一種液壓式油管懸掛器的設(shè)計(jì)

范白濤 王名春 王 彬 于小濤 隋中斐 葛居良 何登鈺

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京 100028；2. 威飛海洋裝備制造有限公司， 山東 東營 257029)

油管懸掛器是水下采油樹的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其主要作用是懸掛生產(chǎn)管柱，密封生產(chǎn)管柱與油層套管之間的環(huán)形空間，提供油流通道和修井通道[1-3]。目前，包括液壓油管懸掛器在內(nèi)的水下井口裝備基本上被國外一些品牌供應(yīng)商壟斷[4]。為了便于控制生產(chǎn)成本、提高作業(yè)效率，我們自行設(shè)計(jì)了一種液壓式油管懸掛器。在此，介紹油管懸掛器的總體設(shè)計(jì)、安裝與流程設(shè)計(jì)等，并通過三維仿真模型對(duì)其關(guān)鍵構(gòu)件的強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析。

1 液壓式油管懸掛器總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

油管懸掛器是水下采油樹的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其主要作用是按照要求將生產(chǎn)管柱懸掛于采油樹上。油管懸掛器的設(shè)計(jì)原則如下[5]：

(1) 確保鎖緊機(jī)構(gòu)操作有序。在油管懸掛器完成定位之前，鎖緊機(jī)構(gòu)不能進(jìn)行操作，以免過早地將油管懸掛器鎖定在采油樹本體內(nèi)而導(dǎo)致定位機(jī)構(gòu)和密封機(jī)構(gòu)失效；同時(shí)，鎖緊機(jī)構(gòu)須牢固地將油管懸掛器固定在采油樹本體上，且在正常生產(chǎn)作業(yè)過程中不能出現(xiàn)任何旋轉(zhuǎn)或上下移動(dòng)的現(xiàn)象。

(2) 確保密封作用安全有效。為了避免采油樹本體內(nèi)的環(huán)境受到污染，出油口的密封必須安全、有效，且在定向之前，密封件不能接合于密封孔內(nèi)。

(3) 確保機(jī)構(gòu)定位準(zhǔn)確。定位機(jī)構(gòu)必須保證油管懸掛器的水平出油口與采油樹的水平出油口對(duì)齊，電液穿越器連接組件與電液穿越器對(duì)齊。

1.2 液壓式油管懸掛器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依托威飛海洋裝備制造有限公司水下采油樹項(xiàng)目，應(yīng)其需求設(shè)計(jì)了一款與采油樹配套的液壓油管懸掛器。采油樹采用133/8的標(biāo)稱尺寸，額定壓力約為1×104psi(≈70 MPa)，材料級(jí)別為HH級(jí)；油管掛采用鎖環(huán)膨脹激發(fā)鎖定的方式，鎖定于采油樹內(nèi)腔的預(yù)留卡槽內(nèi)[6]。

按照水下采油樹的結(jié)構(gòu)及API 17D標(biāo)準(zhǔn)的要求，設(shè)計(jì)了圖1所示液壓式油管懸掛器，其中主要對(duì)油管懸掛器和液壓式取送工具及其投放、回收過程作了改進(jìn)。與機(jī)械式油管懸掛器直接提放的方式相比，液壓式油管懸掛器能夠快速投放和回收，可節(jié)省大量的人力，作業(yè)效率較高。

圖1 液壓式油管懸掛器及其配套工具總成示意圖

機(jī)械式油管懸掛器的鎖定和回收，依靠取送工具的機(jī)械推力或拉力；而液壓式油管懸掛器的鎖定和回收，依靠取送工具密封腔體中液壓油的壓力。液壓式油管懸掛器的主要構(gòu)件包括鎖緊機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)與定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。液壓式油管懸掛器的工作原理是：液壓式油管懸掛器及其配套工具(包括坐封鎖緊組件、密封組件、定位導(dǎo)向組件、液壓式取送工具等)，按照控制液壓式取送工具的油管掛解鎖腔及THRT解鎖腔的打壓順序，使坐封環(huán)在液壓式取送工具的壓力作用下嵌入或離開坐封環(huán)與油管懸掛器之間，從而鎖定或解鎖油管懸掛器和水下采油樹樹體，最終完成油管式懸掛器本體的投放和回收過程。

