劉　紅　芳（1．寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西　寶雞721002；2．國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西　寶雞721002）

海洋水下井口裝置鎖緊機(jī)構(gòu)研究

劉紅芳1，2
（1．寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002；2．國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞721002）①

鎖緊機(jī)構(gòu)是海洋水下井口裝置中的重要部件之一，其工作性能的優(yōu)劣直接決定海底油氣井口的使用壽命及整個(gè)海洋石油開采系統(tǒng)的安全性和可靠性。介紹了國內(nèi)外海洋水下井口裝置鎖緊機(jī)構(gòu)技術(shù)現(xiàn)狀；對美國VetcoGray、Dril-quip，F(xiàn) M C等公司的鎖環(huán)式，彈片式、齒圈式、鎖圈式4種鎖緊機(jī)構(gòu)的工作原理及性能特點(diǎn)進(jìn)行了對比分析研究。闡述了鎖緊機(jī)構(gòu)的工作原理和關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)。指出齒圈式和鎖圈式鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)先進(jìn)；井口頭可以承受較大的軸向拉力和橫向彎曲載荷。

海洋水下井口裝置；鎖緊機(jī)構(gòu)；工作原理；技術(shù)現(xiàn)狀

海洋水下井口裝置是海洋油氣開發(fā)中的重要設(shè)備單元之一［1］，它是油氣井在海底與其它鉆采設(shè)備唯一的對接口。在鉆井過程中，同鉆井隔水管系統(tǒng)建立連接，從而形成鉆井液循環(huán)通道，滿足鉆井工藝要求；在油氣生產(chǎn)過程中，同水下采油樹或采油立管（Production Riser）連接，形成油氣生產(chǎn)通道，滿足油氣開采工藝的要求；在油氣井維修過程中，同各種不同的水下修井設(shè)備連接，以滿足修井工藝要求；同時(shí)，還受井內(nèi)壓力、溫度、海底流、及其他連接設(shè)備的載荷作用等。水下井口裝置一旦安裝在海床上，就無法更換，因此，對它的基本要求是能夠承受額定的工況載荷，工作可靠，使用壽命長。

鎖緊機(jī)構(gòu)是海洋水下井口裝置中的重要部件之一，該機(jī)構(gòu)可將井口頭鎖定在導(dǎo)管頭內(nèi)，同導(dǎo)管頭組成一個(gè)受力“整體”，以提升井口頭的抗拉、抗彎、抗疲勞能力，使其滿足上述工況要求。鎖緊機(jī)構(gòu)工作性能的優(yōu)劣直接決定海底油氣井口的使用壽命，及整個(gè)海洋石油開采系統(tǒng)的安全性和可靠性。因此，分析研究國外各種水下井口頭用鎖緊機(jī)構(gòu)的工作機(jī)理及其特點(diǎn)，對快速掌握此項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)、加快海洋水下井口裝置國產(chǎn)化進(jìn)程，實(shí)施我國海洋油氣資源開發(fā)具有重要意義。

1 鎖緊機(jī)構(gòu)概述

水下井口裝置鎖緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。鎖緊機(jī)構(gòu)是用來將井口頭在導(dǎo)管頭內(nèi)實(shí)施鎖定，防止井口頭在受到上部設(shè)備（如隔水管、采油立管、修井立管、水下防噴器組、水下采油樹、水下修井模塊等）載荷作用時(shí)，在導(dǎo)管頭內(nèi)發(fā)生向上移位或橫向彎曲。鎖緊機(jī)構(gòu)位于井口頭和導(dǎo)管頭之間，安裝時(shí)，連同井口頭一起下入導(dǎo)管頭內(nèi)。當(dāng)井口頭下放到導(dǎo)管頭內(nèi)設(shè)定位置后，依靠鎖緊機(jī)構(gòu)專用安裝工具，或者彈性鎖緊原件將井口頭鎖定在導(dǎo)管頭內(nèi)，具體安裝方式根據(jù)鎖緊機(jī)構(gòu)類型而定。目前，鎖緊機(jī)構(gòu)有鎖環(huán)式、彈片式、齒圈式、鎖圈式等幾種結(jié)構(gòu)，其工作機(jī)理、性能不盡相同。

