深水水下井口頭系統(tǒng)緊鎖機構(gòu)分析

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(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)深圳分公司，廣東 深圳 518067)①

水下井口頭系統(tǒng)作為深水鉆完井作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，存在成本高、加工工藝復(fù)雜、交貨周期長、維護保養(yǎng)程序復(fù)雜、易磨損件供貨商單一等特點。水下井口頭系統(tǒng)主要由低壓井口頭、高壓井口頭、套管懸掛器、環(huán)空密封總成和低壓井口頭鎖緊機構(gòu)等組成。深水水下井口頭系統(tǒng)受力較復(fù)雜，井口輕微傾斜就會在井口頭附近產(chǎn)生非常大的彎矩，而水下井口頭系統(tǒng)最薄弱的組件就位于高低壓井口頭狹窄空間之間用于鎖定高低壓井口頭的鎖緊機構(gòu)。水下井口頭系統(tǒng)主要由GE-Vetco Gray公司、Cameron公司、Dril-Quip公司、FMC公司等提供，而各公司水下井口系統(tǒng)鎖緊機構(gòu)工作原理、預(yù)緊力大小也各不相同。因此，在考慮多種外載的工況下對高低壓井口頭系統(tǒng)采用有限元進(jìn)行力學(xué)分析，對選擇滿足深水作業(yè)工況的井口頭系統(tǒng)及其鎖緊機構(gòu)具有指導(dǎo)意義。

1 緊鎖機構(gòu)簡述

1.1 國內(nèi)研究及使用現(xiàn)狀

國內(nèi)從事深水水下井口頭系統(tǒng)的技術(shù)研究起步較晚，基礎(chǔ)條件薄弱，且深水水下井口頭系統(tǒng)長期依賴國外進(jìn)口，致使對水下井口頭系統(tǒng)缺乏系統(tǒng)的了解，尤其對鎖緊機構(gòu)鎖緊原理的掌握。截止目前，在南海東部海域作業(yè)深水探井共計22口，水下井口頭系統(tǒng)主要采用Dril-Quip公司及GE-Vetco Gray公司產(chǎn)品，所選井口頭系統(tǒng)鎖緊機構(gòu)類型如表1。

在現(xiàn)場使用過程中，所選用的井口頭系統(tǒng)性能基本穩(wěn)定，能夠很好地滿足作業(yè)要求。然而采用“C”型彈性鎖環(huán)式鎖緊機構(gòu)的井口頭系統(tǒng)，由于其預(yù)緊力相對較小，高低壓井口頭沒有完全鎖死，在永久棄井切割作業(yè)過程中，存在相互轉(zhuǎn)動，甚至脫開的風(fēng)險，影響現(xiàn)場作業(yè)的順利進(jìn)行。

表1 南海東部深水井口頭系統(tǒng)鎖緊機構(gòu)類型統(tǒng)計

1.2 國外典型的水下井口頭系統(tǒng)及其鎖緊機構(gòu)

深水水下井口頭系統(tǒng)主要供應(yīng)商有GE-Vetco Gray公司、Cameron公司、Dril-Quip公司、FMC公司等，井口頭系統(tǒng)及鎖緊機構(gòu)類型如表2。

表2 國外典型深水井口頭系統(tǒng)

水下井口裝置鎖緊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。鎖緊機構(gòu)位于高壓井口頭和低壓頭之間，安裝時，連同高壓井口頭一起下入低壓頭內(nèi)。當(dāng)高壓井口頭下放到低壓頭內(nèi)設(shè)定位置后，依靠鎖緊機構(gòu)彈性鎖緊元件將高壓井口頭鎖定在低壓頭內(nèi)，具體安裝方式根據(jù)鎖緊機構(gòu)類型而定。

2 鎖緊機構(gòu)工作原理

2.1 彈性鎖環(huán)式

彈性鎖環(huán)式鎖緊機構(gòu)采用“C”型結(jié)構(gòu)，具有徑向彈性，可在一定直徑范圍內(nèi)實現(xiàn)自由收縮。在安裝過程中，將高壓井口頭連同其上的鎖緊機構(gòu)下放到低壓井口頭內(nèi)指定位置，彈性鎖緊環(huán)會自動進(jìn)入低壓井口頭內(nèi)的環(huán)形槽中，以此將高壓井口頭鎖定在低壓井口頭內(nèi)。該鎖緊機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝操作方便的優(yōu)點，但預(yù)緊力相對較小。

2.2 雙梯形面鎖環(huán)式

雙梯形面鎖環(huán)式鎖緊機構(gòu)主要是添加了一個環(huán)形活動壓套，增加了預(yù)緊力，保證鎖緊之后不易脫開。在安裝過程中，使用送入工具下壓活動壓套使得雙梯形面鎖環(huán)徑向撐開，與低壓井口頭內(nèi)對應(yīng)配合的環(huán)形槽面咬合，并發(fā)生擠壓，實現(xiàn)了高低壓井口頭的軸向鎖定。

