水下采油樹樹體安裝工具及鎖緊環設計分析

趙宏林，唐亞輝，梅　靜，段夢蘭，朱軍龍，田紅平

（1.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2.江鉆集團股份有限公司，武漢430000）①

水下采油樹樹體安裝工具及鎖緊環設計分析

趙宏林1，唐亞輝1，梅靜1，段夢蘭1，朱軍龍1，田紅平2

（1.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2.江鉆集團股份有限公司，武漢430000）①

針對海水深度為1500m、工作壓力為69MPa（10000psi）、溫度級別為－18～120℃的設計條件，根據ISO和API的相應規范，設計了一套水下采油樹樹體下放工具。對該工具的關鍵參數進行設計分析，對鎖緊環進行力學分析，并利用ABAQUS軟件對鎖緊環進行有限元強度分析。結果表明，設計的下放工具滿足強度和功能要求。

水下采油樹；樹體下放工具；鎖緊環；關鍵參數；力學分析

水下生產系統主要由水下采油樹、水下管匯、水下處理設備以及各部分連接設備等組成［1-2］。水下采油樹是海洋油氣田生產和井下作業的關鍵裝備，擔負著控制生產井口的流量和壓力、進行清蠟和化學藥劑注入等重任［3-5］。20世紀60年代，水下采油樹首次在北海油田開始應用。對水下采油樹下放安裝是鉆完井工程的重要組成部分［6］，其中樹體的安裝是由絞車或者鉆桿帶動采油樹安裝工具來完成，當采油樹下放到井口指定位置時，將采油樹與井口的連接裝置進行連接，并對采油樹密封機構進行測試［7］。為保證安裝工程的安全可靠，對水下采油樹下放安裝過程及下放工具進行分析研究必不可少［8］。

水下生產系統主要由水下采油樹、水下管匯、水下處理設備以及各部分連接設備等組成［1-2］。水下采油樹是海洋油氣田生產和井下作業的關鍵裝備，擔負著控制生產井口的流量和壓力、進行清蠟和化學藥劑注入等重任［3-5］。20世紀60年代，水下采油樹首次在北海油田開始應用。對水下采油樹下放安裝是鉆完井工程的重要組成部分［6］，其中樹體的安裝是由絞車或者鉆桿帶動采油樹安裝工具來完成，當采油樹下放到井口指定位置時，將采油樹與井口的連接裝置進行連接，并對采油樹密封機構進行測試［7］。為保證安裝工程的安全可靠，對水下采油樹下放安裝過程及下放工具進行分析研究必不可少［8］。

水下采油樹的相關技術被美國、巴西、挪威等國的幾家石油公司所壟斷［9-10］，其中FMC公司設計的樹體下放安裝工具的最大優點是采用吊耳的連接方式，操作簡單，能夠消除海流所產生的彎矩。AKER公司設計的產品上設有ROV控制面板和液壓裝置，有多個閥門可以控制工具的動作，結構比較復雜［11-12］。國內有多家石油企業及高校均在研究采油樹下放工具，但都處于起步階段。

1　樹體安裝工具設計要素

水下采油樹樹體安裝工具主要有2個作用：①提升、下放水下采油樹樹體結構；②為水下采油樹的測試提供通道。初步設計的水下采油樹樹體安裝工具主要包括機具連接機構、鎖緊機構、導向機構和ROV面板等，結構如圖1所示。

圖1　水下采油樹樹體安裝工具

1—機具連接機構；2—ROV 控制面板；3—鎖緊機構；4—工具主體；5—導向機構。

1.1 機具連接機構

水下采油樹安裝下放主要有使用鉆桿和鋼絲繩索2種方式。前者更適合于深水作業，所以本次設計選擇使用鉆桿連接采油樹樹體下放機具。采油樹下放安裝工具頂部具有尺寸為114.3 mm（4英寸）IF內螺紋的連接器與鉆桿相連。

