內(nèi)鎖緊懸掛器及井口快速連接裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

詹良斌，劉方，胡曼玉，肖艷平

（1.蘇州道森鉆采設(shè)備股份有限公司，江蘇 蘇州 215000；2.長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)研究所，湖北 荊州 434023）

1 前言

套管懸掛器作為井口系統(tǒng)的主要組成部件之一，在下入高壓井口時(shí)，起到懸掛支撐管柱的作用。油管懸掛器作為采油樹的關(guān)鍵部件，主要用于懸掛油管、密封油管和油層套管，提供油氣生產(chǎn)通道，分離上下空間，并承受井壓和安裝時(shí)的提升拉力。

現(xiàn)有常規(guī)套管、油管懸掛器從功能上來說還不能滿足一些特殊的井下作業(yè)需求。袁偉楠等人認(rèn)為，渤海首次在套管坐掛的懸掛器中，套管與懸掛器間隙較小，存在坐掛不成功、固井憋壓等問題，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高。劉洋等人對(duì)2 種現(xiàn)有的金屬密封結(jié)構(gòu)件的分析表明載荷較大時(shí)常規(guī)懸掛器中的金屬密封結(jié)構(gòu)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。孟慶飛在渤海油田的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)井口快速連接裝置在安裝時(shí)操作困難，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，導(dǎo)致作業(yè)工期較長(zhǎng)。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種內(nèi)鎖緊懸掛器及井口快速連接裝置。對(duì)井口快速連接裝置、鎖緊環(huán)以及快速連接彎矩測(cè)試工裝進(jìn)行力學(xué)模型的建立，開展有限元仿真模擬分析，對(duì)芯軸式套管懸掛器、卡瓦式套管懸掛器、油管懸掛器以及井口快速連接裝置進(jìn)行PR2 測(cè)試，與現(xiàn)有懸掛器相比，本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有省時(shí)、省力、可靠的優(yōu)點(diǎn)，功能更加強(qiáng)大。同時(shí)，也為內(nèi)鎖緊懸掛器及井口快速連接裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、各種安全施工作業(yè)提供了一定的借鑒。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料屬性

2.1 井口快速連接裝置

（1）井口快速連接裝置結(jié)構(gòu)。井口快速連接裝置采用的規(guī)格是13-5/8 10K，整體裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包含上部連接、下部連接以及鎖緊裝置。上部連接采用了4-1/16 10K 栽絲法蘭，下部連接采用的是13-5/8 10K 快速連接兼容API 16A 13-5/8 10K 卡箍。鎖緊裝置是井口快速連接裝置最關(guān)鍵的部分，它決定了整個(gè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，它主要包括變徑法蘭、快連本體、鎖塊、鎖緊螺釘、鎖緊螺母等。

圖1 井口快速連接裝置結(jié)構(gòu)圖

（2）主要材料屬性。井口快速連接裝置的主要零件材料屬性如表1 所示。變徑法蘭、快連本體以及鎖緊螺母均采用4130 結(jié)構(gòu)鋼，屈服強(qiáng)度≥785MPa，鎖塊和鎖緊螺釘均采用4140 材料，表面處理工藝采用QPQ，屈服強(qiáng)度≥930MPa。

表1 井口快速連接裝置各零件材料及力學(xué)性能參數(shù)

2.2 油管懸掛器

（1）油管懸掛器結(jié)構(gòu)。13-5/8X 4-1/2 油管懸掛器結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由本體、鎖緊環(huán)、激活環(huán)、固位環(huán)、主密封、頸部密封等組成。鎖緊環(huán)采用專用工具進(jìn)行激活，激活及取出力矩小，操作簡(jiǎn)單方便。其中油管懸掛器送取工具如圖3 所示。

圖2 油管懸掛器結(jié)構(gòu)圖

圖3 油管懸掛器送取工具

（2）主要材料屬性。油管懸掛器的主要零件材料屬性如表2 所示。本體采 用4130(75k) 結(jié) 構(gòu) 鋼，屈服強(qiáng)度≥517MPa， 鎖緊環(huán)采用4340(135k)， 屈服強(qiáng)度≥862MPa， 激活環(huán)采用4140(110k)， 屈服強(qiáng)度≥790MPa。

表2 油管懸掛器各零件材料及力學(xué)性能參數(shù)

