩定釋放脫開。

圖8 導向樁連接器現場測試圖

6 現場應用

水下基盤導向樁連接器在完成室內測試后，該工具在崖城13-4氣田3口井首次進行了應用，其后陸續應用于流花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，現場使用效果良好，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，現場累計使用時間達888 d，作業安全順利，顯著地提高了作業效率。由于該裝置結構緊湊、操作簡便，后期在半潛式鉆井船進行的鉆完井作業中均可被使用，具有極大的推廣應用價值。部分使用數據如表1所示。

表1 水下基盤導向樁連接器部分使用情況統計

7 結論

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

2) 對工具的主要結構、工作原理、設計理論進行了說明，并結合其極限工況，應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) 室內測試和現場應用表明，該工具結構緊湊、操作簡便、可使用ROV液壓工具進行操作，性能指標滿足海洋鉆井使用要求，大幅節省作業時間，降低作業風險，提高作業時效，節省費用。該工具還可應用于各種半潛式鉆井平臺下放基板及防噴器導向，下放采油樹導向以及各種水下工程設備下放導向，具有極大的推廣應用價值。