水下套管掛和密封總成下放工具設計

劉 健，張 凱，田書斌，侯 超，肖文生

（1.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島 266580；2.勝利工程設計咨詢有限責任公司，山東東營 257026）①

水下套管掛和密封總成下放工具設計

劉 健1，張 凱1，田書斌2，侯 超1，肖文生1

（1.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島 266580；2.勝利工程設計咨詢有限責任公司，山東東營 257026）①

套管掛和密封總成下放工具是重要的水下井口頭系統作業工具，在對比分析國外技術的基礎上，以安全、高效、低作業成本為目標，運用模塊化設計方法劃分下放工具的功能結構單元，完成工具的詳細設計。對工具中心軸連接螺紋強度進行研究，并分析了齒根圓角半徑對接觸應力的影響。結果表明：最大等效應力836.599 MPa出現在第1齒螺紋齒根的下側，隨著螺紋齒根部圓角半徑增大，螺紋齒接觸應力逐漸減小。

套管掛；密封總成；下放工具；螺紋

水下井口頭系統［1-2］是海洋鉆井的關鍵設備。目前我國海洋鉆井所需的水下井口頭系統主要從Vetco、Dril-Quip、FMC等國外公司進口，下放安裝作業由國外公司完成。套管掛和密封總成是井口頭系統的核心部件，套管掛［3］安裝在每個套管柱上面，坐放于高壓井口頭內，承受套管載荷。密封總成［4］位于井口頭內壁與套管掛外壁之間的環形空間，其密封性能決定了鉆井的成敗。套管掛和密封總成下放工具將套管掛和密封總成下放到井口頭內，并完成坐封，是極其重要的水下井口頭系統下放工具。目前只有少數文獻對水下井口頭系統及其工具的工作原理、特點進行介紹，國內相關研究工作［5］剛剛開展。因此，對套管掛和密封總成下放工具進行詳細的設計研究具有重要意義。

1 套管掛和密封總成下放工具設計基本要素

1） 載荷 懸掛套管重力、彎曲載荷、壓力載荷、扭轉載荷、徑向載荷、環境載荷等。

2） 螺紋連接 下放工具端部接頭螺紋應符合ISO10424。下放工具端部連接螺紋不應作為下放工具承載能力的判斷依據。下放工具應優先采用左旋扭轉上緊，右旋扭轉脫扣，以防止在操作／拆卸套管、油管、鉆桿時螺紋倒扣。

3） 垂直孔 下放工具的內徑，應允許后續操作所使用的工具通過。

4） 返流通道 下放工具應設計有流體返流通道，流體返流通道面積的設計應將抽汲壓力降到最低，以便在起下鉆和循環期間下放。

2 下放工具功能結構單元模塊劃分［6］

下放工具功能包括同時下放套管掛和密封總成、下放工具返流泄壓、沖洗巖石顆粒、固井壓力測試等。結合海洋鉆井工藝及工具功能，對下放工具采用模塊化設計方法，其功能結構單元模塊劃分如圖1所示。

圖1 套管掛和密封總成下放工具功能結構單元模塊劃分

3 下放工具結構設計

3.1 工作原理

在海洋平臺／鉆井船上用鉆桿連接下放工具，依次把密封總成和套管掛（含有套管柱）安裝到下放工具上；下放工具將密封總成和套管掛下放到井口頭內，當套管掛下放到位后，進行固井作業；待水泥凝固，套管試壓，旋轉鉆桿使下放工具與套管掛脫離；沖洗高壓井口頭及套管掛密封面；密封激勵目前主要有旋轉壓入和直接插入坐封2種方式，本方案采用后者。鉆桿給下放工具提供向下沖擊力，推動密封總成與套管掛相對運動，將密封總成坐封于套管掛與476.25 mm（18 3/4英寸）高壓井口頭之間，密封環形空間；完成密封總成壓力測試后，回收下放工具。工具結構如圖2所示。