圖1 水下井口裝置

2 國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

國內(nèi)從事海洋水下井口裝置技術(shù)研究起步較晚，“十一五”時(shí)期，海洋水下井口裝置研制被列為國家863計(jì)劃項(xiàng)目“海洋技術(shù)領(lǐng)域南海深水油氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)與裝備”［2］，以及中石油裝備制造分公司計(jì)劃課題“海洋水下井口裝置研制”，這標(biāo)志國內(nèi)在海洋水下井口裝置研究方面正式開始。由于在海洋水下井口裝置應(yīng)用方面長期依賴進(jìn)口，加之基礎(chǔ)條件薄弱，致使國內(nèi)對該產(chǎn)品缺乏系統(tǒng)了解，尤其缺乏對鎖緊機(jī)構(gòu)工作機(jī)理掌握。在鎖緊機(jī)構(gòu)開發(fā)設(shè)計(jì)方面，主要以模仿國外傳統(tǒng)的一般鎖緊機(jī)構(gòu)為主，結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠性較低。近2年來，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司開發(fā)了一種壓入式剛性鎖緊機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)采用鋸齒形鎖緊環(huán)可進(jìn)行二次防松，具有結(jié)構(gòu)先進(jìn)、操作簡單的特點(diǎn)，相關(guān)性能試驗(yàn)正在進(jìn)行中［3-6］。

3 國外典型鎖緊機(jī)構(gòu)技術(shù)分析

3．1 鎖環(huán)式鎖緊機(jī)構(gòu)

鎖環(huán)式鎖緊機(jī)構(gòu)如圖2所示，這種結(jié)構(gòu)在早期的井口裝置產(chǎn)品上使用比較普遍，VetcoGray公司S G-5系列，Dril-quip公司的SS-10系列，F(xiàn) M C公司的S W D-10系列等水下井口裝置均采用此種結(jié)構(gòu)形式。它的工作過程是：井口頭連同其上安裝的鎖緊機(jī)構(gòu)被下放到海底的導(dǎo)管頭內(nèi)特定的位置后，鎖緊機(jī)構(gòu)中的鎖緊環(huán)會(huì)自動(dòng)彈入導(dǎo)管頭內(nèi)的環(huán)槽里，將整個(gè)井口頭鎖定在導(dǎo)管頭內(nèi)。鎖緊環(huán)通常為“C”形的開口式結(jié)構(gòu)，在徑向具有彈性，可實(shí)現(xiàn)一定直徑范圍內(nèi)的自由收縮。

圖2 鎖環(huán)式鎖緊機(jī)構(gòu)

該鎖緊機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝操作方便的優(yōu)點(diǎn)；不足之處是在井口頭和導(dǎo)管頭之間無法建立預(yù)緊力，鎖緊后整體抗彎能力不高。目前，該機(jī)構(gòu)主要用于鋼絲繩導(dǎo)向式安裝，工作水深小于500 m，工作壓力小于70 M Pa的水下井口裝置中。

3．2 彈片式鎖緊機(jī)構(gòu)

彈片式鎖緊機(jī)構(gòu)如圖3所示，是美國Ca meron公司開發(fā)的一種井口頭鎖緊部件。利用指狀彈簧薄片的彈性作用進(jìn)行工作，其過程是：在井口頭連通外圓上安裝的8個(gè)指狀彈片一同被軸向送入導(dǎo)管頭的過程中，彈片先受到導(dǎo)管頭內(nèi)孔施加的反作用力處于徑向壓縮狀態(tài)，當(dāng)井口頭送入到安裝位置后，彈片自動(dòng)復(fù)位，上端部頂在導(dǎo)管頭內(nèi)孔的環(huán)槽面上，從而將井口頭鎖定在導(dǎo)管頭內(nèi)。

該鎖緊機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是：屬于被動(dòng)型安裝，安裝后在井口頭和導(dǎo)管頭內(nèi)產(chǎn)生的預(yù)緊力較??；結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。不足之處是鎖緊效果容易受零部件加工精度、安裝精度及作業(yè)過程等因素影響。

圖3 彈片式鎖緊機(jī)構(gòu)