1.2 鎖緊機構

鎖緊機構指的是水下采油樹樹體安裝工具與采油樹本體之間的鎖緊機構，使用驅動環并推動鎖緊環使其鎖緊在采油樹樹體上，用于采油樹樹體的提升和下放。

1.3 導向機構

在采油樹進行提升前，需要下放樹體安裝工具，并把其固定在樹體上，這就需要安裝工具下端能夠準確定位和找正。所以設置一個導向裝置，能夠保證樹體與工具之間在豎直方向上存在不大于3°的夾角時，可以順利地導入。錐體最大外徑要大于捕獲部件外徑的1.5倍，錐體與水平面間的夾角大于40°。

1.4 ROV面板

在下放工具上端留出一部分空間固定ROV面板，可以通過控制閥的狀態來控制驅動環的運動，以實現下放工具的鎖緊和解鎖。另外，在面板上設置液壓動力源接口來對液壓提供動力。

1.5 工具主體

工具主體承擔中間主導的作用，上端連接機具連接機構，下端連接鎖緊結構和導向機構，并提供密封測試的通道。

2　樹體安裝工具工作原理

當使用樹體安裝工具進行下放安裝樹體時，首先通過導向機構使工具和樹體準確定位；連接到位后，由ROV接通控制面板上的液壓接口，并操作控制閥為驅動環提供液壓動力；驅動環受到的液壓推力向下移動，插入鎖緊環的內側，鎖緊環被推擠徑向擴張，使外側螺紋卡入樹體的卡槽，實現下放工具和樹體的鎖緊。然后通過工具本體中心與鉆桿連通的通道對樹體進行測試。測試安裝結束后撤去驅動環，鎖緊環會自動恢復初試狀態，使工具和樹體解鎖。解鎖及鎖緊狀態如圖2所示。

圖2　鎖緊和解鎖狀態

3　鎖緊環設計要素

鎖緊機構是樹體下放安裝工具的關鍵部位，而鎖緊環為鎖緊機構的核心部件，如圖3所示。鎖緊環的材料為60Cr MnBA彈簧鋼，在圓周方向留1個開口。由于開口的角度很小，所以近似認為整個鎖緊環都是沿著徑向被推進樹體上的卡槽中。

鎖緊環鎖緊過程中，驅動環向下運動，鎖緊環被徑向四周擠壓，鎖緊環圓周受到徑向線載荷q的作用，如圖4所示。

圖3　鎖緊環結構

圖4　徑向線載荷

如圖5所示，驅動環的壓力Fn和摩擦力Fμ作用在鎖緊環內側的錐面上，將二力的合力F分解到水平方向和豎直方向，得分量F1和F2；水平擠壓力F1近似看作液壓鎖緊力，豎直分量F2近似看作驅動環作用在鎖緊環的液壓驅動力。載荷q在圓周上的合力可以近似看做水平擠壓力F1，則

圖5　鎖緊環截面受力分析

簡化整個鎖緊環的模型和工作過程，取鎖緊環的1/2進行分析?？梢院喕癁閼冶哿耗Ｐ?，在鎖緊環完全鎖緊時，利用莫爾積分法求出最大徑向載荷q值。如圖6a所示，在徑向載荷q作用下，在圓心角θ的M-N截面處的彎矩為

根據莫爾積分法，如圖6b所示，在端點B處施加一水平單位力F0h＝1 N，則由F0h作用產生的圓心角為θ的M-N橫截面處的彎矩為

如圖6c所示，Δ1為鎖緊環的縱向變形量，根據莫爾積分法，可知

式中：R為鎖環張開半徑；E為材料的彈性模量；Iz為鎖環截面的慣性矩。

圖6　鎖緊環受力分析

鎖環的水平變形量為Δ2，根據莫爾積分法，B點的鉛直位移Δ2為

鎖環的最終變形量為Δ，依據幾何關系，有

由式（7）可得到徑向線載荷q的表達式為

由于鎖緊過程中鎖緊環上點的最大位移為12 mm，所以取Δ＝12 mm，其材料的彈性模量E＝206 GPa，鎖緊環的截面慣性矩I＝9.07×10－7m4，鎖緊環被撐開后的半徑R＝216mm，通過計算得q＝1.7×104N/m，代入式（1）得鎖緊環受到的擠壓力F1＝23.06kN。