1.3 液壓式取送工具設(shè)計(jì)

液壓式油管懸掛器的安裝和回收，必須借助于液壓式取送工具。液壓式取送工具應(yīng)具備以下功能：

(1) 對(duì)油管懸掛器進(jìn)行定位導(dǎo)向。

(2) 對(duì)油管懸掛器接頭進(jìn)行密封連接。

(3) 對(duì)油管懸掛器目標(biāo)位置進(jìn)行鎖定，如鎖定到目標(biāo)井口或目標(biāo)采油樹。

(4) 對(duì)油管懸掛器安裝到位后的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(5) 將自身及油管懸掛器鎖緊或?qū)ζ浣怄i。

(6) 可經(jīng)由工具通徑安裝鋼絲繩堵塞器或?qū)⑵浠厥铡?/p>

液壓式取送工具主要由取送工具本體、鎖緊/解鎖機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)組成。其中，鎖緊/解鎖機(jī)構(gòu)由上部活塞、下部活塞、驅(qū)動(dòng)環(huán)、鎖緊環(huán)、保持環(huán)、密封筒等部件組成，通過該機(jī)構(gòu)可完成取送工具本體與油管懸掛器的鎖緊與解鎖動(dòng)作。通過定位機(jī)構(gòu)，可精準(zhǔn)對(duì)接取送工具上的液壓對(duì)接器與油管懸掛器上的液壓對(duì)接器[7]。

如圖2所示，將液壓式取送工具的腔室分為4個(gè)，即油管掛鎖緊腔、油管掛解鎖腔、THRT鎖緊腔、THRT解鎖腔。油管掛鎖緊腔、油管掛解鎖腔的作用分別是將油管懸掛器鎖緊于采油樹、解鎖，THRT鎖緊腔、解鎖腔的作用分別是將THRT與油管懸掛器鎖緊、解鎖。

圖2 液壓式取送工具的腔室結(jié)構(gòu)

2 液壓式油管懸掛器的安裝與回收流程設(shè)計(jì)

2.1 安裝流程

在實(shí)際操作當(dāng)中，液壓式油管懸掛器的安裝過程至關(guān)重要。其安裝流程設(shè)計(jì)如下：

(1) 對(duì)液壓式取送工具的油管掛解鎖腔及THRT解鎖腔進(jìn)行打壓，確保液壓式取送工具全部處于解鎖狀態(tài)。

(2) 對(duì)接液壓式取送工具與油管掛，對(duì)接完成后向THRT鎖緊腔進(jìn)行打壓，確保液壓式取送工具與油管懸掛器處于鎖緊狀態(tài)。

(3) 保持THRT鎖緊腔的壓力不變，向油管掛鎖緊腔打壓，激發(fā)油管懸掛器鎖緊環(huán)，將有關(guān)懸掛器鎖定在采油樹內(nèi)；同時(shí)，向THRT解鎖腔內(nèi)打壓，使液壓式取送工具與油管懸掛器分離。

2.2 回收流程

如果采油樹已滿使用年限或某個(gè)部件出現(xiàn)問題，就有可能需要回收液壓式油管懸掛器。回收流程設(shè)計(jì)如下：

(1) 向液壓式取送工具的油管掛解鎖腔及THRT解鎖腔內(nèi)打壓，使液壓式取送工具全部處于解鎖狀態(tài)。

(2) 在THRT與油管懸掛器對(duì)接完成之后，向油管掛鎖緊腔內(nèi)打壓，使THRT回收鉗與油管懸掛器結(jié)合在一起。

(3) 保持油管掛鎖緊腔壓力不變，向THRT鎖緊腔內(nèi)打壓，使THRT在油管懸掛器中鎖緊。

(4) 保持THRT鎖緊腔內(nèi)壓力不變，向油管掛解鎖腔打壓，使油管懸掛器鎖緊環(huán)退出鎖緊狀態(tài)，然后取出油管懸掛器。

3 液壓式油管懸掛器鎖緊環(huán)有限元強(qiáng)度分析

根據(jù)油管懸掛器的設(shè)計(jì)原則，油管懸掛器與采油樹樹體的密封原則具有較高的優(yōu)先級(jí)。鎖緊環(huán)作為油管懸掛器與采油樹樹體的重要密封部件，在油管懸掛器的應(yīng)用中有著不可或缺的作用。為了保證油管懸掛器的強(qiáng)度和可靠性，需對(duì)鎖緊環(huán)的內(nèi)壓強(qiáng)度、外壓穩(wěn)定性、鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊可靠性進(jìn)行分析。