3．3 齒圈式鎖緊機(jī)構(gòu)

齒圈式鎖緊機(jī)構(gòu)如圖4所示。是Vetco-Gray公司為M S系列水下井口裝置設(shè)計(jì)開發(fā)的一種鎖緊機(jī)構(gòu)。利用鋸齒形彈性齒圈的單向移動(dòng)、反向嚙合鎖定原理進(jìn)行工作，工作過程是：在井口頭外部凹槽內(nèi)預(yù)先安裝一個(gè)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(huì)自動(dòng)捕捉導(dǎo)管頭內(nèi)的環(huán)形齒槽，并與其嚙合在一起，實(shí)現(xiàn)井口頭與導(dǎo)管頭直徑的鎖緊。

該鎖緊機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、可以補(bǔ)償井口頭和導(dǎo)管頭之間的軸向位置誤差，鎖緊效果好，鎖緊力大；不足之處是對齒圈的材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高，需要專用工具進(jìn)行鎖緊預(yù)加載，安裝繁瑣。

圖4 齒圈式鎖緊機(jī)構(gòu)

3．4 鎖圈式鎖緊機(jī)構(gòu)

鎖圈式鎖緊機(jī)構(gòu)如圖5所示。其工作原理是：通過彈性鎖圈的徑向伸縮，使其上的2個(gè)45°嚙合面與導(dǎo)管頭內(nèi)的對應(yīng)配合環(huán)槽面發(fā)生擠壓，在產(chǎn)生一個(gè)軸向預(yù)緊力的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了井口頭的軸向鎖定。工作過程是：井口頭連同其上安裝的鎖緊機(jī)構(gòu)被下放到海底的導(dǎo)管頭內(nèi)特定的位置后，通過送入工具下壓鎖緊套使鎖圈徑向撐開，實(shí)現(xiàn)鎖圈與導(dǎo)管頭內(nèi)環(huán)槽的嚙合，將整個(gè)井口頭鎖定在導(dǎo)管頭內(nèi)。目前，鎖圈式鎖緊機(jī)構(gòu)有2種典型的結(jié)構(gòu)形式，一種是密封型鎖緊機(jī)構(gòu)，另一種是非密封型鎖緊機(jī)構(gòu)。

圖5 鎖圈式鎖緊機(jī)構(gòu)

兩種鎖緊機(jī)構(gòu)的共同特點(diǎn)是：采用雙凸面鎖圈來實(shí)施，鎖緊力大；在鎖圈上設(shè)計(jì)有自鎖角斜面，在壓套上設(shè)計(jì)有防松機(jī)構(gòu)，工作可靠；通過操作壓套便可完成井口頭的軸向預(yù)加載、鎖定及鎖緊防松等，操作方便。不足之處是：鎖圈在實(shí)現(xiàn)徑向伸縮的同時(shí)，要具有大的軸向承載能力，性能要求較高。

2種鎖緊機(jī)構(gòu)的主要區(qū)別是：密封型鎖緊機(jī)構(gòu)可以密封井口頭和導(dǎo)管頭之間的環(huán)形空間，同時(shí)可以檢查是否密封，非密封型則不能；非密封型鎖緊機(jī)構(gòu)可以對井口頭安裝是否到位進(jìn)行自動(dòng)檢測，可防止鎖緊位置錯(cuò)誤，密封型則不能。

4 鎖緊機(jī)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)分析

4．1 工作原理設(shè)計(jì)

鎖緊機(jī)構(gòu)通常整體為圓環(huán)型結(jié)構(gòu)，安裝在井口頭和導(dǎo)管頭之間的狹小空間處，位置與操作均受到限制，因此，鎖緊機(jī)構(gòu)的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很重要。設(shè)計(jì)時(shí)，需要從功能實(shí)現(xiàn)、力學(xué)分析、安裝操作、位置與狀態(tài)檢查等多個(gè)方面綜合考慮，可對多種工作原理進(jìn)行對比優(yōu)化，選擇最優(yōu)解。

