王宴濱,張廣瑞, 高德利, 辛世琳

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

深水表層導(dǎo)管?chē)娚浒惭b是水下井口建立的關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)。在導(dǎo)管?chē)娚浒惭b過(guò)程中，送入管柱需依靠深水表層連續(xù)鉆進(jìn)送入工具(Cam Actuated Drill-Ahead, CADA)連接低壓井口和表層導(dǎo)管，實(shí)現(xiàn)一趟管柱完成導(dǎo)管?chē)娚浒惭b和“一開(kāi)”井眼鉆進(jìn)2個(gè)過(guò)程。CADA工具是導(dǎo)管?chē)娚浒惭b過(guò)程中的核心工具，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)特性分析，以確保安全可靠工作，對(duì)于確保表層導(dǎo)管順利噴射安裝具有重要意義。

目前，雖然對(duì)CADA工具進(jìn)行了部分研究，但是通常將CADA工具簡(jiǎn)化為管柱，或?qū)ζ渲心骋徊考M(jìn)行力學(xué)分析，對(duì)CADA工具服役過(guò)程中的其他核心部件研究少有報(bào)道。本文在已有研究基礎(chǔ)上，對(duì)CADA工具核心部件的工作原理及力學(xué)性能進(jìn)行分析，對(duì)于該工具的安全可靠服役及其國(guó)產(chǎn)化研制具有指導(dǎo)意義。

1 CADA工具研究簡(jiǎn)述

長(zhǎng)期以來(lái)， CADA工具的技術(shù)和市場(chǎng)被國(guó)外的Dril-Quip、FMC、Vetco等公司壟斷。

1) Dril-Quip公司的CADA工具有762 mm(30英寸)與914.4 mm(36英寸)2種尺寸，可以通過(guò)鉆桿旋轉(zhuǎn)鎖緊或解脫表層導(dǎo)管，由減磨軸承表面來(lái)承受拉伸和彎曲載荷，通過(guò)J型槽實(shí)現(xiàn)芯軸與芯軸襯套的分離施工。該工具無(wú)額定水深工作要求，無(wú)需液壓驅(qū)動(dòng)[1]。

2) FMC公司的CADA工具采用模塊化設(shè)計(jì)，既可單獨(dú)使用，也可與其他模塊配套使用，減少了下放與測(cè)試工具的使用，使UWD系列水下井口系統(tǒng)安裝更加高效可靠[2]。

3) Vetco公司MS系列的CADA工具采用了雙錐形套筒結(jié)構(gòu)，可大幅提高該工具的彎矩承載能力與抗疲勞損傷能力，其導(dǎo)管連接器采用一種預(yù)加載荷的高強(qiáng)度連接器，使用雙頭螺紋可在轉(zhuǎn)動(dòng)不到1圈的過(guò)程內(nèi)完成組裝[3]。

近年來(lái)，我國(guó)逐漸重視深水油氣開(kāi)發(fā)相關(guān)裝備的國(guó)產(chǎn)化研制。闞長(zhǎng)賓[4]研制了1套破土模式自適應(yīng)性CADA工具，并根據(jù)實(shí)際工況條件，建立了CADA工具坐落系統(tǒng)、鎖固系統(tǒng)、解脫系統(tǒng)等的運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析模型，并采用有限元方法研究了導(dǎo)管轉(zhuǎn)運(yùn)、下入等條件下的CADA工具結(jié)構(gòu)力學(xué)性能；殷啟帥[5]設(shè)計(jì)了1套CADA工具，并對(duì)其作業(yè)流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，研究了剪切銷釘及整體結(jié)構(gòu)在下放、回收作業(yè)工況下的力學(xué)行為；曹川[6]總結(jié)了CADA工具的研究現(xiàn)狀與工作流程，設(shè)計(jì)了1套CADA工具，并對(duì)鎖環(huán)機(jī)構(gòu)的撐開(kāi)過(guò)程進(jìn)行了力學(xué)分析；中海油研究總院[7-8]對(duì)CADA工具轉(zhuǎn)動(dòng)塊及芯軸部件進(jìn)行了力學(xué)及試驗(yàn)研究；楊進(jìn)[9]等提出了1種新型CADA工具設(shè)計(jì)，采用該工具減少了上提鉆井工具步驟，節(jié)約了作業(yè)時(shí)間與成本；吳儀[10-11]等提出CADA工具整體抗彎與抗拉進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的裝置及方法，可確定CADA工具力學(xué)性能的薄弱點(diǎn)，以及該薄弱點(diǎn)對(duì)導(dǎo)管下入作業(yè)的影響；劉書(shū)杰[12]等提出了1種模擬CADA工具解脫回收工況下的實(shí)驗(yàn)裝置與方法，為優(yōu)化剪切銷釘布置提供了依據(jù)。

