雙管注氣井口裝置油管頭結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能分析

宋樹權(quán)，龔　凱，2，周　海，姜玉虎，張水玉

(1.鹽城工學院 機械工程學院，江蘇 鹽城 224051；2.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.江蘇宏泰石化機械有限公司，江蘇 鹽城 224400)

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雙管注氣井口裝置油管頭結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能分析

宋樹權(quán)1，龔凱1，2，周海1，姜玉虎3，張水玉3

(1.鹽城工學院 機械工程學院，江蘇 鹽城 224051；2.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.江蘇宏泰石化機械有限公司，江蘇 鹽城 224400)

摘要：為滿足二氧化碳驅(qū)油工藝分層可調(diào)注入要求，設(shè)計開發(fā)了雙管注氣井口裝置，并闡明了其工作原理。利用有限元方法對其六通油管頭的承載能力和疲勞壽命進行了分析。研究結(jié)果表明：六通油管頭側(cè)開孔直徑和壁厚系數(shù)會對橫向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的分布產(chǎn)生影響；油管頭承載能力隨著側(cè)開孔直徑的增大先提高再降低。合理選擇側(cè)開孔直徑，可使六通油管頭具有最佳的承載能力；較大的壁厚系數(shù)有利于提高六通油管頭的承載能力；六通油管頭整體上具有較好的結(jié)構(gòu)安全性和疲勞特性。為二氧化碳分層驅(qū)油裝備設(shè)計開發(fā)、性能校核等提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：井口裝置；雙管注氣；六通油管頭；承載能力；疲勞壽命

二氧化碳驅(qū)油是通過將二氧化碳氣體注入油層，改變原油物理特性，提高石油開采率的技術(shù)，具有較好的發(fā)展前景。但在2層及2層以上油層，層間差異較大的油井中采用二氧化碳驅(qū)時經(jīng)常會發(fā)生氣竄現(xiàn)象。為提高油層縱向動用程度，消除氣竄，需要采用分層注氣工藝[1]。由于二氧化碳分層注氣工藝復(fù)雜，對裝備密封性、耐腐蝕性以及遠程操控的要求較高，使得相關(guān)配套技術(shù)發(fā)展滯后，設(shè)備存在較大的需求缺口[2]。竇升軍[3]等在蒸汽驅(qū)稠油熱采過程中提出了一種同心管分層注氣工藝，即在一個井筒內(nèi)布置2個油管，分別通過內(nèi)油管和內(nèi)、外油管之間環(huán)形空間向下油層和上油層注氣，同時利用節(jié)流孔板和迷宮式流量調(diào)節(jié)閥對注氣量進行調(diào)節(jié)，該工藝有效解決了分層計量注氣問題，但采用插管密封的方式進行密封，對插管要求較高，密封可靠性難以保證；白振國[4]等發(fā)明了一種同軸雙層注氣井口裝置，將2個傳統(tǒng)四通油管頭進行串聯(lián)，實現(xiàn)了可控的分層注氣；另外，在注水工藝中常用的分層偏注方法[5]在二氧化碳驅(qū)油中也有應(yīng)用，但由于注入的二氧化碳呈超臨界狀態(tài)，流量不易控制。

為滿足高效可靠的采油需求，設(shè)計了適用于二氧化碳分層驅(qū)油工藝要求的雙管注氣井口裝置，并闡明了工作原理。同時，利用有限元方法對關(guān)鍵承力件，即六通油管頭的性能進行了分析?？蔀楦咝?、高性能二氧化碳分層驅(qū)油裝備設(shè)計開發(fā)、校核計算等提供依據(jù)。

1工作原理

雙管注氣井口裝置如圖1所示。由采油樹、2個注氣管道和2個測控管道及油管掛載部分組成，配備內(nèi)、外2根同心油管和1根套管，分別通過上、下懸掛總成及套管短節(jié)與六通油管頭連接。工作時，利用內(nèi)、外油管之間的環(huán)形空間及套管進行分層注氣，所采原油由內(nèi)油管通過采油樹四通進入輸油管道；注氣管道采用雙閥串聯(lián)結(jié)構(gòu)，保證注氣可靠性。在下層測控管道以及采油樹四通下方分別串聯(lián)安裝一個液壓控制閥，通過液壓控制柜實現(xiàn)井口裝置注氣和采油的遠程控制。油管頭內(nèi)部采用金屬密封和橡膠密封組合結(jié)構(gòu)，確保密封可靠及耐腐蝕。該裝置可實現(xiàn)二氧化碳氣體分層可調(diào)注入，并具有遠程測控、密封可靠、耐腐蝕等特點。

