小直徑井下工具用新型鎖緊機構設計

陳曉軍，何莎莎，米凱夫，王興燕，于興勝(中國石油集團鉆井工程技術研究院 北京石油機械廠，北京 102200)

小直徑井下工具用新型鎖緊機構設計

陳曉軍，何莎莎，米凱夫，王興燕，于興勝
(中國石油集團鉆井工程技術研究院 北京石油機械廠，北京 102200)

針對小直徑橋塞類井下工具設計空間狹小的現實，設計了一種結構較緊湊的鎖緊結構，能實現鎖緊和解鎖功能，使其適用于可打撈類井下工具。根據當量摩擦因數的理論，對鎖環的齒牙和壓緊錐面的角度關系進行分析，得出鎖環自鎖的基本條件是鎖環壓緊錐面的錐角α應小于齒牙齒前角的傾角β。根據鎖環和鎖環座的結構特點，計算出解鎖時所需滿足的幾何條件。經試驗驗證，該鎖緊機構能實現設計的功能，并具有較強的承載能力。該鎖緊機構的結構為過油管類鋼絲電纜橋塞或堵塞器的研制提供有益的支持，可拓展油管壓力控制工具的應用范圍，具有良好的推廣應用前景。

井下工具；鎖緊機構；結構；設計

鎖緊機構是可打撈類電纜橋塞的最重要的組成部分之一，其作用是在橋塞坐封后起到防止密封元件松弛回彈，以及在長期承受環空高壓情況下仍具有較強的鎖緊承載能力，確保管內密封的長久可靠性[1-2]。同時，在需要起出橋塞時，可以通過打撈工具解除橋塞的鎖緊狀態，進而打撈出工具。

典型的鎖緊裝置有斜坡卡簧鎖緊裝置、雙面螺紋卡簧鎖緊裝置、卡瓦-卡簧組合式鎖緊裝置等[3-4]。這些鎖緊裝置的卡簧與卡簧座都帶有棘齒，并且卡簧為C形，具有彈性。在坐封過程中，卡簧上的棘齒可以在卡簧座的棘齒上單向滑動，坐封完成后棘齒相互嚙合，實現反向鎖緊。在解封時需要剪斷固定卡簧座的銷釘，以便解除鎖緊裝置的鎖定。這類鎖緊結構的設計需要面臨一些現實的問題。首先就是卡簧要具有一定的彈性。在使用電纜坐封工具時，所能提供的坐封力是有限的，為使卡簧在有限的坐封力下能獲得較大彈性變形量，前提是卡簧彈性部分的外徑需要盡量大，而壁厚又需要盡量薄，卡簧棘齒也不能太高。在井筒尺寸的限制下，卡簧的結構強度，以及棘齒的承載能力也就相對較低。

同時，為使可打撈工具易打撈，所需要的解封力越小越好，而這又與鎖緊裝置棘齒的承載能力需求互相矛盾。為實現工具的可打撈，只有犧牲棘齒的承載能力。

上述解決方法不僅降低了鎖緊機構的承載能力，更限制了可打撈類工具的應用范圍。尤其不適用于小直徑油管用高壓內封堵工具。這類工具外形尺寸小，卡簧金屬材料更加無法作到彈性與強度的兼顧。

綜上所述，傳統的鎖緊裝置結構已成為制約小直徑油管用高壓內封堵工具發展的瓶頸，進而成為帶壓作業技術發展的瓶頸。因此，從提高我國帶壓作業能力的角度出發，迫切需要一種新結構的鎖緊裝置，以提高內封堵工具的技術水平。另外，該結構應具有一定的通用性，可根據需要擴展應用于多種規格的封堵工具中，為管柱內封堵工具的設計提供一種新結構、新思路。

1 技術分析

對于小直徑橋塞類井下工具，坐封與解封操作通常是使用鋼絲或電纜工具進行的。由于鋼絲和電纜的柔韌性，使得這些操作僅能通過簡單的上擊和下擊來實現。而且，為了上、下擊操作不影響橋塞的功能，橋塞上用于上、下擊操作的結構應該互不干擾或者盡可能唯一。

為使新鎖緊機構具有坐封時單向可動、反向鎖緊的功能，棘齒類功能必須保留，為此設計了鎖環和鎖環座結構。解封時，反向需要解除鎖緊。為使鎖緊部件獲得較強的承載能力，鎖緊機構的解鎖力需要與承載能力分離。通過剪釘控制解鎖力，將承載力通過鎖環座作用在支撐面上的方式可實現此目的。