2 CADA工具結(jié)構(gòu)及工作原理

筆者設(shè)計(jì)的CADA工具的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要零件有芯軸、芯軸襯套、上盤(pán)體、下盤(pán)體、凸輪筒、半月板、端蓋、密封鋼圈、鎖環(huán)、剪切銷釘，以及其它配件。芯軸與芯軸襯套通過(guò)銷釘固定在一塊，實(shí)現(xiàn)CADA工具的上提、下放及旋轉(zhuǎn)等操作；上下盤(pán)體通過(guò)螺栓進(jìn)行固定，并通過(guò)盤(pán)體凸出部分與芯軸襯套卡緊；凸輪筒通過(guò)螺紋與芯軸襯套相連接，鎖環(huán)位于上盤(pán)體凹陷處；上端蓋通過(guò)螺栓與盤(pán)體固定，通過(guò)密封鋼圈與O型橡膠圈配合實(shí)現(xiàn)CADA工具的密封。

CADA工具的工作原理如下：

1) 鉆前準(zhǔn)備。將CADA工具通過(guò)銷釘坐入卡槽與低壓井口頭固定，旋轉(zhuǎn)芯軸，使凸輪筒向下運(yùn)動(dòng)，凸輪筒將推桿向外推移，鎖環(huán)張開(kāi)與低壓井口頭鎖緊，同時(shí)視位桿下降，通過(guò)送入管柱將CADA工具下放至臨時(shí)導(dǎo)向基座準(zhǔn)備進(jìn)行噴射安裝。

圖1 CADA工具結(jié)構(gòu)組成

2) 導(dǎo)管?chē)娚浒惭b。將CADA工具送入后，開(kāi)始進(jìn)行噴射下導(dǎo)管，噴射安裝完成后，反向旋轉(zhuǎn)芯軸，鎖環(huán)縮入卡槽，視位桿上升，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)芯軸，將剪切銷釘剪短，實(shí)現(xiàn)CADA工具的解脫作業(yè)。

3) 一開(kāi)鉆井作業(yè)。CADA工具解脫后，繼續(xù)開(kāi)始一開(kāi)鉆進(jìn)，鉆進(jìn)到指定深度后，上提鉆桿，進(jìn)行CADA工具回收。

4) CADA工具回收。上提鉆桿，將CADA工具與低壓井口頭連接處的剪切銷釘剪短，使其分開(kāi)，繼續(xù)上提鉆桿，將CADA工具回收。

3 關(guān)鍵部件受力分析

3.1 鎖環(huán)

鎖環(huán)是CADA工具中的核心部件之一，在芯軸旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)凸輪筒向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中被推桿撐開(kāi)，起到鎖緊CADA工具與低壓井口頭并承載低壓井口與導(dǎo)管重力的作用。鎖環(huán)材料一般為銅鈹合金[11]，其余材料為普通合金鋼，力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 鎖環(huán)材料力學(xué)性能參數(shù)