2.3 芯軸式套管懸掛器

（1）油管懸掛器結(jié)構(gòu)。型號(hào)為13-5/8X 9-5/8 和13-5/8X 7 的芯軸式套管懸掛器結(jié)構(gòu)分別如圖4（a）和圖4（b）所示，主要由本體、鎖緊環(huán)、激活環(huán)、固位環(huán)、主密封、頸部密封等組成。鎖緊環(huán)采用專用工具進(jìn)行激活，激活及取出力矩小，操作簡(jiǎn)單方便。其中套管懸掛器送取工具如圖5 所示。

圖4 芯軸式套管懸掛器結(jié)構(gòu)圖

圖5 芯軸式套管懸掛器送取工具

（2）主要材料屬性。芯軸式套管懸掛器的主要零件材料屬性如表3 所示。本體采用4140(110K)/4130(75k)結(jié)構(gòu)鋼，屈服強(qiáng)度≥790MPa/7517MPa，鎖緊環(huán)采用4340(135k)，屈服強(qiáng)度≥862MPa，激活環(huán)采用4140(110k)，屈服強(qiáng)度≥790MPa。

表3 芯軸式套管懸掛器各零件材料及力學(xué)性能參數(shù)

2.4 卡瓦式套管懸掛器

該卡瓦式套管懸掛器由C21 型卡瓦懸掛器和PACKOFF組成，型號(hào)為13-5/8X 9-5/8和13-5/8 X7兩種，均采用PU-DD-PSL3-PR2F 材料，結(jié)構(gòu)如圖6（a）和圖6（b）所示，具有密封性好及承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

圖6 卡瓦式套管懸掛器結(jié)構(gòu)圖

3 有限元分析

利用有限元軟件對(duì)快速連接裝置、鎖緊環(huán)和快速連接彎矩測(cè)試工裝三種裝置進(jìn)行仿真分析，建立有限元模型，采用六面體占優(yōu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，賦予材料屬性，并且設(shè)置了載荷、約束、接觸對(duì)和單元類型，分析結(jié)果如下。

3.1 快速連接計(jì)算分析結(jié)果

井口快速連接裝置應(yīng)力分布如圖7 所示，最大應(yīng)力值為80.13ksi，位置出現(xiàn)在鎖緊螺釘與鎖塊接觸處?？爝B本體起到連接變徑法蘭和懸掛器本體的作用，擰緊鎖緊螺釘后，螺釘發(fā)生軸向位移，鎖塊被擠壓，鎖塊與鎖緊螺釘?shù)慕佑|部分發(fā)生向上的位移，因此兩者接觸部位應(yīng)力最大。根據(jù)表1 材料屬性可知，快速連接的最大應(yīng)力在許可范圍內(nèi)，強(qiáng)度滿足要求。

圖7 井口快速連接裝置應(yīng)力云圖

3.2 鎖緊環(huán)計(jì)算分析結(jié)果

油管懸掛器中鎖緊環(huán)應(yīng)力分布如圖8 所示。最大應(yīng)力值為323.4ksi，位置出現(xiàn)在鎖緊環(huán)與懸掛器本體接觸處，最大應(yīng)力為323.4ksi，大于屈服應(yīng)力，這是由于鎖緊環(huán)在工作中僅起到固定懸掛器本體的作用，局部發(fā)生輕微屈服，同時(shí)在有限元分析過程中，對(duì)模型進(jìn)行了圓角和倒角簡(jiǎn)化處理，產(chǎn)生了應(yīng)力集中。綜合上述兩點(diǎn)原因，最大應(yīng)力位置對(duì)懸掛器總體工作性能產(chǎn)生的影響可忽略，因此結(jié)構(gòu)仍滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 鎖緊環(huán)應(yīng)力云圖

3.3 快速連接彎矩測(cè)試工裝有限元分析

井口快速連接裝置彎矩測(cè)試工裝位移分布如圖9 所示，最大位移為3.4mm，位于工字鋼端部，這是由于該位置承受載荷發(fā)生變形而導(dǎo)致，其最大位移量在許可變形范圍內(nèi)，符合實(shí)際工況要求。

