滑套式安全接頭的設(shè)計(jì)與研制

李金鳳 李 哲 陳志忠 陳薛飛

（渤海鉆探井下技術(shù)服務(wù)分公司管具服務(wù)中心，天津 300283）

目前國(guó)內(nèi)油田使用的安全接頭多為倒扣式安全接頭，螺紋的配合需要一定的預(yù)緊力，在地面必須上緊，這就導(dǎo)致脫開難度大，尤其是在斜井或水平井安全接頭不能處于受拉狀態(tài)，更難以倒開，還可能損傷螺紋。經(jīng)過多方面的調(diào)研［1-3］及分析，最終研制出新型滑套安全接頭，該接頭不僅結(jié)構(gòu)合理，操作簡(jiǎn)便，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成功率較高。

1 結(jié)構(gòu)

滑套式安全接頭主要由上接頭、滑套、剪斷銷釘、下接頭等組成（見圖1），上接頭下端為彈性分瓣爪結(jié)構(gòu)（見圖2），與下接頭配合處為嵌入式結(jié)構(gòu)，用于承受載荷和傳遞扭矩。

圖1 滑套式安全接頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 安全接頭上接頭結(jié)構(gòu)示意圖

2 工作原理

滑套式安全接頭靠上接頭上的鎖爪臥入下接頭凹槽內(nèi)，通過中間的滑套支撐，防止鎖爪回縮，滑套利用下接頭上的剪斷銷釘固定。組裝時(shí)上接頭上擋鍵插入下接頭上的鍵槽內(nèi)，傳遞扭距。需要丟開管柱時(shí)，油管內(nèi)投球，坐于安全接頭滑套上，憋壓到20 MPa 左右，剪斷銷釘，滑套和球一起下行到上接頭分瓣鎖爪以下，分瓣鎖爪失去滑套的支撐，上提管柱，分瓣鎖爪向內(nèi)收縮，安全接頭上下接頭脫離，可提出上部管柱。

3 滑套式安全接頭的計(jì)算

3.1 剪斷銷釘直徑的計(jì)算

滑套打開壓力由剪斷銷釘直徑的大小來控制。剪斷銷釘采用45#鋼，正應(yīng)力值σb為60 kg/mm2，剪應(yīng)力值τb=0.8σb=48 kg/mm2，剪斷銷釘數(shù)量設(shè)計(jì)為4個(gè)?；状蜷_時(shí)作用在滑套上的壓力與銷釘剪切力相等，即

推導(dǎo)得出

式中，p 為剪斷銷釘時(shí)內(nèi)壓力，kg/mm2；D 為滑套外徑，mm；n 為剪斷銷釘數(shù)量；d 為剪斷銷釘直徑，mm；τb為剪斷銷釘?shù)募魬?yīng)力，kg/mm2；K 為不均勻系數(shù)，取0.9。

3.2 分瓣爪抗拉強(qiáng)度計(jì)算

因安全接頭要適用于高壓壓裂管串，抗拉強(qiáng)度不得低于油管絲扣抗拉極限載荷。工具薄弱點(diǎn)在上接頭分瓣爪最小直徑處，此處橫截面見圖3。

圖3 分瓣爪小徑處橫截面

由圖3 可看出，分瓣爪小徑處橫截面積可近似表示為

式中，A 為分瓣爪小徑處橫截面積，mm2；D1為上接頭小徑處外徑，mm；d1為上接頭小徑處內(nèi)徑，mm；e 為分瓣間隙，mm。

分瓣爪抗拉許用負(fù)荷為

式中，Q 為分瓣爪抗拉許用負(fù)荷，kN；［σ］為材料許用正應(yīng)力，［σ］=σs/ns，kg/mm2；ns取1.5～2.0。

經(jīng)過計(jì)算，分瓣爪許用抗拉負(fù)荷為690 kN。?70.025 mm 加厚油管（N80，壁厚5.51 mm）絲扣抗拉極限載荷為657.4 kN，小于分瓣爪的抗拉許用負(fù)荷。

3.3 抗內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算

安全接頭抗內(nèi)壓薄弱點(diǎn)在下接頭上端大徑處?？箖?nèi)擠強(qiáng)度公式為

式中，P 為安全接頭內(nèi)部壓力，kg/mm2；K1為不均勻系數(shù)，取0.875；［σ］為材料許用正應(yīng)力，kg/mm2；m為壁厚，mm；D外為安全接頭薄弱點(diǎn)處外徑，mm。

經(jīng)過計(jì)算，安全接頭在許用正應(yīng)力下可承壓8.1 kg/mm2，而設(shè)計(jì)的最大工作壓力為7 kg/mm2，完全能滿足設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

4 主要技術(shù)參數(shù)

滑套式安全接頭主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 滑套式安全接頭主要技術(shù)參數(shù)

5 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

5.1 密封試驗(yàn)