該鎖緊機構(gòu)在活動壓套及“E”型圈上都設(shè)計有防松齒，且能夠相互咬合，保證鎖圈很好地鎖定，具有較大預(yù)緊力。

圖1 5種鎖緊機構(gòu)示意

2.3 指狀彈性片式

指狀彈性片鎖緊機構(gòu)需要在高壓井口頭上安裝有8個指狀彈性片，指狀彈性片向外呈輻射狀，并且形成的輻射圓直徑比低壓井口頭內(nèi)徑大，在將高壓井口頭送入低壓井口頭內(nèi)時，指狀彈性片首先受到低壓井口頭內(nèi)孔施加的反向作用力處于徑向壓縮狀態(tài)，當(dāng)高壓井口頭被送入到指定位置后，指狀彈性片會自動恢復(fù)，其頂端頂在低壓井口頭內(nèi)的環(huán)槽面上，從而使高低壓井口頭形成鎖緊，該鎖緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，但鎖緊形式預(yù)緊力較小。

2.4 帶密封的雙梯形面鎖環(huán)式

帶剛性鎖緊預(yù)加載型和大通徑型井口頭為了滿足更深的水深作業(yè)，增加下入套管層數(shù)，采用帶密封的雙梯形面鎖環(huán)鎖緊機構(gòu)，在下入低壓井口頭之后，在其上再懸掛一層套管，之后高壓井口頭連接下一層套管下入，與低壓井口頭鎖緊，同時需要對高壓井口頭所連接套管與外層套管之間環(huán)空進(jìn)行密封。該鎖緊機構(gòu)的鎖緊部分與雙梯形面鎖環(huán)鎖緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別在于該機構(gòu)活動壓套與高壓井口頭之間的支架上安裝了環(huán)形密封結(jié)構(gòu)，在其下端內(nèi)外兩側(cè)分別設(shè)置有兩道橡膠密封圈，實現(xiàn)了高壓井口頭所連接套管與外層套管之間環(huán)空的密封。該鎖緊形式預(yù)緊力較大，在鎖圈上設(shè)計有自鎖角斜面，在壓套上設(shè)計有防松機構(gòu)，工作性能可靠。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)型彈性齒圈式

標(biāo)準(zhǔn)型彈性齒圈式鎖緊機構(gòu)預(yù)緊力可以達(dá)到11 110 kN(2 500 klbs)。在高低壓井口頭安裝過程中，高壓井口頭外部凹槽內(nèi)預(yù)先安裝一個彈性齒圈，當(dāng)井口頭下放到導(dǎo)管頭特定位置后，彈性鎖圈會受壓，自動與低壓井口頭內(nèi)的環(huán)形齒槽嚙合在一起，實現(xiàn)高壓井口頭與低壓井口頭的徑向鎖緊。該鎖緊機構(gòu)的一個主要結(jié)構(gòu)特點是可以實現(xiàn)多步鎖緊，增大預(yù)緊力。這種齒圈型多步鎖緊機構(gòu)由于其接觸面積大，可以在很小的空間內(nèi)提供很大的預(yù)緊力，同時，該標(biāo)準(zhǔn)型的鎖緊機構(gòu)在棄井后可以作為一個獨立單元從高壓井口上拆卸下來，進(jìn)行回收保養(yǎng)。

為了滿足深水市場的需要，Vetco公司在標(biāo)準(zhǔn)型鎖緊機構(gòu)的基礎(chǔ)上結(jié)合其特點，推出了兩款加強型鎖緊機構(gòu)，如圖2。與標(biāo)準(zhǔn)型相比主要區(qū)別在于其預(yù)緊力可達(dá)到17 780 kN(4 000 klbs)。水下可解鎖加強型具備了在水下脫開再鎖緊的能力，增加了永久棄井等作業(yè)的靈活性。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)型彈性齒圈式鎖緊機構(gòu)

Vetco公司的另外一種彈性齒圈式鎖緊機構(gòu)如圖3，其高低壓井口頭鎖緊部分都不在本體上，而是在低壓井口頭上安裝一個環(huán)形鋼圈，其下部采用梯形齒與低壓井口頭連接，內(nèi)部設(shè)計有環(huán)形倒齒，在安裝時，高壓井口頭上彈性齒圈與其咬合鎖緊，該鎖緊機構(gòu)具有較大預(yù)緊力，且對高低壓井口頭本體損害較小，有利于對井口頭的重復(fù)利用，降低了作業(yè)成本。

圖3 Vetco公司彈性齒圈式鎖緊機構(gòu)