本文建立的鎖環(huán)有限元模型如圖2所示。

圖2 鎖環(huán)有限元模型

鎖環(huán)承受低壓井口頭重力后的應(yīng)力云圖如圖3所示。由如圖3可知，鎖環(huán)在服役過(guò)程中，應(yīng)力云圖沿鎖環(huán)開(kāi)口中心線呈對(duì)稱分布，開(kāi)口處應(yīng)力最小，且在鎖環(huán)齒部發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象；Von Mises應(yīng)力沿鎖環(huán)周向具有先增大后減小再增大再減小的趨勢(shì)，應(yīng)力最大點(diǎn)位于遠(yuǎn)離鎖環(huán)開(kāi)口后側(cè)約45°的齒部，最大Von Mises應(yīng)力值約為270.8 MPa。

圖3 鎖環(huán)承載低壓井口頭重力后應(yīng)力云圖

在鎖環(huán)撐開(kāi)過(guò)程中，鎖環(huán)的Von Mises應(yīng)力變化如圖4所示。由如4可知，鎖環(huán)撐開(kāi)過(guò)程中Von Mises應(yīng)力逐漸增大，最大值為268 MPa。在承受低壓井口頭重力前，齒部與內(nèi)壁附近應(yīng)力較大，中部應(yīng)力較??；承受低壓井口頭重力后，中部應(yīng)力增大，應(yīng)力最小處位于兩齒間中部。這是因?yàn)辇X端受重力后有向內(nèi)擠壓的趨勢(shì)，增加了鎖環(huán)剖面中部所受應(yīng)力，而兩齒間中部幾乎不受到齒端承載重力的影響。

圖4 鎖環(huán)撐開(kāi)過(guò)程最大Von Mises應(yīng)力變化曲線

3.2 凸輪筒及螺紋

1) 凸輪筒。

凸輪筒推動(dòng)鎖環(huán)擴(kuò)張過(guò)程中，受鎖環(huán)彈性反作用力，該力在軸向上的分力作用在芯軸襯套與凸輪筒之間的螺紋上。凸輪筒向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中軸向力隨位移的變化如圖5所示。

圖5 凸輪筒向下運(yùn)動(dòng)反力

由圖5可以看出，凸輪筒向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，開(kāi)始時(shí)并未與推桿發(fā)生相互作用，軸向受力為0。運(yùn)行至一定位移時(shí)，凸輪筒變徑部位開(kāi)始將推桿向外推出，凸輪筒軸向受到鎖環(huán)彈性反力的軸向分力作用；且凸輪筒位移與其所受軸向力間呈現(xiàn)線性增加的趨勢(shì)。隨著凸輪筒繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，軸向力逐漸增大。本算例中，軸向力最大值為10 943 N；隨后軸向力逐漸減小至0，此時(shí)凸輪筒變徑部分與推桿間已無(wú)接觸，不再產(chǎn)生軸向分力。

2) 螺紋。

建立凸輪筒與芯軸襯套接觸模型，研究凸輪筒與芯軸襯套之間螺紋連接處在旋轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，所得螺紋部分受力云圖以及凸輪筒旋轉(zhuǎn)圈數(shù)與最大Von Mises應(yīng)力關(guān)系如圖6～7所示。

圖6 芯軸襯套與凸輪筒螺紋連接處受力云圖

圖7 凸輪筒運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)螺紋最大應(yīng)力

由圖6～7可以看出，凸輪筒與芯軸襯套螺紋連接處在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的應(yīng)力最大點(diǎn)位于相互接觸得螺紋最上端，最大Von Mises應(yīng)力為33.27 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度，螺紋在凸輪筒向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生屈服，是安全可靠的。在凸輪筒向下轉(zhuǎn)動(dòng)初始階段，螺紋最大應(yīng)力逐漸增加，在轉(zhuǎn)動(dòng)4圈后應(yīng)力達(dá)到最大值，此后隨著凸輪筒繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)應(yīng)力下降至0。

凸輪筒軸向力與螺紋最大Von Mises應(yīng)力關(guān)系曲線如圖8所示，可以看出螺紋部分所受最大Von Mises應(yīng)力與凸輪筒所受軸向力之間存在線性關(guān)系。