在鎖環棘齒錯動的過程中，鎖環需要彈性變徑。由于小直徑工具的外形尺寸小，留給鎖環的尺寸空間更小，傳統的C形整體式卡簧結構無法做到小尺寸、彈性與強度的完美結合。因此，將新鎖環設計為分瓣結構，并通過一個C形片簧將它們固定在一起。這樣，在保證鎖環棘齒功能的前提下，可使鎖環各瓣強度提高，同時又具有可變徑的彈性。

2 結構設計

基于上述分析，設計的鎖緊機構如圖1所示。該機構由心軸、剪銷、襯套、鎖環、C形片簧、鎖環座、支撐套組成。

1—心軸；2—剪銷；3—襯套；4—鎖環；5—C形片簧；6—鎖環座；7—支撐套。圖1 鎖緊機構結構示意

心軸的外圓上有沿軸向均布的等腰三角形齒。鎖環的內表面有與心軸三角形齒相同的內齒，外表面的下端有圓錐面，外表面上有一圈圓環槽。鎖環按圓周方向均分為三瓣，外部圓環槽內用C形片簧箍住。鎖環座為圓環形，其內表面有與鎖環圓錐面配合的內錐面，鎖環座按圓周方向均分為四瓣，安裝時固定在襯套內并坐于支撐套內端面上，襯套與支撐套間使用剪銷固定。

坐封時，心軸受坐封力的作用向上移動，使鎖環上端面與襯套內孔端面接觸。在齒面間力的作用下，鎖環向外撐開，進而使嚙合的齒面脫開，實現心軸的移動。坐封結束時，心軸帶動鎖環回彈，直至鎖環外錐面與鎖環座內錐面接觸時，鎖環與心軸抱緊，實現鎖緊。此時，管內壓差作用在心軸上所產生的向下的力，通過鎖環座作用在支撐套上，剪銷處不受力。因此可以承受較大的軸向力。

解封時，使用鋼絲電纜工具提拉襯套，向上震擊剪斷銷釘，使襯套上移。此時，鎖環座的徑向失去約束，鎖環和鎖環座可以沿徑向向外擴徑。上提支撐套推動鎖環即可使鎖環向外撐開，進而使嚙合的齒面脫開，實現心軸的解鎖。

3 關鍵技術

鎖環在鎖緊狀態下的受力如圖2所示。軸向力W作用在鎖環外錐面與鎖環座之間的徑向分力Q將鎖環內齒與心軸壓緊。為避免軸向載荷作用下鎖環內齒與心軸外齒間滑脫，應使其間的摩擦力大于軸向力W，即：

QfD>W

(1)

式中：fD為內齒面接觸的當量摩擦因數[5]。

圖2 鎖環受力示意

根據鎖環外錐面上受力平衡方程可以推出由軸向力W引起的徑向載荷Q為[6]：

(2)

式中：α為外錐面錐角；φ為鎖環錐面摩擦角。

由內齒面的受力平衡方程可以推出內齒面接觸的當量摩擦因數fD為[7]：

(3)

式中：θ為齒前角；f為鎖環與心軸間摩擦因數。

將式(2)、(3)代入式(1)得：

(4)

即：

(5)

圖3 鎖環單個齒牙牙形角

4 幾何條件

鎖緊機構解鎖時鎖環和鎖環座會沿徑向向外擴張，定義鎖環和鎖環座的徑向最大位移量為ΔR，支撐套內孔徑為R，鎖環座最大外徑為r，則滿足解鎖所需的基本幾何條件是：

R≥r+ΔR

(6)

鎖環和鎖環座的徑向位移量ΔR由鎖環座位移量ΔB和鎖環齒間錯動引起的鎖環位移量ΔB′組成。即：

ΔR=ΔB+ΔB′

(7)

為研究鎖環與鎖環座在解除鎖定時的徑向位移量，建立三維坐標系，取心軸軸線方向為z軸，鎖環與鎖環座徑向方向為x軸和y軸方向，坐標原點定位于支撐面與心軸軸線交點上。鎖環座徑向位移如圖4。

圖4 鎖環座徑向位移示意

由結構分析可知，解鎖過程中鎖環座切口面上的T點為與鎖環外錐面始終保持接觸的點。以T點為研究對象，計算鎖環座徑向最大位移量ΔB。

由圖4知鎖環座T點在坐封狀態和解封狀態時的位置：

x1=(z1-z0)cotδ+x0

(8)

x2=z1cotδ+x0

(9)

式中：x1為坐封狀態鎖環座T點徑向位置；x0為坐封狀態鎖環下端面徑向位置；z1為鎖環座高度；z0為坐封狀態鎖環下端面軸向位置；x2為解封狀態鎖環座T點徑向位置；δ為鎖環座錐面與徑向夾角。