應用ABAQUS軟件對鎖緊環進行有限元分析。計算中選取卡環的材料為60Cr MnBA熱軋彈簧鋼，其屈服強度為1080 MPa，抗拉強度為1225 MPa，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.30，密度為7.85×103kg/m3。對其截面進行建模并劃分網格，如圖7a所示。邊界條件約束鎖緊環在軸向的位移，施加載荷后進行分析，分析結果如圖7b所示，最大應力為601.3 MPa，出現在鎖緊環的內表面中心處，小于其許用應力720 MPa（取安全因數1.5），因此鎖環滿足強度要求。

圖7　有限元分析

4　結論

1） 對關鍵部件鎖緊環進行了設計，并對鎖緊環的鎖緊過程進行力學分析，獲得鎖緊環受到的擠壓力為F1＝23.06 k N。

2） 為了確保鎖緊效果，保證關鍵部件鎖緊環的安全可靠性，對其強度進行了校核。計算結果表明，鎖緊環滿足強度要求。

［1］ Thomas Bernt，Hydro，Endre Smedsrud.Ormen Lange Subsea Production System［G］.Houston：OTC，2007.［2］ Herdeiro M A N，Cunda C H G，Motta B R F.Develop-ment of the Barracuda and Caratinga Subsea Produc-tion System-An Overniew［G］.Houston：OTC，2005.

［3］ 朱高磊，趙宏林，段夢蘭，等.水下采油樹控制模塊設計要素分析［J］.石油礦場機械，2013，42（10）：1-6.

［4］ 趙宏林，程華榮.深水采油樹油管懸掛器下放工具關鍵參數設計［J］.石油機械，2014，42（4）：16-19.

［5］ Otto Granhaug，John Soul.The garden banks 388 hori-zontal tree design and development［C］//Houston：Off-shore Technology Conference，1995-05-01.

［6］ 張亮，張璽亮，孫子剛，等.深水油田立式水下采油樹安裝操控作業［J］.石油鉆采工藝，2012，34（S）：117-120.

［7］ 肖易萍，蘇立國，張憲陣，等.水下采油樹及下放安裝技術研究［J］.石油礦場機械，2014，43（8）：70-73.

［8］ 龔銘煊，劉再生，段夢蘭，等.深海水下采油樹下放安裝過程分析與研究［J］.石油機械，2013，41（4）：50-54.［9］ Eric D Larson P E，Kevin G Keosoff.Marginal subsea development with existing subsea trees［C］//Houston：Offshore Technology Conference，2004-05-03.

［10］ Thomas J S.Subsea hardware installation from an FDPSO［R］.OTC 20495，2010.

［11］ Moreira J R F，Johansen T E.Installation of subsea trees in Roncador field，at 1 800 m water depth using the drill pipe riser［R］.OTC 13256，2001.

［12］ Voss R，Moore T.Subsea tree installation，lessons learned on aWestAfrica development［R］.OTC 15371，2003.

Analysis of design for Installation Tool of Subsea X-Tree Body and its Locking Ring

ZHAOHonglin1，TANG Yahui1，MEI Jing1，DUANMenglan1，ZH U Junlong1，TIANHongping2
（1.Offshore Oil&Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2.Kingdream Public Limited Company，Wuhan 430000，China）

For the purpose under the design conditions of water depth being 1 500 m，pressure grade being 69 MPa（10 000 psi），and temperature grade being－18～120℃，a set of running tool for the tree body of subsea x-tree was designed according to the corresponding standards of ISO and API.The design analysis of the key parameters of the tool was conducted and the radialextruding force of locking ring was calculated.In addition，the strength of lock ring is analyzed by using ABAQUS software.The analysis shows that the designed running tool satisfies the require-ments of strength and function.

subsea x-tree；installation tool of tree body；locking ring；key parameters；mechanical a-nalysis

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.008

1001-3482（2015）07-0032-04

①2015-01-20

國家高技術研究發展計劃（863計劃）“水下采油樹關鍵技術研究及成套設備研制”（2012AA09A205）

趙宏林（1962-），男，江蘇泰興人，教授，博士，主要從事機械設計及理論，海洋油氣裝備研究，E-mail：zhaohl＠cup.edu.cn。