圖8 軸向力與螺紋最大Von Mises應(yīng)力關(guān)系曲線

3.3 密封膠圈

CADA工具中有很多密封部件，較重要的是端蓋與芯軸襯套之間的密封鋼圈，該鋼圈與O型橡膠圈組合實(shí)現(xiàn)密封功能。O型橡膠圈依靠自身彈性變形，在密封接觸面上產(chǎn)生接觸壓力進(jìn)行密封。本文將鋼圈、芯軸襯套假設(shè)為剛體，橡膠材料采用Yeoh模型定義橡膠的本構(gòu)關(guān)系，該模型應(yīng)變能函數(shù)如式(1)所示[13]。

(1)

式中：W為應(yīng)變能密度函數(shù)，MPa；C10、C01、D1為材料常數(shù)，MPa；I1、I2為Green應(yīng)變張量的2個(gè)主不變量；J為橡膠變形前后體積比。

從圖9～10可以看出，芯軸襯套與密封部件配合以及CADA工具下放到海水服役過(guò)程中，O型橡膠圈最大Von Mises均位于橡膠圈與卡槽倒圓接觸處。合理的預(yù)壓縮量是確保O型圈密封性能的關(guān)鍵參數(shù)。

圖9 芯軸襯套與密封部件配合后O型圈應(yīng)力云圖

圖10 加載流體壓力后O型圈應(yīng)力云圖

由圖11可以看出，O型圈最大接觸壓力隨預(yù)壓縮量增大先增大，在預(yù)壓縮量為1.4 mm時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)O型橡膠圈受擠壓產(chǎn)生更大的接觸壓力，隨后接觸壓力隨預(yù)壓縮量增加而減小，此時(shí)過(guò)大的預(yù)壓縮量導(dǎo)致O型橡膠圈產(chǎn)生畸變，降低了密封性能。因此，設(shè)計(jì)密封部件時(shí)要根據(jù)仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)慎重選擇預(yù)壓縮量，保證最佳密封性能。

圖11 預(yù)壓縮量對(duì)密封最大接觸壓力影響

由圖12可以看出，隨著CADA工具下放水深增大，O型橡膠圈最大Von Mises應(yīng)力不斷增大，對(duì)其密封性能產(chǎn)生影響。

圖12 O型橡膠圈最大Von Mises應(yīng)力隨水深變化曲線

4 結(jié)論

1) 鎖環(huán)撐開(kāi)與承載表層導(dǎo)管重力過(guò)程中最大Von Mises應(yīng)力點(diǎn)均位于鎖環(huán)開(kāi)口斜后方45°的齒部。鎖環(huán)在撐開(kāi)過(guò)程中橫剖面受力呈現(xiàn)中部小，兩端大的現(xiàn)象，承載導(dǎo)管重力后鎖環(huán)中部應(yīng)力增加，兩齒間部分應(yīng)力最小。

2) 凸輪筒向下旋轉(zhuǎn)撐開(kāi)鎖環(huán)過(guò)程中會(huì)受到鎖環(huán)反作用力的影響，使其在軸向受到向上的推力，該力隨其運(yùn)動(dòng)有先增大后減小的趨勢(shì)；凸輪筒所受軸向力將由螺紋部分承擔(dān)，螺紋向下轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中所受最大Von Mises應(yīng)力先增大后減小，且最大Von Mises有隨軸向力增加而線性增加的趨勢(shì)。

3) O型橡膠圈密封圈在液壓作用下與芯軸襯套間的接觸壓力有增大的趨勢(shì)，發(fā)生自密封作用，保證了其工作過(guò)程中的密封效果；但隨水深增加，最大Von Mises應(yīng)力也會(huì)逐漸增大； O型橡膠圈存在最佳預(yù)壓縮量，在設(shè)計(jì)該時(shí)應(yīng)慎重選擇預(yù)壓縮量以保證最佳密封性能。