深水井口頭送入工具結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度分析

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(1.中國石油大學(xué)(北京) 海洋工程研究院，北京102249；2.中國石油渤海鉆探伊朗項(xiàng)目部，德黑蘭)

通過對我國近50口深水自營井調(diào)研，深水水下井口及其送入工具主要被美國的FMC、GE-VetcoGray、Cameron、Drill-Quip及挪威的AkerSolutions等公司所壟斷，并且使用過程中存在費(fèi)用昂貴、供貨周期長(一般1 a以上)、關(guān)鍵配件供應(yīng)短缺等嚴(yán)重問題[1-3]。隨著陵水等1批大型深水油氣田的開發(fā)，打破國外技術(shù)壟斷，研發(fā)并形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的送入工具，對提升我國深水海洋工程裝備的綜合競爭力具有重要意義[4]。

依據(jù)現(xiàn)場施工作業(yè)要求，按照機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)原則，參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》[5]，成功設(shè)計(jì)了一種深水低壓井口頭送入工具。使用AutoCAD進(jìn)行了圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，使用SolidWorks進(jìn)行了三維展示。對送入工具進(jìn)行了作業(yè)流程分析，證明了工具設(shè)計(jì)的合理性和可行性。最后，結(jié)合現(xiàn)場作業(yè)實(shí)際情況，根據(jù)送入工具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和不同工況下的受力特點(diǎn)，使用Abaqus進(jìn)行了力學(xué)特性校核。

1 送入工具結(jié)構(gòu)分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成及功能

深水低壓井口頭送入工具的剖視圖、俯視圖和A-A剖面視圖分別如圖1～3所示[6-10]。

該工具的主要機(jī)構(gòu)有坐落機(jī)構(gòu)、鎖緊與解脫機(jī)構(gòu)、鎖緊與解脫狀態(tài)示位機(jī)構(gòu)、緊固機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)、維保構(gòu)件及附屬構(gòu)件等。其中，坐落機(jī)構(gòu)主要零部件為安裝導(dǎo)向頭、階梯心軸、送入工具本體、防轉(zhuǎn)銷等；鎖緊與解脫機(jī)構(gòu)主要零部件為階梯心軸、鎖緊襯套、矩形螺紋副、導(dǎo)向銷、鎖環(huán)推桿、鎖環(huán)墊圈、鎖環(huán)等；鎖緊與解脫狀態(tài)示位機(jī)構(gòu)主要零部件為指示銷、鎖緊襯套、指示銷墊圈、指示銷減阻帽、指示銷復(fù)位彈簧等。

1—安裝導(dǎo)向頭；2—密封圈；3—送入工具本體；4—導(dǎo)向銷；5—鎖環(huán)；6—鎖環(huán)墊圈；7—密封圈；8—防轉(zhuǎn)銷；9—過流孔；10—指示銷減阻帽；11—密封圈；12—指示銷復(fù)位彈簧；13—密封圈；14—固定螺栓；15—復(fù)位彈簧壓緊環(huán)；16—指示銷；17—階梯心軸；18—半月板；19—密封圈；20—端蓋；21—指示銷墊圈；22—保養(yǎng)孔銷釘；23—鎖環(huán)推桿；24—矩形螺紋副；25—鎖緊襯套；26—密封圈；27—墊圈。圖1 送入工具剖視圖

1—送入工具本體；2—檢修銷釘；3—保養(yǎng)孔銷釘；4—階梯心軸；5—鎖環(huán)限位銷；6—固定螺栓；7—防轉(zhuǎn)銷；8—指示銷；9—過流孔。圖2 送入工具俯視圖

1—鎖環(huán)推桿；2—鎖緊襯套；3—過流孔；4—鎖環(huán)；5—送入工具本體；6—階梯心軸；7—鎖環(huán)墊圈；8—鎖環(huán)限位銷。圖3 送入工具A-A剖面視圖

坐落機(jī)構(gòu)的主要功能：執(zhí)行復(fù)雜海況及作業(yè)工況條件下，深水導(dǎo)管與送入工具本體的迅速導(dǎo)向、工具面對正與位置坐落；鎖緊與解脫機(jī)構(gòu)的功能：在工具坐落后，執(zhí)行深水導(dǎo)管與送入管柱的相互鎖緊及相互釋放工序。

1.2 結(jié)構(gòu)特征與參數(shù)

在滿足送入工具作業(yè)需求，完成既定功能的前提下，按照“簡化設(shè)計(jì)原則”，嚴(yán)格遵守“越簡單、越可靠”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，送入工具全部采用機(jī)械配合控制，未采用液壓、電動等復(fù)雜控制系統(tǒng)。該工具通過鎖環(huán)、鎖環(huán)推桿、鎖緊襯套和階梯心軸的機(jī)械配合運(yùn)動實(shí)現(xiàn)送入工具與低壓井口頭的鎖緊和解脫控制[11-12]。