將組裝好的安全接頭上接頭連接試壓接頭與試壓泵試壓管線連接，下接頭用母絲堵堵死，啟動(dòng)試壓泵升壓至71 MPa，穩(wěn)壓10 min，壓力降至70.3 MPa，密封部位無滲漏；繼續(xù)升壓至81 MPa，穩(wěn)壓10 min，壓力降至80.6 MPa，有壓降但密封部位無滲漏滴水現(xiàn)象。設(shè)計(jì)安全接頭高壓密封性能良好。

5.2 安全接頭上下分離實(shí)驗(yàn)

將密封實(shí)驗(yàn)后的安全接頭下部絲堵去掉，上部從試壓接頭處打開，投入?55 mm 的鋼球坐于滑套座上，再裝上試壓接頭與試壓泵連接，將安全接頭靠在墻角垂直立放，開泵升壓至20.8 MPa 剪斷銷釘，安全接頭上下分離。剪斷壓力與設(shè)計(jì)解卡壓力基本相符，符合設(shè)計(jì)要求。

5.3 抗拉實(shí)驗(yàn)

安全接頭放在抗拉試驗(yàn)架內(nèi)，上接頭與液缸連接，下接頭用卡盤與實(shí)驗(yàn)架連接，用液缸拉安全接頭（圖4），啟動(dòng)拉力器，到600 kN 后每增加50 kN 穩(wěn)定1 min，直到加到780 kN，與安全接頭連接變扣拉脫，安全接頭無變化。

圖4 滑套式安全接頭抗拉實(shí)驗(yàn)裝置

5.4 抗扭實(shí)驗(yàn)

將滑套式安全接頭上接頭用擰扣機(jī)主鉗固定，下接頭用備鉗卡緊，啟動(dòng)擰扣機(jī)上扣， 扭矩達(dá)到5 kN·m 時(shí)，下接頭凹槽端面有輕微突起，大于油管上扣扭矩，符合設(shè)計(jì)要求，能滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用要求。

6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果分析

滑套式安全接頭現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況見表2。

表2 滑套式安全接頭現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2012 年5 月11 日，濱深18 井，滑套式安全接頭用于“射孔—壓裂—排液”三聯(lián)作工藝管串，投球后，油管正打壓25 MPa，安全接頭脫開，丟槍成功，完成壓裂、排液管柱。

2012 年6 月30 日，濱85 井，滑套式安全接頭用于“射孔—壓裂—排液”三聯(lián)作工藝管串，投球后，油管正打壓30 MPa，安全接頭脫開，丟槍成功，完成壓裂、排液管柱。作業(yè)過程施工管串見圖5。

圖5 射孔管柱及射孔后丟槍管柱示意圖

這兩口井施工中，安全接頭脫開壓力與設(shè)計(jì)脫開壓力有差別，其原因與井身結(jié)構(gòu)、地層壓力有關(guān)：實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)安全接頭脫開壓力（壓差）20.8 MPa，實(shí)際應(yīng)用時(shí)脫開壓力偏高，這是因?yàn)楸脡撼艘朔踩宇^剪釘預(yù)剪力（20.8 MPa）外，還要克服在剪釘被剪斷瞬間將管柱流體壓入地層的力，因此現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，安全接頭脫開壓差（泵壓）高于設(shè)計(jì)脫開壓差是合理的。

張海13-21 井和濱深6 井在完成脫開作業(yè)后，進(jìn)行打撈管串，利用特制撈矛，將管串成功打撈，圓滿完成該井施工作業(yè)要求。

7 結(jié)束語

滑套式安全接頭應(yīng)用可分為功能性和安全性應(yīng)用。功能性應(yīng)用包括丟槍、丟封隔器等作業(yè)，特別適用于丟點(diǎn)上部管串無法旋轉(zhuǎn)或斜井不易旋轉(zhuǎn)的施工作業(yè)，如“射孔—壓裂—排液”三聯(lián)作的工藝上的應(yīng)用；安全性應(yīng)用包括壓裂、水平井沖砂、特殊井工具打撈等作業(yè)，在廣泛的作業(yè)領(lǐng)域中起到預(yù)防及解除井下事故的作用，是油井施工和先進(jìn)技術(shù)試油的保障性工具，同時(shí)采用氫化丁腈橡膠作為密封原料，上、下接頭均采用42CrMo 材質(zhì)加工而成，不僅適用于直井、斜井或水平井管柱，也可適用于高溫高壓管柱。

［1］ 柴國(guó)興，宋開利，古光明，等. 一種新型液壓丟手工具研制［J］.鉆采工藝，2000，23（2）：52-53.

［2］ 呂瑞典，李懷仲，遲軍. 新型隨鉆安全接頭及其強(qiáng)度分析［J］.天然氣工業(yè)，2008，28（2）：85-86.

［3］ 何云，孫鑫寧，羅文莉，等.液控型安全接頭的研制和應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2002，31（4）：46-47.