3.1 對(duì)接三維模型的建立

應(yīng)用Solidworks軟件建立三維模型，用于模擬油管懸掛器與鎖緊環(huán)、坐封環(huán)、采油樹樹體之間密封配合的狀態(tài)。設(shè)定條件為：鎖緊環(huán)為完全軸對(duì)稱安裝，無偏心；鎖緊環(huán)與樹體、油管懸掛器接觸表面為理想表面，且鎖緊環(huán)無缺陷。為了減少分析過程中的計(jì)算量，從這些三維模型中提取所需模型的半邊進(jìn)行分析，并建立簡化模型(見圖3)。

圖3 油管懸掛器簡化模型

在此簡化模型中，將鎖緊環(huán)與樹體、坐封環(huán)接觸表面的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.1。模型驗(yàn)收準(zhǔn)則是，鎖緊環(huán)齒部及樹體環(huán)槽部無明顯塑性變形，能夠?qū)崿F(xiàn)油管懸掛器與樹體之間的密封與鎖定。

此外，根據(jù)水下采油樹的實(shí)際應(yīng)用需求及API 17D標(biāo)準(zhǔn)的要求，選用相關(guān)材料[8]。其中：采油樹的樹體選用F22合金，最小屈服強(qiáng)度為517 MPa(75 ksi)；油管懸掛器選用MS-1024鋼，最小屈服強(qiáng)度為552 MPa(80 ksi)；鎖緊環(huán)選用MS-1007鋼，最小屈服強(qiáng)度為724 MPa(105 ksi)；坐封環(huán)選用MS-1007鋼，最小屈服強(qiáng)度為724 MPa(105 ksi)。

3.2 鎖緊環(huán)強(qiáng)度的有限元分析

本次分析當(dāng)中，對(duì)大部分零件采用掃掠法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)其余少數(shù)零件采用多域掃掠法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。有限元模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為345 372個(gè)，單元總數(shù)為306 194個(gè)。

在液壓式油管懸掛器的安裝過程中，鎖緊環(huán)受到坐封環(huán)的壓力，先后達(dá)到臨界接觸工況和最大壓力工況；而在實(shí)際工況下，鎖緊環(huán)還會(huì)受到環(huán)空壓力的作用[9]。在此，應(yīng)用Abaqus 工作臺(tái)對(duì)鎖緊環(huán)在不同工況下的受力情況進(jìn)行有限元分析。

3.2.1 臨界接觸工況下的仿真分析

在安裝過程中，鎖緊環(huán)受到坐封環(huán)的壓力并達(dá)到臨界接觸工況，坐封環(huán)施加壓力使鎖緊環(huán)膨脹，將油管懸掛器鎖定于采油樹的樹體內(nèi)。執(zhí)行這一加載過程，以確定達(dá)到鎖緊環(huán)膨脹所需的力，并在坐封環(huán)上施加壓力，直到鎖緊環(huán)的齒部接觸到樹體上的環(huán)槽。

將鎖緊環(huán)與樹體、坐封環(huán)的接觸定義為摩擦接觸[10]。對(duì)耦合點(diǎn)施加位移，并使坐封環(huán)向下移動(dòng)，直到鎖緊環(huán)齒部與樹體上的環(huán)槽相接觸。總體上，鎖緊環(huán)施加于坐封環(huán)的反作用力隨著坐封環(huán)位移的增大而逐漸增加。當(dāng)坐封環(huán)下降高度為0.073 m時(shí)，反作用力達(dá)到最大值(9 641.23 N)之后逐漸減小，因此，使鎖緊環(huán)膨脹開來的作用力應(yīng)大于9 641.23 N。當(dāng)鎖緊環(huán)受到的坐封環(huán)壓力達(dá)到臨界接觸工況時(shí)，其應(yīng)力變化如圖4所示。