圖9 快速連接彎矩測(cè)試工裝位移云圖

4 PR2 測(cè)試

PR2 測(cè)試是根據(jù)美國(guó)API 學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)石油鉆采用閥門進(jìn)行的一項(xiàng)性能測(cè)試，整個(gè)測(cè)試過程涉及閥門的承壓、高低溫環(huán)境下的密封性能等，主要用于驗(yàn)證閥門、井口和采油樹及其部件PR2 性能的試驗(yàn)裝置。PR2性能試驗(yàn)包括強(qiáng)度試驗(yàn)、密封試驗(yàn)、閥門最高/最低溫度下的開啟關(guān)閉動(dòng)態(tài)試驗(yàn)、閥體壓力/溫度循環(huán)試驗(yàn)、操作力矩試驗(yàn)等。性能鑒定試驗(yàn)在試制的產(chǎn)品或者樣機(jī)上進(jìn)行，一般使用氮?dú)庾鳛閷?shí)驗(yàn)的介質(zhì)，需要一套完善的實(shí)驗(yàn)裝置，包括超高壓壓力實(shí)驗(yàn)臺(tái)、高低溫保溫環(huán)境箱、扭矩循環(huán)裝置、軟件操作系統(tǒng)、壓力監(jiān)控系統(tǒng)、溫度監(jiān)控系統(tǒng)等。

4.1 快速連接器PR2 測(cè)試

對(duì)井口快速連接裝置進(jìn)行PR2 測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖10 所示，分別對(duì)溫壓循環(huán)、彎矩、裝配及拆卸等進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果符合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理。

圖10 快速連接器PR2 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

4.2 油管懸掛器的PR2F 測(cè)試

圖11 為油管懸掛器PR2 測(cè)試試驗(yàn)圖，分別對(duì)載荷循環(huán)、內(nèi)壓、溫壓循環(huán)、固位、上下密封、BPV 等進(jìn)行了測(cè)試。圖12 是PR2 測(cè)試自動(dòng)采集生成的試驗(yàn)曲線圖，油管懸掛器結(jié)構(gòu)測(cè)試參數(shù)值符合相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

圖11 油管懸掛器PR2 測(cè)試試驗(yàn)圖

圖12 油管懸掛器測(cè)試曲線圖

4.3 芯軸式套管懸掛器的PR2F 測(cè)試

圖13 為芯軸式套管懸掛器PR2 測(cè)試試驗(yàn)圖，分別對(duì)載荷循環(huán)、內(nèi)壓、溫壓循環(huán)、固位、上下密封等項(xiàng)目進(jìn)行了測(cè)試。圖14 是PR2 測(cè)試自動(dòng)采集生成的試驗(yàn)曲線圖，結(jié)果順利通過PR2 性能鑒定試驗(yàn)，驗(yàn)證了芯軸式套管懸掛器設(shè)計(jì)的合理性。

圖13 芯軸式套管懸掛器PR2 測(cè)試試驗(yàn)圖

圖14 芯軸式套管懸掛器測(cè)試曲線圖

4.4 卡瓦式套管懸掛器PR2 測(cè)試

圖15 為卡瓦式套管懸掛器PR2 測(cè)試試驗(yàn)圖，分別對(duì)載荷循環(huán)、內(nèi)壓、溫壓循環(huán)、固位、上下密封等項(xiàng)目進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明卡瓦式套管懸掛器的設(shè)計(jì)與制造符合PR2 級(jí)的性能要求。

圖15 卡瓦式套管懸掛器PR2 測(cè)試試驗(yàn)圖

5 結(jié)語

經(jīng)過上述內(nèi)鎖緊懸掛器和井口快速連接裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元分析以及PR2 測(cè)試得出以下結(jié)論。

（1）所設(shè)計(jì)的13-5/8 X9-5/8 10K、13-5/8 X7 10K、13-5/8 X4-1/2 10K 型內(nèi)鎖緊芯軸懸掛器，13-5/8 X 9-5/8 、13-5/8 X7 型卡瓦懸掛器以及13-5/8 10K 井口快速連接裝置，具有操作簡(jiǎn)單、密封性好及承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，較常規(guī)懸掛器和快連裝置更省時(shí)、省力、可靠。

（2）通過對(duì)井口快速連接裝置、鎖緊環(huán)及快速連接彎矩測(cè)試工裝有限元分析可得，上述3 種裝置最大應(yīng)力和變形均處于許可范圍內(nèi)，滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范。

（3）經(jīng)快速連接器、油管懸掛器、芯軸式套管懸掛器及卡瓦式套管懸掛器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果表明，上述裝置均達(dá)到PR2 級(jí)性能要求，其各項(xiàng)功能和試驗(yàn)數(shù)據(jù)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。