由于鎖環座與鎖環的切口角度不同，鎖環座處于鎖環不同位置時的徑向位移量也不同，處于如圖5所示的對稱位置時，沿y軸方向的徑向位移最大。

圖5 鎖環座徑向位移俯視

由圖5知鎖環座T點坐封狀態時徑向位置為：

(10)

T點解封狀態時徑向位置為：

(11)

鎖環座徑向最大位移量為：

ΔB=B1-B

(12)

鎖環內齒錯動引起的徑向位移如圖6所示。解鎖過程中鎖環切口面上的P點為與心軸齒面始終保持接觸的點，以P點為研究對象，計算鎖環徑向最大位移量ΔB′。

圖6 鎖環內齒錯動位移俯視

由圖6知鎖環P點坐封狀態時徑向位置為：

(13)

P點解封狀態時徑向位置為：

(14)

式中：C為鎖環內徑；h為鎖環、心軸的鎖齒高。

鎖環徑向最大移動量為：

ΔB′=B3-B2

(15)

將式(12)、(15)代入式(7)即可求出鎖環和鎖環座的徑向位移量。再根據式(6)判斷解鎖幾何條件是否滿足。

5 試驗驗證

北京石油機械廠研制的新型鎖緊機構安裝在自制的73.0 mm(2英寸)電纜橋塞上進行試驗(如圖7)。丟手力40 kN時成功丟手，卡瓦和膠筒成功壓縮并無大位移回彈。整體試壓40 MPa，換算鎖環承壓120 kN，鎖緊機構齒間無滑脫。解鎖力9.5 kN時成功解鎖。

a 電纜橋塞

b 橋塞試壓

6 結論

1) 該鎖緊機構能實現可回收工具坐封時鎖緊防退的功能，并且在需要解封時可以通過簡單的上提操作實現解封。

2) 所采用的分瓣鎖環加C形片簧的結構，在保證鎖環靜結構強度的基礎上，還可以實現鎖環各瓣間的同步張開和回收，保障了鎖緊機構的功能實現。

3) 鎖環外錐面的錐角要小于鎖環內齒面的齒傾角，才能保證承載時棘齒齒面不滑脫。

4) 該鎖緊機構具有結構緊湊、坐封力小、承載力均衡、承載能力強、解鎖力小的優點，適用于小直徑橋塞類工具。

[1] 張伯年，李海金．封隔器理論基礎與應用[M]．北京：石油工業出版社，1983.

[2] 周曉軍，段志明，趙磊，等.封隔器鎖緊機構關鍵幾何參數分析[J].石油機械，2014，42(4)：90-93.

[3] 朱和明，吳晉霞，楊德鎧，等．封隔器鎖緊裝置關鍵技術分析[J]．石油礦場機械，2013，42(3)：80-84.

[4] 張燕平，王大江.可取式橋塞及其結構設計原則[J].江漢石油職工大學學報，2011，24(5)：48-50.

[5] 孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理[M]．北京：高等教育出版社，2013.

[6] 趙遠綱，卡瓦式封隔器的受力分析與理論計算[J].石油鉆采工藝，1983，10(2)：68-72.

[7] 高勝，劉躍寶，常玉連，等.卡瓦牙板重要幾何參數分析[J].石油機械，2010，38(2)：80-84.

Locking Mechanism Design of Small Diameter Downhole Oil Tools

CHEN Xiaojun，HE Shasha，MI Kaifu，WANG Xingyan，YU Xingsheng
(BeijingPetroleumMachineryCo.，DRI，CNPC，Beijing102200，China)

In view of the fact that the design space of small diameter packer is narrow，a locking structure with compact structure is designed，which can realize the function of locking and unlocking.This structure especially suits the fishable downhole tools.Based on the equivalent friction coefficient theory，the relationship between the teeth and the pressing ring cone angle are analyzed.The conclusion is made that the cone angleαwhich the lock ring compacts the pyramidal face should be less than the tooth rake angleβ.According to the structural characteristics of the lock ring and the lock seat，the geometric conditions are calculated when unlocking.The test results show that the locking mechanism can achieve the function of the design，and there is a strong bearing capacity.The structure of the locking mechanism provides beneficial support for the development of an oil pipeline cable bridge plug or a plug，and can expand the application range of the oil pipe pressure control tool in our country，and has good popularization and application prospect.

downhole tools；locking mechanism；structure；design

2016-12-01

中國石油天然氣集團公司科學研究與技術開發項目“重大工程關鍵技術裝備研究與應用”子課題“高壓氣井試油測試與帶壓作業裝備研制”(2013E-3806)

陳曉軍(1979-)，男，高級工程師，碩士，2005年畢業于大慶石油學院，現從事石油鉆采設備的設計工作，E-mail：chenxj7@126.com。

1001-3482(2017)03-0050-05

TE921.903

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.011