圖4 臨界接觸工況下的鎖緊環(huán)應(yīng)力云圖

仿真結(jié)果顯示，所有部件的應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度，在臨界接觸工況下裝配體中各部件的最大應(yīng)力如表1所示。

表1 臨界接觸工況下各部件仿真分析結(jié)果

3.2.2 最大壓力載荷下的仿真分析

在安裝過程中，鎖緊環(huán)受到的坐封環(huán)壓力可以達(dá)到最大壓力工況。在坐封環(huán)上施加壓力載荷，使鎖緊環(huán)膨脹。坐封環(huán)上的載荷，是通過液壓式取送工具所提供的液壓力推動(dòng)坐封環(huán)而施加。在極端情況下，鎖緊環(huán)的最大壓力為34.5 MPa。液壓式取送工具油管掛鎖緊腔與坐封環(huán)頂部的面積相同，所以可為坐封環(huán)頂部施加34.5 MPa的壓力。如果將最大壓力載荷施加于坐封環(huán)上，則可以通過運(yùn)行此負(fù)載計(jì)算出裝配總成中的應(yīng)力。

鎖緊環(huán)所受到的坐封應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度，在鎖緊環(huán)的內(nèi)徑部分區(qū)域存在較小的塑性變形，其他部件的最大應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度[11]。對(duì)鎖緊環(huán)施加最大壓力載荷后的應(yīng)力變化如圖5所示，最大應(yīng)力為802.4 MPa。

圖5 最大壓力載荷下的鎖緊環(huán)應(yīng)力云圖

在最大壓力載荷下，裝配體各部件的仿真分析結(jié)果如表2所示。

表2 最大壓力載荷下裝配體各部件的仿真分析結(jié)果

3.2.3 最大環(huán)空壓力下的仿真分析

在實(shí)際工況下，鎖緊環(huán)會(huì)受到環(huán)空壓力的作用。當(dāng)環(huán)空中有壓力時(shí)，壓力作用于通過環(huán)空密封的油管懸掛器底部，來自環(huán)空的壓力通過鎖緊環(huán)齒部從油管懸掛器傳遞到鎖緊環(huán)，再從鎖緊環(huán)傳遞到樹體。向油管懸掛器底部施加105 MPa的壓力，模擬遇到最大環(huán)空壓力時(shí)的情況。在最大環(huán)空壓力工況下，裝配體的應(yīng)力變化如圖6所示。

圖6 最大環(huán)空壓力下的裝配體應(yīng)力云圖

在實(shí)際工況下，最大環(huán)空壓力下鎖緊環(huán)的應(yīng)力變化如圖7所示。

圖7 最大環(huán)空壓力下的鎖緊環(huán)應(yīng)力云圖

在最大環(huán)空壓力下，裝配體中各部件的仿真結(jié)果如表3所示。

表3 最大環(huán)空壓力下裝配體各部件的仿真分析結(jié)果

鎖緊環(huán)的應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度，鎖緊環(huán)內(nèi)徑部分區(qū)域存在較小的塑性變形，其余部件的最大應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度。

4 結(jié) 語

根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求設(shè)計(jì)了一種液壓式油管懸掛器。本次設(shè)計(jì)的油管懸掛器可在液壓式取送工具的操作下完成安裝和回收，在復(fù)雜水下環(huán)境中的可操作性較強(qiáng)，且關(guān)鍵部件的穩(wěn)定性和可靠性良好。油管懸掛器關(guān)鍵構(gòu)件有限元分析結(jié)果顯示，裝配體的絕大部分區(qū)域都在屈服強(qiáng)度要求范圍之內(nèi)，滿足密封鎖緊要求。雖然在個(gè)別區(qū)域存在應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度的情況，如在鎖緊環(huán)的內(nèi)徑接近開口區(qū)域存在很小的塑性變形，但不會(huì)影響鎖緊環(huán)的正常使用。