油管緊急脫離懸掛工具設計

張 凱,劉 健,鄧 平,肖文生,崔俊國

(1.中國石油大學(華東)機電工程學院,山東 青島266580;2.寶雞石油機械成都研究中心,成都610091)

油管緊急脫離懸掛工具設計

張 凱1,劉 健1,鄧 平2,肖文生1,崔俊國1

(1.中國石油大學(華東)機電工程學院,山東 青島266580;2.寶雞石油機械成都研究中心,成都610091)

分析了油管緊急脫離懸掛工具的設計要點;根據(jù)工具的總體設計方案,結合海上作業(yè)的特點,對工具主體結構和密封結構進行分析,并運用有限元軟件對關鍵部位作力學分析。對作業(yè)效果分析表明:在油管下放過程遇到緊急情況時,使用工具懸掛住油管比直接回收油管節(jié)省大量時間。

油管;懸掛;工具;結構

水下完井作業(yè)的風險高、難度大。完井作業(yè)中油管是下放深度最深、下放時間最長、外徑最細的管柱。同時,油管的下放也是水下臥式采油樹系統(tǒng)安裝[1]的重要環(huán)節(jié)。我國南海海域臺風頻發(fā),在油管下放過程中,如遇到臺風等緊急情況,若直接上提油管儲存在甲板上,將耗費大量時間,且安全性低;運用油管緊急脫離懸掛工具可將已下放的油管懸掛于采油樹內(nèi)腔,既節(jié)省了寶貴的時間,又提高了安全性。

我國對于水下采油樹配套工具[2]的研究尚處于起步階段,國內(nèi)海洋油氣田[3]開采過程中多采用聯(lián)合開采的模式,費用巨大。油管緊急脫離懸掛工具屬于水下臥式采油樹配套工具,對其進行設計研究可為我國獨立研發(fā)水下采油樹配套工具提供思路和參考。

1 設計要點[4]

1) 載荷 懸掛油管重力、彎曲載荷、壓力載荷、徑向載荷、環(huán)境條件載荷等。

2) 端部連接 油管緊急脫離懸掛工具端部接頭螺紋應符合ISO10424。工具的送入回收接頭應采用左旋上緊螺紋,右旋脫扣。此螺紋與其他部位的螺紋連接相反,以防止螺紋倒扣。

3) 工具尺寸 工具應有正確的結構和尺寸,與采油樹內(nèi)腔坐放臺肩配合,其長度要求使上部體在防噴器[5]的全封閉閘板以下,同時使防噴器的中間閘板閘住中間承壓管柱外徑最小處。

4) 流體返流結構 工具流體返流結構的設計應將抽汲壓力降到最低,便于工具的下放回收。

5) 密封結構 密封結構應該松緊適合,如果密封過緊,會引起很大的摩擦損失,降低機械效率,并使密封件的壽命降低;而密封過松,則壓緊力不夠,起不到密封的作用。

2 總體結構及工作原理

油管緊急脫離懸掛工具結構如圖1所示。

圖1 油管緊急脫離懸掛工具結構

在鉆臺上組裝工具,通過下放鉆桿將工具下放到采油樹通道內(nèi)坐放臺肩上,關閉防噴器中間閘板,使其閘住中間承壓管柱外徑最小的一段,順時針旋轉(zhuǎn)鉆桿使送入回收接頭與工具的上部體分離;上提鉆桿,關閉防噴器全封閉閘板,然后將下入的鉆桿管柱回收到平臺甲板上;鉆井平臺移位。緊急情況結束后,鉆井平臺歸位,打開防噴器全封閉閘板和中間閘板,通過鉆桿下放送入回收接頭插入工具的上部體,逆時針旋轉(zhuǎn)鉆桿緊固聯(lián)接,此過程中,防旋轉(zhuǎn)鍵防止工具旋轉(zhuǎn)。然后上提鉆桿,回收工具,繼續(xù)進行油管下放的作業(yè)。

3 主體結構簡介

如圖2～3所示,工具上部體的錐形口在送入回收接頭插入時起到導向作用[6];工具的上部體和下部體都有返流結構,分別是返流槽和返流孔,降低抽汲壓力。工具下放到位后,懸掛體位于采油樹的坐放臺肩上,懸掛住已下入的油管。下部體上均布3個防旋轉(zhuǎn)鍵,鍵通過止動塊和螺釘固定,在彈簧彈力的作用下彈出和壓入。

圖2 工具結構

圖3 防旋轉(zhuǎn)鍵

4 密封結構分析[7]

油管緊急脫離懸掛工具共需5個O形圈,送入回收接頭和下部接頭上分別有2個O型圈密封槽,懸掛體有1個O型圈密封槽。如圖4所示。

圖4 O型圈位置

O形圈安裝后將受到擠壓,通常用O形圈的壓縮率ε來表示其被壓縮程度:

式中:d0為O形圈斷面直徑,m;l為O形圈密封槽深度,m。

拉伸量的取值為1%～5%。表1給出了O型密封圈拉伸量的推薦值,可根據(jù)軸徑的大小,選取O型密封圈的拉伸量。

表1 O型密封圈壓縮率與拉伸量

根據(jù)表1的數(shù)據(jù),運用直徑法[8]設計密封槽。直徑法就是由O形圈斷面直徑,減去相應動、靜密封對應的ε值來確定密封槽的深度l和寬度b其中:

