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

水下井口頭系統(tǒng)作為深水鉆完井作業(yè)的關鍵設備，存在成本高、加工工藝復雜、交貨周期長、維護保養(yǎng)程序復雜、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等組成。深水水下井口頭系統(tǒng)受力較復雜，井口輕微傾斜就會在井口頭附近產生非常大的彎矩，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。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)鎖緊機構工作原理、預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)采用有限元進行力學分析，對選擇滿足深水作業(yè)工況的井口頭系統(tǒng)及其鎖緊機構具有指導意義。

1 緊鎖機構簡述

1.1 國內研究及使用現狀

國內從事深水水下井口頭系統(tǒng)的技術研究起步較晚，基礎條件薄弱，且深水水下井口頭系統(tǒng)長期依賴國外進口，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公司產品，所選井口頭系統(tǒng)鎖緊機構類型如表1。

在現場使用過程中，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)式鎖緊機構的井口頭系統(tǒng)，由于其預緊力相對較小，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，存在相互轉動，甚至脫開的風險，影響現場作業(yè)的順利進行。

表1 南海東部深水井口頭系統(tǒng)鎖緊機構類型統(tǒng)計

1.2 國外典型的水下井口頭系統(tǒng)及其鎖緊機構

深水水下井口頭系統(tǒng)主要供應商有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的結構如圖1所示。鎖緊機構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。當高壓井口頭下放到低壓頭內設定位置后，依靠鎖緊機構彈性鎖緊元件將高壓井口頭鎖定在低壓頭內，具體安裝方式根據鎖緊機構類型而定。

2 鎖緊機構工作原理

2.1 彈性鎖環(huán)式

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

2.2 雙梯形面鎖環(huán)式

雙梯形面鎖環(huán)式鎖緊機構主要是添加了一個環(huán)形活動壓套，增加了預緊力，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，與低壓井口頭內對應配合的環(huán)形槽面咬合，并發(fā)生擠壓，實現了高低壓井口頭的軸向鎖定。

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

圖1 5種鎖緊機構示意

2.3 指狀彈性片式

指狀彈性片鎖緊機構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徑大，在將高壓井口頭送入低壓井口頭內時，指狀彈性片首先受到低壓井口頭內孔施加的反向作用力處于徑向壓縮狀態(tài)，當高壓井口頭被送入到指定位置后，指狀彈性片會自動恢復，其頂端頂在低壓井口頭內的環(huán)槽面上，從而使高低壓井口頭形成鎖緊，該鎖緊機構結構簡單，但鎖緊形式預緊力較小。

2.4 帶密封的雙梯形面鎖環(huán)式

帶剛性鎖緊預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，采用帶密封的雙梯形面鎖環(huán)鎖緊機構，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)空進行密封。該鎖緊機構的鎖緊部分與雙梯形面鎖環(huán)鎖緊機構結構相似，區(qū)別在于該機構活動壓套與高壓井口頭之間的支架上安裝了環(huán)形密封結構，在其下端內外兩側分別設置有兩道橡膠密封圈，實現了高壓井口頭所連接套管與外層套管之間環(huán)空的密封。該鎖緊形式預緊力較大，在鎖圈上設計有自鎖角斜面，在壓套上設計有防松機構，工作性能可靠。

2.5 標準型彈性齒圈式

標準型彈性齒圈式鎖緊機構預緊力可以達到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預先安裝一個彈性齒圈，當井口頭下放到導管頭特定位置后，彈性鎖圈會受壓，自動與低壓井口頭內的環(huán)形齒槽嚙合在一起，實現高壓井口頭與低壓井口頭的徑向鎖緊。該鎖緊機構的一個主要結構特點是可以實現多步鎖緊，增大預緊力。這種齒圈型多步鎖緊機構由于其接觸面積大，可以在很小的空間內提供很大的預緊力，同時，該標準型的鎖緊機構在棄井后可以作為一個獨立單元從高壓井口上拆卸下來，進行回收保養(yǎng)。

為了滿足深水市場的需要，Vetco公司在標準型鎖緊機構的基礎上結合其特點，推出了兩款加強型鎖緊機構，如圖2。與標準型相比主要區(qū)別在于其預緊力可達到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 標準型彈性齒圈式鎖緊機構

Vetco公司的另外一種彈性齒圈式鎖緊機構如圖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，內部設計有環(huán)形倒齒，在安裝時，高壓井口頭上彈性齒圈與其咬合鎖緊，該鎖緊機構具有較大預緊力，且對高低壓井口頭本體損害較小，有利于對井口頭的重復利用，降低了作業(yè)成本。

圖3 Vetco公司彈性齒圈式鎖緊機構

3 鎖緊機構有限元分析

鎖緊機構可將高壓井口頭鎖定在導管頭內，并施加一定的預緊力，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備載荷作用時，在低壓頭內發(fā)生向上移位或橫向彎曲，同時，鎖緊機構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。

根據南海某井井場資料和淺層土質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)、海底淺層土質參數(如表4)，采用有限元分析軟件建立模型，根據隔水管底部的橫向和豎向反力、低壓頭上部結構所受海流力、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)，對其在預緊鎖緊(預緊力4 445 kN)和未預緊鎖緊2種狀態(tài)下進行力學模擬分析，如圖4。在受力相同的情況下，2種狀態(tài)套管串變形、應力值無較大差別，這說明由于套管串本體重力已經很大，預緊鎖緊機構的預緊力對套管串基本無影響。

表3 坐防噴器時井口載荷

表4 海底淺層土質參數

預緊鎖緊機構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，對于不施加預緊力或者預緊力小的鎖緊機構，高壓井口頭的局部受拉、壓交變載荷影響，容易產生疲勞損壞。若使用預緊的鎖緊機構時，高壓井口頭局部大部分時間處于受壓狀態(tài)，相比不施加預緊力或者預緊力小時，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)域點的應力平均值。在鎖緊情況下，2個區(qū)域點應力變化為 50 MPa(受壓)、-20 MPa(受壓)；在未鎖緊情況下；2個區(qū)域點應力變化為25 MPa(受壓)、-25 MPa(受拉)。得出鎖緊情況下最大應力值50 MPa；未鎖緊情況下最大應力值25 MPa。

a 預緊鎖緊狀態(tài) b 未預緊鎖緊狀態(tài)

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

疲勞應力與疲勞壽命曲線如圖5所示。

圖5 疲勞應力與疲勞壽命曲線

在鎖緊情況下，應力循環(huán)特征值r=20/50=0.4；在未鎖緊情況下，應力循環(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 遠高于未鎖緊情況下井口的壽命 。因此，在一定的范圍內，預緊力越大，井口頭壽命就越長。

4 結論

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

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

3) 彈性齒圈式和雙梯形面鎖圈式鎖緊機構結構設計較先進，鎖緊后，可以施加較大預緊力，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，預緊力越大，井口頭系統(tǒng)的壽命就越大。

4) 隨著作業(yè)水深進一步增加，現場作業(yè)難度及作業(yè)成本也相應增加，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設計，應作為后續(xù)研究的一個重要方向。

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