海上油田多功能伸縮管的設計與試驗研究

李 登，鐘寶庫，徐國雄，朱 橙，劉華偉，李孟超，劉 勇，鎮(zhèn) 赟，劉明發(fā)，孫德啟

(1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司 天津300452；2. 中海石油(中國)有限公司上海分公司 上海200335；3. 上海優(yōu)強石油科技有限公司 上海201806)

海上油田多功能伸縮管的設計與試驗研究

李 登1，鐘寶庫2，徐國雄1，朱 橙1，劉華偉1，李孟超1，劉 勇3，鎮(zhèn) 赟1，劉明發(fā)1，孫德啟3

(1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司 天津300452；2. 中海石油(中國)有限公司上海分公司 上海200335；3. 上海優(yōu)強石油科技有限公司 上海201806)

海上油田生產時，以隔熱油管為主的隔熱保溫管柱工藝被廣泛采用，由于油管管柱整體載荷較重，造成解封過電纜封隔器時解封力增大，導致整體管柱抗拉安全系數(shù)較小。為此，研制一種海上油田用多功能伸縮管，具有實現(xiàn)管柱傳遞扭矩的功能，同時保溫隔熱，且能讓電纜安全地隨著管柱移動而伸縮。通過強度校核，滿足安全生產要求。同時，功能試驗和性能試驗表明，研制的多功能伸縮管能有效降低過電纜封隔器解封載荷，增加整體管柱的安全系數(shù)。

油田 多功能 伸縮管 降低載荷

0 引 言

為了解決油田結蠟油井井筒結蠟的問題，以隔熱油管為主的隔熱保溫管柱工藝被廣泛采用，但是隔熱油管管柱整體載荷較重，造成解封過電纜封隔器時解封力增大，導致整體管柱抗拉安全系數(shù)小于1.6。[1-3]同時，由于井下管柱溫度、壓力變化造成管柱機械性的伸縮，所以有必要研制一種多功能伸縮管，降低過電纜封隔器解封載荷，增加整體管柱的安全系數(shù)，也能補償管柱的升沉，有利于長度的調整。

1 多功能伸縮管的結構設計與工作原理

多功能伸縮管系統(tǒng)構成如圖1所示，主要由以下部件構成：接頭、隔熱管、扭矩接頭、鍵、中心管、壓帽、密封套、耐磨環(huán)、套筒、管套、剪釘、外筒、空心微珠層。

圖1 多功能伸縮管的系統(tǒng)構成Fig.1 System configuration of multi-function telescoping tube

多功能伸縮管(以下簡稱伸縮管)包括上接頭和下接頭，上接頭下端設置有內側連接上扭矩接頭的隔熱管，上扭矩接頭上端設置有鍵孔，其內表面鍵連接有下端與下接頭相連的中心管，中心管和隔熱管之間設置有壓帽、密封套和耐磨環(huán)，下接頭上端外側連接有下扭矩接頭，實現(xiàn)伸縮管的隔熱保溫與傳遞扭矩的功能；下扭矩接頭和上扭矩接頭之間設置有下管套，下管套、中心管、下扭矩接頭和上扭矩接頭共同構成一個環(huán)腔，環(huán)腔內設置有纏繞于中心管外壁的電纜，實現(xiàn)隨管柱伸縮時保證穿越電纜的安全伸縮，避免損傷電纜。

2 多功能伸縮管應用于起下管柱時的效果分析

油田進行起下管柱作業(yè)時，整體的生產管柱如圖2所示，伸縮管安裝在過電纜封隔器與潛油電泵之間。

下放管柱時，帶動伸縮管的上接頭、隔熱管、上扭矩接頭和上套筒相對于中心管向下做直線運動，相對移動1.5,m，此時伸縮管處于壓縮狀態(tài)，然后油管打壓，對過電纜封器進行坐封；當油田進行修井、檢泵等作業(yè)時，需要上提管柱來解封封隔器時，由于伸縮管處于壓縮狀態(tài)，伸縮管以下管柱的懸重載荷影響得以消除，這就降低了過電纜封隔器的解封載荷，過電纜封隔器解封后，伸縮管的上接頭、隔熱管、上扭矩接頭和上套筒相對于中心管向上做直線運動；當管柱起下遇阻或遇卡時，需要旋轉管柱，帶動上接頭、隔熱管和上扭矩接頭轉動，通過與之連接的移動鍵帶動中心管轉動，實現(xiàn)傳遞扭矩的功能，電纜也隨著中心管轉動，不受扭矩傳遞的影響。