在現(xiàn)場操作過程中，由于鉆井平臺存在橫搖及縱搖等運(yùn)動，且深水低壓井口頭與送入工具均為大通徑的工具面對接聯(lián)接，其甲板聯(lián)接與鎖緊過程為施工操作的難點(diǎn)。針對該技術(shù)難題，設(shè)計(jì)的送入工具設(shè)置有安裝導(dǎo)向頭機(jī)構(gòu)，當(dāng)送入工具的導(dǎo)向頭機(jī)構(gòu)進(jìn)入低壓井口頭一定距離時(shí)，導(dǎo)管在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的引導(dǎo)與扶正作用下可迅速完成居中與對正，繼續(xù)平穩(wěn)下放大鉤，防轉(zhuǎn)銷坐入槽口中，實(shí)現(xiàn)送入工具自動坐落。安裝導(dǎo)向頭機(jī)構(gòu)使甲板聯(lián)接與鎖緊過程大為簡化、施工更安全、便捷、高效。

送入工具的主要參數(shù)為：產(chǎn)品級別PSL2級，額定壓力34.47 MPa(5 000 psi)，溫度級別V級，防腐要求表面磷化，抗拉強(qiáng)度454 MPa(1 000 000 lbs)；最大外徑為926.0 mm；最大長度為2.9 m。

3個(gè)鎖環(huán)推桿呈120°均布于工具本體上，每個(gè)安裝槽的4個(gè)側(cè)面設(shè)置有配合摩擦面，配合摩擦面的設(shè)置可保證推桿沿徑向方向的推出狀態(tài)，使得作用于鎖環(huán)的外推力沿軸向均布，承受均勻外推力作用，同時(shí)減小了鎖環(huán)推桿與推桿安裝槽在高負(fù)載工況條件下的摩擦阻力，提高了工具的裝配精度。鎖環(huán)推桿與鎖環(huán)采用大面積的形狀配合，改善了鎖環(huán)在徑向上的受力狀況，使得鎖緊與解脫工況具有更高可靠性。

2 送入工具作業(yè)流程分析

應(yīng)用該送入工具對深水低壓井口頭在甲板上進(jìn)行轉(zhuǎn)移、在鉆臺上進(jìn)行下入，作業(yè)流程是：井口坐落、井口鎖緊、管柱下入和井口解脫。

井口坐落作業(yè)流程：因深水半潛式鉆井平臺受風(fēng)、波浪、海流等復(fù)雜海洋環(huán)境載荷作用而產(chǎn)生縱蕩、橫蕩和垂蕩等多自由度的復(fù)雜運(yùn)動，所以送入工具本體上設(shè)置有安裝導(dǎo)向頭，可實(shí)現(xiàn)大通徑的送入工具聯(lián)接面迅速對接。且當(dāng)安裝導(dǎo)向頭進(jìn)入低壓井口頭一定距離，則安裝導(dǎo)向頭與低壓井口頭通過形尺寸配合，自動完成工具與井口的居中扶正，然后平穩(wěn)下放大鉤，使送入工具上4個(gè)防轉(zhuǎn)銷平穩(wěn)坐落于防轉(zhuǎn)銷槽中，便完成井口坐落。

井口鎖緊作業(yè)流程：鉆桿帶動階梯心軸倒轉(zhuǎn)9圈，鎖緊襯套在導(dǎo)向銷的軸向限制下，坡面向下移動9倍螺距(矩形螺紋副)，下降過程中逐漸向外推動鎖環(huán)推桿，鎖環(huán)被彈出，同時(shí)涂有白漆的指示銷下降，顯示送入工具與低壓井口頭已鎖緊。

井口鎖緊后進(jìn)行管柱下入，下入結(jié)束后，進(jìn)行井口解脫作業(yè)。

井口解脫作業(yè)流程：井口鎖緊作業(yè)的逆過程，鉆桿帶動階梯心軸正轉(zhuǎn)9圈，鎖緊襯套在導(dǎo)向銷的軸向限制下，坡面向上移動9倍螺距，鎖環(huán)推桿收回，鎖環(huán)縮進(jìn)，同時(shí)涂有白漆的指示銷上升，顯示送入工具與低壓井口頭已解脫。

3 送入工具力學(xué)特性校核

3.1 送入工具轉(zhuǎn)運(yùn)工況力學(xué)特性校核

由于送入工具自身結(jié)構(gòu)和受力的復(fù)雜性，僅使用理論分析的方法難以準(zhǔn)確描述結(jié)構(gòu)的受力情況。因此，為研究整個(gè)工具的受力狀態(tài)及關(guān)鍵部位的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，對此過程進(jìn)行了Abaqus有限元模擬。模擬過程中通過不同構(gòu)件間接觸關(guān)系的設(shè)置可將整個(gè)工具視為一個(gè)整體進(jìn)行施加外力分析以研究整體內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變狀況。