式中:β為密封槽寬度系數(shù),取β=1.3。

油管緊急脫離懸掛工具的密封為圓柱外徑密封,屬于靜密封,取ε=20%,送入回收接頭和下部接頭O型圈斷面直徑d0取1.9×10-3m,懸掛體O型圈斷面直徑d0值取2.0×10-3m,得出送入回收接頭處和下部接頭處的密封槽l1=1.52×10-3m,b1=2.47×10-3m;懸掛體處的密封槽l2=1.6×10-3m,b2=2.6×10-3m。

5 關鍵部位受力分析

由于油管緊急脫離懸掛工具在下放過程中主要受所懸掛油管的重力,下放到位后,所懸掛油管的重力集中在懸掛體的承壓面上,工具中間的承壓管柱最細且最長,因此應對中間承壓管柱和懸掛體進行強度校核。

油管重力為:

式中:W為單位長度油管重力;R1為油管外徑;δ為油管壁厚。

選擇114.3 mm(42英寸)油管,長3 000 m的質(zhì)量為66.93 t。假設工具下放過程受拉力全來自油管的重力,即F=669.3 k N。根據(jù)材料等級[4]選取工具的材料為20Cr Ni Mo,其屈服強度為785 MPa。對懸掛體和中間承壓管柱進行有限元分析,如圖5～6,得出懸掛體最大應力31.8 MPa,中間承壓管柱最大應力為172 MPa,均符合強度要求。

圖5 懸掛體應力云圖

圖6 中間承壓管柱應力云圖

6 作業(yè)效果分析

如圖7～8所示,假設油管的上提速度v1,水深h1,井深h2,油管下放到泥線以下深度h3,發(fā)生緊急情況后,若上提全部油管,耗費的時間:

圖7 油管下放示意

使用油管緊急脫離懸掛工具,鉆桿的下放速度v2,上提速度v3,先將工具連接油管,下放到采油樹內(nèi),然后脫離,上提鉆桿耗費時間:

由于v1、v2、v3相差不大,可近似相等,所以當h3>h1時,t2

圖8 油管緊急脫離懸掛工具座放到采油樹內(nèi)

7 結論

1) 對油管緊急脫離懸掛工具的設計要點進行了分析,闡明了工具的工作原理,確定了工具的總體結構方案。

2) 針對O型圈密封原理,運用直徑法確定密封槽的深度l和寬度b。結合海上作業(yè)特點,對主體結構進行詳細設計。

3) 為保證懸掛體和中間承壓管柱的可靠性,運用Ansys進行了受力分析,對其強度進行了校核。計算結果表明:懸掛體和中間承壓管柱滿足強度要求,設計合理可靠。

4) 通過對作業(yè)效果進行分析,在油管下放過程遇到緊急情況時,使用油管緊急脫離工具可節(jié)省大量時間。

[1] Moreira J R F,Johansen T E.Installation of subsea trees in Roncador field,at 1800 m water depth using the drill pipe riser[R].OTC 13256,2001.

[2] Voss R,Moore T.Subsea tree installation,lessons learned on a West Africa development[R].OTC 15371,2003.

[3] 趙洪山,劉新華,白立業(yè).深水海洋石油鉆井裝備發(fā)展現(xiàn)狀[J].石油礦場機械,2010,39(5):68-74.

[4] Yong Bai,Qiang Bai.Subsea Engineering Handbook[M],Gulf Professional Publishing,2012:736-742.

[5] Lafitte J L,Perrot M,Lesgent J,et al.Dalia Subsea Production System:Presentation And Challenges[R].OTC 18541,2007.

[6] Thomas P Kelly,Richard H Strauss.Agbami Field Development:Subsea Equipment Systems,Trees,Manifolds and Controls[R].OTC19919,2009.

[7] 張念生.O型密封圈的密封機理與選用[J].寧夏機械,2012(2):31-33.

[8] 王啟明,譚定,王茁,等.水下作業(yè)工具系統(tǒng)[J].機械工程師,2004(8):65-67.

[9] Stephen J Rowe,Brian Mackenzie,Richard Snell.Deepwater installation of subsea hardware[R].Proceedings of the 10th Offshore Symposium,2001.

Design of Emergency Production Tubing Hang-off Tool

ZHANG Kai1,LIU Jian1,DENG Ping2,XIAO Wen-sheng1,CUI Jun-guo1
(1.College of Mechanical and Electronic Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China;2.Baoji Oilfield Machinery Chengdu Research Center,Chengdu 610091,China)

Analysis of the emergency production tubing hang-off tool design elements was made,according to the tool’s design scheme that combines the characteristics of offshore operations,the main structure of the tool and sealing structure were designed and analyzed,using finite element software for mechanical analysis of key parts.Effect on operation analysis shows that the in a rig emergency using the tool will save a lot of time.

tubing;hang;tool;structure

TE952

A

1001-3482(2014)02-0051-04

2013-08-31

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)“水下臥式采油樹系統(tǒng)研制(1期)”(2012AA09A204);研究生創(chuàng)新工程資助項目“水下采油樹下放回收工具的設計研究”(CX2013052)

張 凱(1990-),男,山東膠州人,碩士研究生,主要研究方向為海洋石油裝備,E-mail:jackupc@163.com。