圖2 套管掛和密封總成下放工具結構

3.2 連接結構設計

套管掛與下放工具采用C形鎖緊環進行連接。如圖3所示，旋轉中心軸帶動驅動環向下運動，將鎖緊環壓入套管掛環形凹槽，完成下放工具與套管掛的鎖緊連接；下放套管掛到井口頭內，完成固井試壓后，反方向旋轉中心軸，驅動環向上運動，鎖緊環縮回，使下放工具與套管掛脫離。

圖3 下放工具與套管掛連接示意

密封總成與下放工具采用銷連接。如圖4所示，密封總成的凹槽與連接銷外端配合，使密封總成與工具連接；下放安裝到位后，下放工具的結構1體推動密封總成向下運動，在彈力作用下，連接銷與密封總成配合的外端縮回，另一端進入結構體2孔內，使下放工具與密封總成脫離。

圖4 銷連接工作過程

3.3 密封設計

固井作業［7］的過程如圖5所示，固井完畢后，進行套管試壓，檢驗固井質量，試壓壓力一般為25～35 MPa。由于套管試壓的要求，下放工具與套管掛之間選用O形圈［8］進行密封。套管試壓時，下放工具沒有任何運動，下放工具上的O形密封圈屬于固定密封，密封壓力可達100 MPa［5］，遠大于套管試壓壓力，因此選用O形密封圈能滿足密封要求。

圖5 固井示意

3.4 返流結構設計

為減小固井時井底壓力，并允許海水、巖屑等通過下放工具向上返流，下放工具需設計返流結構。如圖6所示，下放工具上部體設計返流槽，既降低工具下端的壓力，又能通過較大尺寸的巖屑顆粒，同時對結構體強度影響不大。

圖6 返流結構

3.5 沖洗結構設計

固井作業海水向上返流過程中，有些巖屑顆粒會堆積在套管掛和高壓井口頭與密封總成配合的密封面上，為避免安裝密封總成時劃傷密封面，影響密封性能，固井完畢后，需要對高壓井口頭和套管掛的密封面進行沖洗。因此，下放工具在中心軸和本體上設計有8個沖洗孔，如圖7所示。

圖7 中心軸（沖洗孔）結構

4 強度分析

下放工具中心軸與本體結構的連接方式為梯形螺紋，螺紋連接部分是中心軸最薄弱的環節。因此，對中心軸進行結構強度分析，并對中心軸螺紋連接的極限承載能力進行分析。

4.1 中心軸有限元力學模型

在不影響計算結果的基礎上簡化中心軸模型，把下放工具的其他結構簡化成承載體，中心軸與承載體螺紋連接，承載體支撐懸掛重力，在中心軸與承載體有限元模型螺紋連接處建立螺紋接觸對，如圖8所示。

圖8 中心軸與承載體的有限元模型

在下放套管掛和密封總成時，中心軸螺紋連接部分要承載很大的軸向拉力，為保證中心軸結構強度要求，選取高強度材質35Cr MnSiA，其力學性能如表1所示。

表1 35Cr MnSiA材料力學性能

4.2 計算結果與分析

4.2.1 中心軸結構強度分析

如圖9所示，最大等效應力集中于中心軸螺紋處，說明螺紋連接處是中心軸結構危險區域，中心軸螺紋處的最大等效應力為836.599 MPa，低于35Cr MnSi A材質的屈服強度1 485 MPa，滿足強度要求。

圖9 中心軸等效應力分布

4.2.2 螺紋強度分析

1） 螺紋齒接觸應力分析。

為研究中心軸螺紋的接觸應力分布規律，選取前4個螺紋齒作為研究對象，提取每個螺紋齒輪廓上的節點應力，如圖10所示。曲線呈“兩邊高中間低”，螺紋齒根兩側的接觸應力較大；第1齒接觸應力最大，最大等效應力836.599 MPa出現在第1齒螺紋齒根的下側；螺紋齒根接觸應力大小從第1～4齒逐漸減小，第1～2齒應力值降幅明顯，第2～4齒應力值減小較均勻；第2～4齒螺紋齒根兩側接觸應力分布不同于第1齒，螺紋齒根上側接觸應力大于下側接觸應力。