圖2 油田生產管柱圖Fig.2 Oilfield production string

3 伸縮管的強度分析

K＝D/d，當K＜1.2時為薄壁，其中D為外徑，d為內徑。當K＝1.1～1.2時，壓力容器筒體可按薄壁圓筒進行強度計算，[4-5]認為筒體為二向應力狀態(tài)，且各受力面應力均勻分布，徑向應力σr＝0，環(huán)向應力σt＝PD/4,s，σz＝PD/2,s，最大主應力σ1＝PD/2,s。

伸縮管中危險截面是中心管的截面，如圖3所示。

圖3 危險截面示意圖Fig.3 Schematic view of dangerous section

中心管必須達到性能參數(shù)，如表1所示。

表1 伸縮管參數(shù)表Tab.1 Datasheet of telescopic tube

3.1 整體抗壓強度分析

中心管的系數(shù)：K＝D/d＝112/100.5＝1.16＜1.2薄壁筒，則抗拉強度計算公式如下[2]：

式中：P——靜水壓試驗壓力，MPa；f——系數(shù)，規(guī)格大于9－5/8 的 H40、J55和K55鋼級為0.6，其他鋼級和規(guī)格為0.8；YSmin——管體規(guī)定最低屈服強度，MPa；D——規(guī)定外徑，mm；t——規(guī)定壁厚，mm。

把表1中參數(shù)代入公式1，可得：

3.2 整體抗壓強度分析

扭矩工作筒抗拉強度：

式中：F——拉力，kN；sδ——管體規(guī)定最低屈服強度，MPa；D——規(guī)定外徑，mm；d——內徑，mm。

通過以上計算扭矩工作筒的抗拉載荷為1,256.5,kN，滿足設計要求。

3.3 平鍵強度校核

平鍵的尺寸參數(shù)如表2所示。

表2 平鍵參數(shù)表Tab.2 Parameters of flat key

平鍵抗扭強度計算公式如下：

式中：T——扭矩，N·mm；d——軸徑，mm；b——鍵的寬度，mm；l——鍵的工作長度，mm；n——鍵的有效個數(shù)；[σp]——許用擠壓應力，MPa。

把參數(shù)表中數(shù)據(jù)代入式3，可得：

所以，經過校檢，解封銷釘強度滿足要求。

經過上述強度分析，最終得到伸縮管的性能指標：抗拉強度為1,256.5,kN，耐壓強度為32.45,MPa，抗扭強度為9.2,kN·m。

4 試驗評價

為滿足油田安全生產的要求，伸縮管須經過相應的功能試驗和性能試驗。試驗過程中，伸縮管的伸縮次數(shù)在6次以上時，伸縮節(jié)伸縮能夠收放自如，電纜伸長后能夠收回，不影響管柱功能。空心微珠的導熱系數(shù)在0.07～0.11之間，與隔熱油管傳熱性能接近。同時，空心微珠強度高，不會因環(huán)空壓力高導致外層管壓潰。

4.1 功能試驗

4.1.1 靜態(tài)密封試驗

按裝配圖裝配，上接頭和下接頭由NU螺紋上接頭和NU螺紋下接頭代替，下接頭與NU螺紋接頭工裝連接固定，將伸縮管水平放置，如圖4(a)所示，下接頭和下套管固定，并限制軸向位移，上接頭支撐并保證其能沿軸向移動，通過上接頭打壓21,MPa× 10,min，不滲不漏為合格。