4．2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

鎖緊機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)預(yù)加載、鎖緊、防松幾個(gè)功能時(shí)，一般都是將軸向下壓力通過不同形狀的零部件實(shí)現(xiàn)多方向分解，從而在不同的零部件中產(chǎn)生不同的預(yù)應(yīng)力，因此，零部件設(shè)計(jì)很重要。尤其在鎖環(huán)、鎖圈、壓套、防松圈等關(guān)鍵受力件中，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、尺寸精度等幾方面要對每個(gè)零件做精細(xì)的設(shè)計(jì)，必要時(shí)，可通過三維仿真軟件、有限元優(yōu)化分析、模擬試驗(yàn)等方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性驗(yàn)證。

5 結(jié)論

1） 對國外幾家公司水下井口裝置中的鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)、原理及特點(diǎn)進(jìn)行了分析探討，旨在對海洋水下井口裝置中鎖緊技術(shù)研究提供參考，助推海洋油氣裝備技術(shù)發(fā)展。

2） 鎖環(huán)式和彈片式鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較為簡單，鎖緊后，井口頭和導(dǎo)管頭之間無預(yù)載荷，井口頭承受軸向拉力和橫向彎曲載荷的能力較低；齒圈式和鎖圈式鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)先進(jìn)，鎖緊后，井口頭可以承受較大的軸向拉力和橫向彎曲載荷，具有性能好，工作可靠的優(yōu)點(diǎn)，是鎖緊機(jī)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的方向。

3） 在開發(fā)鎖緊機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)將如何實(shí)現(xiàn)井口頭鎖定與預(yù)加載，如何實(shí)現(xiàn)井口頭和套管頭之間環(huán)空的密封，如何保證可靠性作為研究重點(diǎn)。

4） 在研究國外海洋水下井口裝置鎖緊機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，做好鎖緊機(jī)構(gòu)功能分析、鎖緊原理研究、關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)，是快速掌握井口裝置鎖緊技術(shù)的一條捷徑。

［1］ A PI 17D．Design and O peration of Subsea Production Systems-SubseaW ellheadandTreeEquip ment ［S］．2011．

［2］ 劉承通，肖文生，葉道輝，等．深水水下井口頭系統(tǒng)研究［J］．石油礦場機(jī)械，2009，38（5）：26-30．

［4］ 王定亞，朱安達(dá)．海洋石油裝備現(xiàn)狀分析與國產(chǎn)化發(fā)展方向［J］．石油機(jī)械，2014，42（3）：33-37．

［5］ 劉小衛(wèi)，王定亞，王玉，等．海洋水下井口裝置密封技術(shù)研究［J］．石油機(jī)械，2014，42（11）：78-82．

［6］ 裴艷麗．水下井口頭密封總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化［D］．東營：中國石油大學(xué)（華東），2012．

Technoiogicai Research on Subsea Weiihead Latch Mechanism

LIUH ongfang1，2
（1．Baoji Oilfield Machineru Co．，Ltd．，Baoji721002，China；2．National Oil&Gas Drilling Equip ment Engineering Research Center，Baoji721002，China）

Latch mechanism is one of the most im portant parts of subsea wellhead．The operating performance of the latch mechanism willim pact the service life of the subsea wellhead，and thesafety and reliability of the subsea oil production system．In the paper，the present situation of the latch mechanism is introduced，that is the 4 types of latch mechanism：Split ring，Spring lathing，Dentate ring，Lock-ring produced by VetcoGray，Dril-quip and F M C were studied especially．T hen the working principle and Gordian technique of design were introduced．T he research findings show that the types of latch mechanism of Dentate ring，Lock-ring are advanced．T he well head with these two types of latch mechanism ban withstands m ore axial tension lateral bend load．

offshore subsea wellhead；latch mechanism；w ork principle；current technology

T E952

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．06．006

1001-3482（2015）06-0025-04

①2014-12-20

中國石油天然氣集團(tuán)公司“十二五”技術(shù)攻關(guān)課題“海洋鉆井新裝備開發(fā)”（2011B-4308）；中國石油裝備制造分公司科技統(tǒng)籌項(xiàng)目“海洋水下井口裝置研制”（Y-10 K900001）

劉紅芳（1964-），女，陜西寶雞人，工程師，主要從事石油裝備技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化研究工作，E-mail：lhf19966＠163．co m。