3 鎖緊機構(gòu)有限元分析

鎖緊機構(gòu)可將高壓井口頭鎖定在導(dǎo)管頭內(nèi)，并施加一定的預(yù)緊力，使其與低壓頭組成一個受力"整體"，從而防止高壓井口頭在作業(yè)過程中受到上部施加的力或設(shè)備載荷作用時，在低壓頭內(nèi)發(fā)生向上移位或橫向彎曲，同時，鎖緊機構(gòu)施加的較大鎖緊力有助于提高井口頭系統(tǒng)的抗疲勞能力。

根據(jù)南海某井井場資料和淺層土質(zhì)抗剪強度一般變化規(guī)律、平臺坐防噴器時井口載荷(如表3)、海底淺層土質(zhì)參數(shù)(如表4)，采用有限元分析軟件建立模型，根據(jù)隔水管底部的橫向和豎向反力、低壓頭上部結(jié)構(gòu)所受海流力、平臺坐防噴器時井口載荷作為邊界條件，對井口系統(tǒng)進(jìn)行分析計算。

模型采用Dril-Quip公司SS-15型井口頭系統(tǒng)，對其在預(yù)緊鎖緊(預(yù)緊力4 445 kN)和未預(yù)緊鎖緊2種狀態(tài)下進(jìn)行力學(xué)模擬分析，如圖4。在受力相同的情況下，2種狀態(tài)套管串變形、應(yīng)力值無較大差別，這說明由于套管串本體重力已經(jīng)很大，預(yù)緊鎖緊機構(gòu)的預(yù)緊力對套管串基本無影響。

表3 坐防噴器時井口載荷

表4 海底淺層土質(zhì)參數(shù)

預(yù)緊鎖緊機構(gòu)的主要作用是減少高壓井口頭及附件的疲勞破壞，在作業(yè)期間，由于波浪的運動帶動平臺的不規(guī)則運動，平臺、隔水管拽著井口一起無規(guī)則晃動，對于不施加預(yù)緊力或者預(yù)緊力小的鎖緊機構(gòu)，高壓井口頭的局部受拉、壓交變載荷影響，容易產(chǎn)生疲勞損壞。若使用預(yù)緊的鎖緊機構(gòu)時，高壓井口頭局部大部分時間處于受壓狀態(tài)，相比不施加預(yù)緊力或者預(yù)緊力小時，疲勞損壞大幅減小。

在2種狀態(tài)下選取圖4c、4d所示的4個區(qū)域點，分別求4個區(qū)域點的應(yīng)力平均值。在鎖緊情況下，2個區(qū)域點應(yīng)力變化為 50 MPa(受壓)、-20 MPa(受壓)；在未鎖緊情況下；2個區(qū)域點應(yīng)力變化為25 MPa(受壓)、-25 MPa(受拉)。得出鎖緊情況下最大應(yīng)力值50 MPa；未鎖緊情況下最大應(yīng)力值25 MPa。

a 預(yù)緊鎖緊狀態(tài) b 未預(yù)緊鎖緊狀態(tài)

c 預(yù)鎖緊狀態(tài)區(qū)域點 d 未預(yù)鎖緊狀態(tài)區(qū)域點

疲勞應(yīng)力與疲勞壽命曲線如圖5所示。

圖5 疲勞應(yīng)力與疲勞壽命曲線

在鎖緊情況下，應(yīng)力循環(huán)特征值r=20/50=0.4；在未鎖緊情況下，應(yīng)力循環(huán)特征值r=-25/25=-1。由圖5可以看出，鎖緊情況下井口的壽命 遠(yuǎn)高于未鎖緊情況下井口的壽命 。因此，在一定的范圍內(nèi)，預(yù)緊力越大，井口頭壽命就越長。

4 結(jié)論

1) 通過對國外幾家公司典型的深水水下井口頭系統(tǒng)的鎖緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)及原理的分析，可為水下井口頭系統(tǒng)的選擇及深水水下井口頭系統(tǒng)鎖緊技術(shù)研究提供參考。

2) “C”形彈性鎖環(huán)式鎖緊機構(gòu)在井口頭和導(dǎo)管頭之間形成的預(yù)緊力小，使井口頭系統(tǒng)整體壽命不高。隨著作業(yè)水深的增加，應(yīng)優(yōu)選具有較大預(yù)緊力鎖緊機構(gòu)的高壓井口頭。

3) 彈性齒圈式和雙梯形面鎖圈式鎖緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計較先進(jìn)，鎖緊后，可以施加較大預(yù)緊力，井口頭系統(tǒng)可以承受較大的軸向拉力和橫向彎曲載荷，且在一定范圍內(nèi)，預(yù)緊力越大，井口頭系統(tǒng)的壽命就越大。

4) 隨著作業(yè)水深進(jìn)一步增加，現(xiàn)場作業(yè)難度及作業(yè)成本也相應(yīng)增加，因此對于水下可解鎖以及對高低壓井口頭本體損壞較小的鎖緊機構(gòu)設(shè)計，應(yīng)作為后續(xù)研究的一個重要方向。

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