圖4 伸縮管試驗Fig.4 Telescopic tube test

4.1.2 伸縮功能試驗

對上接頭沿軸向方向施加一定的均力，使上接頭沿軸向緩慢移動，上接頭最大位移1.5,m。上接頭移動流暢，能達到指定位置，且電纜隨之伸縮，電纜沒有受到擠壓，則合格。

4.1.3 動態(tài)密封實驗

沿軸向反方向對上接頭施加相等的力，使上接頭回到初始位置。整個過程中，不漏，上接頭移動流暢，能移到指定位置，且電纜能隨之伸縮，沒有受到擠壓，則合格。

4.2 性能實驗

4.2.1 扭矩實驗

對把伸縮管水平放置在扭矩機上，見圖4(b)，并用扭矩測試儀記錄扭矩數(shù)據(jù)。對伸縮管進行慢慢施加扭矩，施加標定扭矩為6.5,kN·m×10,min，若伸縮管本體沒有發(fā)生相對旋轉，說明伸縮管能承受施加的最大扭矩，性能測試合格。

4.2.2 抗拉實驗

將伸縮管放入試驗室井筒內，下接頭連接抗拉試驗工裝，讓抗拉試驗工裝頂住井筒下端面，上接頭通過工裝與液壓缸連接，向液壓缸內注油打壓，即標定提升力為897,kN×10,min，伸縮管無變形或拉斷，試驗合格。

5 結 論

設計出的伸縮管工具結構新穎，伸縮量為1.5,m，同時具有穿越電纜時隔熱保溫、傳遞扭矩的多重功能。通過對主要承載構件進行強度校核，結果表明，設計的參數(shù)滿足強度要求。對伸縮管進行了功能試驗和性能試驗，結果表明工具性能可靠，能降低過電纜封隔器解封載荷，增加整體管柱的安全系數(shù)，具有一定的應用價值。

［1］ 尹飛，高寶奎，黃丹，等. 深井尾管懸掛器強度分析及懸掛載荷計算[J]. 石油礦場機械，2011(9)：33-36.

［2］ 李子豐，戴江，于振東，等. 兩層壓裂井下管柱力學分析及其應用[J]. 石油鉆采工藝，2009，31(1)：81-84.

［3］ 唐山青. 伸縮云梯消防車臂架結構強度有限元分析與動力學仿真[D]. 湘潭：湘潭大學，2009.

［4］ 尹飛，高德利. 油氣井套管側向屈曲分析與井下加強工具探討[J]. 中國石油大學學報：自然科學版，2014(6)：67-71.

［5］ 杜現(xiàn)飛，王海文，王帥，等. 深井壓裂井下管柱力學分析及其應用[J]. 石油礦場機械，2008，37(8)：28-33.

Multifunctional Extension Tube in Offshore Oilfields：Design and Experimental Research

LI Deng1，ZHONG Baoku2，XU Guoxiong1，ZHU Cheng1，LIU Huawei1，LI Mengchao1，LIU Yong3，ZHEN Yun1，LIU Mingfa1，SUN Deqi3
(1. CNOOC Energy Technology and Services Ltd.Drilling and Production Company Stimulation Operation Branch，Tianjin 300452，China；2. CNOOC(China)Co.，Ltd.Branch in Shanghai，Shanghai 200335，China；3. Shanghai Extrong Oilfield Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201806，China)

Insulated tubing string has been widely adopted in offshore oilfields.However，due to the overall heavy load of tubular column，deblocking force increases over the cable packer，resulting in lower overall safety factor of string tension.For this reason，it is necessary to develop a multi-purpose extension tube in offshore oilfields to realize the functions of string torque transmission，insulation and to allow the cable securely stretch along with string’s movement.The intensity check proved that it met the production safety requirements.In addition，functional test and performance test showed that the multi-purpose telescopic tube can increase the safety factor of the whole column through effectively reducing unblocking packer loads of cable.

offshore oilfield；multifunctional；telescopic tube；load reduction

TE358+.2

：A

：1006-8945(2016)09-0046-03

2016-08-01