1—管堵；2—盲孔蓋板；3—平板閥；4—螺紋法蘭；5—壓力表；6—截止閥；7—四通；8—液壓控制閥；9—油管異徑接頭；10—注脂閥；11—頂絲總成；12—上懸掛器總成；13—下懸掛器總成；14—六通油管頭；15—套管法蘭；16—套管短節(jié)；17—外油管；18—內(nèi)油管。

2油管頭結(jié)構(gòu)設(shè)計及承載能力計算

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

油管頭主要用于掛載油管，連接套管頭和采油樹，承受較大的載荷，是井口裝置的關(guān)鍵零件。雙管注氣井口裝置采用了整體式六通油管頭，如圖2所示。在油管頭內(nèi)部布置了2個懸掛總成，分別掛載內(nèi)、外油管。同時在側(cè)壁上有4個出口，分別用于連接上、下兩層注氣和測控管道。相比于傳統(tǒng)四通式單掛油管頭，六通式雙掛油管頭結(jié)構(gòu)緊湊、開孔多，但承載能力將有所下降。為適應(yīng)不同采油主通管徑及旁通管徑的變化需求，油管頭的壁厚系數(shù)k和側(cè)開孔直徑d需相應(yīng)變化。因此，有必要對其進行設(shè)計校核并分析相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對油管頭應(yīng)力分布的影響規(guī)律，保證結(jié)構(gòu)的安全性。

油管頭壁厚系數(shù)為

k=Do/Di

(1)

式中：Do為油管頭外部兩側(cè)銑平后當量直徑；Di為油管頭上端側(cè)開孔處內(nèi)徑。

圖2　六通油管頭結(jié)構(gòu)示意

油管頭采用ZG1Cr13整體鑄造而成，相關(guān)材料特性及參數(shù)如表1所示。

表1　材料特性及參數(shù)

2.2有限元計算模型簡化及邊界條件

對于油管頭應(yīng)力分布的求解，當側(cè)開孔較小時可將其等效成厚壁承壓圓筒進行理論計算。六通油管頭開口數(shù)量多，開孔尺寸大，開孔處應(yīng)力分布不均勻性增加，簡化的力學模型不再適用，因此根據(jù)ASME標準采用有限元方法進行設(shè)計校核[6]。為研究六通油管頭的承載性能，采用有限元方法對2種受力工況下進行分析。考慮油管頭結(jié)構(gòu)對稱性，取1/4模型，并簡化了工藝圓角和倒角等對應(yīng)力結(jié)果基本無影響的細小特征，分析模型如圖3所示。在模型的對稱面1和對稱面2施加對稱約束，在與套管法蘭接觸底面施加位移約束。在試壓工況下，所有內(nèi)表面施加壓力載荷；在正常工況下，上、下2個臺階承載面施加管柱載荷，其余內(nèi)表面施加額定壓力載荷。2種工況下均未考慮螺栓預(yù)緊及熱載荷。管柱載荷qt為

(2)

式中：C為質(zhì)量校正系數(shù)；mn為油管單位長度名義質(zhì)量；l為油管長度；A為承載面面積。

取內(nèi)、外油管分別為API2-3/8和API2-7/8標準油管，質(zhì)量校正系數(shù)為0.989，單位長度名義質(zhì)量由GB/T19830―2011《石油天然氣工業(yè) 油氣井套管或油管用鋼管》查得，油管長度為1 000m，承載面積按實際模型測量得到。

圖3　油管頭簡化模型

2.3計算結(jié)果分析

改變油管頭的壁厚系數(shù)k和側(cè)開孔直徑d，在正常工況和試壓工況下分析了壁厚和側(cè)開孔對其應(yīng)力分布和承載性能的影響規(guī)律。根據(jù)油管頭結(jié)構(gòu)特點，強度評定采用第三強度理論，即Tresca準則[7]。油管頭的承載性能采用承載能力系數(shù)α進行評價，其定義為

