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，我們自行設計了一種液壓式油管懸掛器。在此，介紹油管懸掛器的總體設計、安裝與流程設計等，并通過三維仿真模型對其關(guān)鍵構(gòu)件的強度進行有限元分析。

1 液壓式油管懸掛器總體設計

1.1 設計原則

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

(1) 確保鎖緊機構(gòu)操作有序。在油管懸掛器完成定位之前，鎖緊機構(gòu)不能進行操作，以免過早地將油管懸掛器鎖定在采油樹本體內(nèi)而導致定位機構(gòu)和密封機構(gòu)失效；同時，鎖緊機構(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) 確保機構(gòu)定位準確。定位機構(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齊，電液穿越器連接組件與電液穿越器對齊。

1.2 液壓式油管懸掛器結(jié)構(gòu)設計

依托威飛海洋裝備制造有限公司水下采油樹項目，應其需求設計了一款與采油樹配套的液壓油管懸掛器。采油樹采用133/8的標稱尺寸，額定壓力約為1×104psi(≈70 MPa)，材料級別為HH級；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)腔的預留卡槽內(nèi)[6]。

按照水下采油樹的結(jié)構(gòu)及API 17D標準的要求，設計了圖1所示液壓式油管懸掛器，其中主要對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。與機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

機械式油管懸掛器的鎖定和回收，依靠取送工具的機械推力或拉力；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)件包括鎖緊機構(gòu)、密封機構(gòu)與定位導向機構(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 液壓式取送工具設計

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。液壓式取送工具應具備以下功能：

(1) 對油管懸掛器進行定位導向。

(2) 對油管懸掛器接頭進行密封連接。

(3) 對油管懸掛器目標位置進行鎖定，如鎖定到目標井口或目標采油樹。

(4) 對油管懸掛器安裝到位后的狀態(tài)進行監(jiān)測。

(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/解鎖機構(gòu)、定位機構(gòu)組成。其中，鎖緊/解鎖機構(gòu)由上部活塞、下部活塞、驅(qū)動環(huán)、鎖緊環(huán)、保持環(huán)、密封筒等部件組成，通過該機構(gòu)可完成取送工具本體與油管懸掛器的鎖緊與解鎖動作。通過定位機構(gòu)，可精準對接取送工具上的液壓對接器與油管懸掛器上的液壓對接器[7]。

如圖2所示，將液壓式取送工具的腔室分為4個，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計

2.1 安裝流程

在實際操作當中，液壓式油管懸掛器的安裝過程至關(guān)重要。其安裝流程設計如下：

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

(2) 對接液壓式取送工具與油管掛，對接完成后向THRT鎖緊腔進行打壓，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，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部件出現(xiàn)問題，就有可能需要回收液壓式油管懸掛器?；厥樟鞒淘O計如下：

(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)有限元強度分析

根據(jù)油管懸掛器的設計原則，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。鎖緊環(huán)作為油管懸掛器與采油樹樹體的重要密封部件，在油管懸掛器的應用中有著不可或缺的作用。為了保證油管懸掛器的強度和可靠性，需對鎖緊環(huán)的內(nèi)壓強度、外壓穩(wěn)定性、鎖緊機構(gòu)鎖緊可靠性進行分析。

3.1 對接三維模型的建立

應用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)。設定條件為：鎖緊環(huán)為完全軸對稱安裝，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算量，從這些三維模型中提取所需模型的半邊進行分析，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)設定為0.1。模型驗收準則是，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)水下采油樹的實際應用需求及API 17D標準的要求，選用相關(guān)材料[8]。其中：采油樹的樹體選用F22合金，最小屈服強度為517 MPa(75 ksi)；油管懸掛器選用MS-1024鋼，最小屈服強度為552 MPa(80 ksi)；鎖緊環(huán)選用MS-1007鋼，最小屈服強度為724 MPa(105 ksi)；坐封環(huán)選用MS-1007鋼，最小屈服強度為724 MPa(105 ksi)。

3.2 鎖緊環(huán)強度的有限元分析

本次分析當中，對大部分零件采用掃掠法進行網(wǎng)格劃分，對其余少數(shù)零件采用多域掃掠法進行網(wǎng)格劃分。有限元模型的節(jié)點總數(shù)為345 372個，單元總數(shù)為306 194個。

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，先后達到臨界接觸工況和最大壓力工況；而在實際工況下，鎖緊環(huán)還會受到環(huán)空壓力的作用[9]。在此，應用Abaqus 工作臺對鎖緊環(huán)在不同工況下的受力情況進行有限元分析。

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]。對耦合點施加位移，并使坐封環(huán)向下移動，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。當坐封環(huán)下降高度為0.073 m時，反作用力達到最大值(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大于9 641.23 N。當鎖緊環(huán)受到的坐封環(huán)壓力達到臨界接觸工況時，其應力變化如圖4所示。

圖4 臨界接觸工況下的鎖緊環(huán)應力云圖

仿真結(jié)果顯示，所有部件的應力均小于屈服強度，在臨界接觸工況下裝配體中各部件的最大應力如表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，則可以通過運行此負載計算出裝配總成中的應力。

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

圖5 最大壓力載荷下的鎖緊環(huán)應力云圖

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

在實際工況下，鎖緊環(huán)會受到環(huán)空壓力的作用。當環(huán)空中有壓力時，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)空壓力時的情況。在最大環(huán)空壓力工況下，裝配體的應力變化如圖6所示。

圖6 最大環(huán)空壓力下的裝配體應力云圖

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

圖7 最大環(huán)空壓力下的鎖緊環(huán)應力云圖

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

4 結(jié) 語

根據(jù)實際項目需求設計了一種液壓式油管懸掛器。本次設計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，在復雜水下環(huán)境中的可操作性較強，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)域都在屈服強度要求范圍之內(nèi)，滿足密封鎖緊要求。雖然在個別區(qū)域存在應力大于屈服強度的情況，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，但不會影響鎖緊環(huán)的正常使用。