圖10 第1～4齒接觸應力曲線

2） 齒根圓角半徑對螺紋齒接觸應力的影響。

為研究齒根圓角半徑對螺紋齒接觸應力的影響，齒根圓角半徑分別取值0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 mm，重復進行計算，得到第1～7齒螺紋齒根的節點等效應力，如圖11所示。隨著螺紋齒根部圓角半徑逐漸增大，螺紋齒接觸應力逐漸減小；第1齒齒根的接觸應力最大，螺紋齒由上而下，螺紋齒的接觸應力逐漸減小；第1齒隨著齒根圓角半徑從0.4 mm增加到1.0 mm，接觸應力值從934.4 MPa減小到696.25 MPa，減少了238.15 MPa，減少百分率為25.49%，說明增大齒根圓角半徑，可以增加中心軸的承載能力。

圖11 螺紋齒接觸應力與齒根圓角半徑的關系

5 結語

套管掛和密封總成的下放安裝過程較為復雜，本文詳細分析了套管掛和密封總成下放工具設計的基本要素。對下放工具的功能結構單元模塊進行劃分，完成工具的詳細結構設計。分析了中心軸螺紋齒的強度，第1齒螺紋齒根的下側出現應力最大值836.599 MPa；計算了不同齒根圓角半徑下螺紋齒接觸應力的大小，通過分析表明，增大齒根圓角半徑可減小螺紋齒的接觸應力，從而提高工具的承載能力。

［1］ SG-5／SG-5XP Subsea Wellhead System［Z］.ABB Vecto Gray，2002.

［2］ UWD-15 Subsea Wellhead System［Z］.FMC Technologies，Inc，2003.

［3］ 李旭冉，肖文生，楊祥祥.海洋深水鉆井井口頭系統下放工具研究［J］.石油機械，2013，41（5）：46-49.

［4］ 劉承通.水下井口頭系統研究及其密封總成結構設計分析［D］.東營：中國石油大學（華東），2009.

［5］ 金弢，王定亞，劉小衛，等.井口裝置技術研究及發展建議［J］.石油礦場機械，2014，43（1）：14-16.

［6］ 諶炎輝，胡義華.機電產品多層次模塊劃分方法［J］.機械設計與制造，2012，4（10）：132-134.

［7］ 中國海洋石油總公司.海洋鉆井手冊［J］.1996：88-91.

［8］ 葛松，王宏偉.井下工具密封設計分析［J］.石油礦場機械，2007，36（7）：62-64.

Design of Sub-sea Casing Hanger and Seal Assembly Running Tool

Casing hanger and seal assembly running tool is key equipment for subsea wellhead system，based on the comparative analysis of foreign-related technologies，determine the casing hanger and seal assembly running tool design by safe，efficient and low operating costs as the goal，use of modular design method into functional structure unit of the running tool，to complete the tool design.To study the strength of the mandrel connecting thread，and the effect of tooth root fillet radius of the contact stress，the results showed that：the maximum equivalent stress 836.599 MPa appear in the lower side of the first tooth root thread，with the thread tooth root fillet radius increases，the thread tooth contact stress decreases.

casing hanger；seal assembly；running tool；thread

TE951

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.007

1001-3482（2014）09-0025-05

2014-03-26

國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目“深水井口頭系統與平臺采油井口配套系統研制技術”（2007AA09A102）；“水下臥式采油樹系統研制（1期）”（2012AA09A204）

劉 健（1970-），男，江蘇贛榆人，副教授，博士，主要從事石油機械、海洋油氣裝備等方向的研究，E-mail：liujian503＠163.com。