(3)

式中：σeq為按第三強度理論計算的最大等效應(yīng)力；σ0.2為材料條件屈服應(yīng)力。承載能力系數(shù)小表示承載能力好，反之則表示其承載能力較差。

油管頭橫向應(yīng)力(路徑P1P2)和軸向應(yīng)力(路徑P2P3)的變化曲線如圖4所示。由圖4a可知，油管頭側(cè)開孔處橫向應(yīng)力(沿P1P2路徑)呈現(xiàn)兩端大中間小，在靠近側(cè)開孔內(nèi)側(cè)位置出現(xiàn)應(yīng)力最大值。隨著壁厚系數(shù)增加，路徑P1P2的絕對長度相應(yīng)增大，同一位置應(yīng)力值隨之減小。當k=2.2時，中間位置和內(nèi)側(cè)應(yīng)力差值最大，達到43.9%。由圖4b可知，軸向應(yīng)力(沿P2P3路徑)在側(cè)開孔處應(yīng)力較大，遠離側(cè)開孔位置應(yīng)力逐漸下降。隨著側(cè)開孔直徑的增大，路徑P2P3的絕對長度減小，各位置應(yīng)力值有減小趨勢，但當側(cè)開孔直徑大于65mm以后，應(yīng)力值又有所上升。由于油管頭上端開孔處內(nèi)徑相對較大，使得壁厚較小，沿路徑P2P3的軸向應(yīng)力在上端開孔處明顯大于下端開孔處。

a　d=50 mm時P1P2路徑應(yīng)力分布

b　k=2.0時P2P3路徑應(yīng)力分布

六通油管頭采用不同壁厚系數(shù)k和側(cè)開孔直徑d時的承載能力系數(shù)如圖5所示。由圖5可知，在3種壁厚系數(shù)下，承載能力系數(shù)都隨著側(cè)開孔直徑的增大呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。其中當k=1.8和k=2.0，側(cè)開孔直徑從40mm變化到80mm時，油管頭的承載能力系數(shù)曲線變化平緩，承載性能對側(cè)開孔直徑變化不敏感。當側(cè)開孔直徑繼續(xù)增大時，承載能力系數(shù)增大趨勢明顯，在k=1.8，d=100mm時，達到最大值0.64。在油管頭外部兩側(cè)銑平后當量直徑不變的前提下，此時的油管頭內(nèi)徑較大，絕對壁厚減小，削弱了油管頭的承載性能。當k=2.2時，油管頭側(cè)開孔直徑對其承載能力影響明顯。此時，油管頭絕對壁厚較大，承載能力系數(shù)相對較小，承載能力強。在k=2.2，d=50mm時，承載能力系數(shù)為最小值0.45，承載性能最好。側(cè)開孔直徑相同時，壁厚系數(shù)越大，油管頭的承載性能越好。當d=50mm時，不同壁厚系數(shù)下油管頭的承載性能相差23%。圖5中，圓圈中標出的承載能力系數(shù)對應(yīng)的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在位置1處，其余對應(yīng)的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在位置2處，即側(cè)開孔和內(nèi)徑的相貫線處。由此可知，當壁厚系數(shù)較小時，油管頭頂絲孔處會出現(xiàn)應(yīng)力集中，是影響其承載性能的關(guān)鍵位置。壁厚系數(shù)較大或側(cè)開孔直徑較大時，側(cè)開孔和內(nèi)徑的相貫線處為油管頭的薄弱位置。

圖5　承載能力系數(shù)

在設(shè)計條件和靜水試壓2種工況下，側(cè)開孔直徑為65mm時的油管頭最大等效應(yīng)力值如表2所示。按JB4732―1995《鋼制壓力容器分析設(shè)計標準》應(yīng)力強度評定準則，都能滿足強度校核條件。壁厚系數(shù)增加使得最大應(yīng)力值最大相差20%，但壁厚系數(shù)的小范圍變化不至于影響結(jié)構(gòu)安全性；同時，壁厚系數(shù)的變化會對最大應(yīng)力的分布位置產(chǎn)生影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)加以考慮。