以南中國海某深水井為例[13]，設(shè)置起吊方向?yàn)檠豿y平面內(nèi)，起吊角度為45°，載荷為轉(zhuǎn)運(yùn)工況條件下起吊?914.4 mm(直徑36 in，壁厚1.5 in)表層導(dǎo)管，線重8.07 kN/m，總長為9.0 m，即，表層導(dǎo)管重力72.63 kN。低壓井口頭重力11.12 kN。則此工況下總靜載荷為83.75 kN，取1.2的附加安全系數(shù)并取整為100 kN。送入工具材質(zhì)設(shè)置為45#管材鋼，模擬結(jié)果如圖4～5所示。

由模擬結(jié)果可知，送入工具的階梯心軸低位側(cè)、鎖環(huán)低位側(cè)位置為受拉應(yīng)力最大處，最大值分別為84.32 MPa、28.23 MPa；送入工具的階梯心軸高位側(cè)、鎖環(huán)高位側(cè)位置為受擠壓應(yīng)力最大處，最大值分別為51.74 MPa、18.37 MPa；最大應(yīng)力分別為許用應(yīng)力的20.08%、11.36%。因此，此操作工況條件下的最小許用應(yīng)力安全系數(shù)為4.98，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核安全。

圖4 管柱串轉(zhuǎn)運(yùn)工況的結(jié)構(gòu)受力云圖

圖5 轉(zhuǎn)運(yùn)工況的鎖環(huán)受力云圖

3.2 送入工具下入工況力學(xué)特性校核

下入管柱完成平臺轉(zhuǎn)運(yùn)并聯(lián)接低壓井口頭下入導(dǎo)管串，便可進(jìn)行導(dǎo)管管柱的下入作業(yè)。此過程主要操作為下入鉆桿通過與階梯心軸的標(biāo)準(zhǔn)油管扣聯(lián)接，而后通過大鉤上提下放低壓井口頭及導(dǎo)管串。

以南中國海某深水井為例[13]，應(yīng)用所建立的數(shù)值模型，對此過程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。此深水井工況條件下的管柱組合為：低壓井口頭×1個(gè)+?914.4 mm(直徑36 in，壁厚1.5 in)導(dǎo)管×3根+?914.4 mm(直徑36 in，壁厚1.0 in)導(dǎo)管×5根；送入管柱的管串總長度80 m。?914.4 mm(直徑36 in，壁厚1.5 in)高強(qiáng)度深水導(dǎo)管的線重為8.07 kN/m，?914.4 mm(直徑36 in，壁厚1.0 in)深水導(dǎo)管的線重為7.38 kN/m，則此工況下總靜載荷為615.4 kN，取1.5的附加安全系數(shù)并取整為1 000 kN。設(shè)置起吊載荷為1 000 kN，數(shù)值模擬結(jié)果如圖6～7所示。

圖6 管柱串下入工況的結(jié)構(gòu)受力云圖

圖7 下入工況的鎖環(huán)受力云圖

由模擬結(jié)果，送入工具本體的內(nèi)壁與外壁的上表面內(nèi)側(cè)為受拉應(yīng)力最大處，最大值為104.0 MPa，送入工具本體的內(nèi)壁與外壁的下表面內(nèi)側(cè)位置為受壓應(yīng)力最大處，最大值為91.78 MPa，卡簧的最大壓應(yīng)力為93.47 MPa，最大應(yīng)力值分別為最大許用應(yīng)力值的24.76%、25.85%、22.25%，因而此工況條件下最小許用安全系數(shù)為3.87，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全要求。

4 結(jié)論

1) 根據(jù)現(xiàn)場施工作業(yè)要求，設(shè)計(jì)了一種深水低壓井口頭送入工具。該工具通過機(jī)械配合控制，使得送入工具鎖緊與解脫更穩(wěn)定可靠。安裝導(dǎo)向頭機(jī)構(gòu)在送入工具坐落低壓井口頭過程中起到自動居中扶正的作用，提高了組裝時(shí)效，達(dá)到了提質(zhì)增效的目的。

2) 對送入工具進(jìn)行作業(yè)流程分析，證明了該工具設(shè)計(jì)的合理性和可行性，為工具的加工、測試及逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化提供了有力的技術(shù)支撐。

3) 送入工具的功能性設(shè)計(jì)，滿足了深水井口下入作業(yè)的功能性要求和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。通過送入工具的承載力學(xué)特性分析和有限元數(shù)值模擬研究表明，工具在最危險(xiǎn)工況條件下作業(yè)安全性高，危險(xiǎn)載荷條件下的最大應(yīng)力為材料許用應(yīng)力的25.85%。

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