表2　最大等效應(yīng)力　MPa

3油管頭疲勞壽命分析

在實際使用過程中，由于工作壓力的周期性變化，油管頭在側(cè)開孔和內(nèi)徑相貫線處易出現(xiàn)疲勞破壞，為油管頭的主要失效形式。本文對油管頭按低周疲勞規(guī)律進行計算，采用虛擬應(yīng)力幅Sa作為控制變量?？紤]循環(huán)次數(shù)較大以及平均應(yīng)力的影響，Sa按式(4)計算并修正[8]。

(4)

按式(4)計算并擬合的材料Sa-N曲線如圖6所示。在設(shè)計壓力條件下，六通油管頭疲勞壽命如表3所示。

由表3可知，本文設(shè)計的六通油管頭整體上具有較好的抗疲勞特性。疲勞壽命隨壁厚系數(shù)增大有減小趨勢，不同側(cè)開孔直徑時，油管頭的疲勞壽命也有較大變化。側(cè)開孔直徑中等大小時，有利于延長油管頭疲勞壽命。

圖6　材料Sa-N曲線

表3　油管頭疲勞壽命

4結(jié)論

1)雙管注氣井口裝置能實現(xiàn)二氧化碳氣體分層可調(diào)注入，并具有遠程測控的特點，油管頭內(nèi)部采用金屬密封和橡膠密封組合結(jié)構(gòu)，可確保密封可靠及耐腐蝕。

2)油管頭橫向應(yīng)力(沿P1P2路徑)隨著壁厚系數(shù)增加而減小，在整個路徑上呈現(xiàn)兩端大中間小。油管頭軸向應(yīng)力(沿P2P3路徑)隨側(cè)開孔直徑增大先減小后增大，同時上端開孔處應(yīng)力大于下端開孔處應(yīng)力和側(cè)開孔直徑變化。

3)油管頭承載能力隨著側(cè)開孔直徑的增大先提高再降低，同時承載能力和壁厚系數(shù)呈正相關(guān)，壁厚系數(shù)越大油管頭的承載性能越好。

4)六通油管頭壁厚系數(shù)的小范圍變化不至于影響結(jié)構(gòu)安全性，均能滿足強度校核條件。六通油管頭整體疲勞特性較好，合適的側(cè)開孔直徑有利于延長其疲勞壽命。

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StructureDesignandPerformanceAnalysisofSix-wayTubingHeadforDoubleTubeGasInjectionWellheadEquipment

SONGShuquan1，GONGKai1，2，ZHOUHai1，JIANGYuhu3，ZHANGShuiyu3

(1.School of Mechanical Engineering，Yancheng Institute of Technology，Yancheng 224051，China；2.School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China；3.Jiangsu Hongtai Petrochemical Machinery Co.，Ltd.，Yancheng 224400，China)

Abstract：The double tube gas injection wellhead equipment was designed to meet the adjustable injection requirement of carbon dioxide flooding process，and its working principle was expounded.As the key part，the bearing capacity and fatigue life of six-way tubing head were analyzed by using finite element method.The results show that the distribution of transverse stress and axial stress of six-way tubing head are affected by the side opening diameter and wall thickness coefficient.The bearing capacity of the tubing head first increased and then decreased with the increase of the side opening diameter，rational choice of side opening diameter can get the best bearing capacity.The large wall thickness coefficient can also improve the bearing capacity of six-way tubing head.Overall，the six-way tubing head presented in this paper has better structural safety and fatigue characteristics.This study can provide the basis for the development and performance verification of high efficiency and high performance carbon dioxide flooding equipments.

Keywords：wellhead equipment；double tube gas injection；six-way tubing head；bearing capacity；fatigue life

文章編號：1001-3482(2016)06-0037-05

收稿日期：2015-12-31

基金項目：江蘇省產(chǎn)學研前瞻性創(chuàng)新資金項目(BY2014108-04)；江蘇省六大人才高峰項目(2013-ZBZZ-026)

作者簡介：宋樹權(quán)(1981-)，男，副教授，博士研究生，主要研究方向為數(shù)字化設(shè)計與制造，E-mail：13813220975@163.com。

中圖分類號：TE931.1

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.008