油管紧急脱离悬挂工具设计

张 凯,刘 健,邓 平,肖文生,崔俊国

(1.中国石油大学(华东)机电工程学院,山东 青岛266580;2.宝鸡石油机械成都研究中心,成都610091)

油管紧急脱离悬挂工具设计

张 凯1,刘 健1,邓 平2,肖文生1,崔俊国1

(1.中国石油大学(华东)机电工程学院,山东 青岛266580;2.宝鸡石油机械成都研究中心,成都610091)

分析了油管紧急脱离悬挂工具的设计要点;根据工具的总体设计方案,结合海上作业的特点,对工具主体结构和密封结构进行分析,并运用有限元软件对关键部位作力学分析。对作业效果分析表明:在油管下放过程遇到紧急情况时,使用工具悬挂住油管比直接回收油管节省大量时间。

油管;悬挂;工具;结构

水下完井作业的风险高、难度大。完井作业中油管是下放深度最深、下放时间最长、外径最细的管柱。同时,油管的下放也是水下卧式采油树系统安装[1]的重要环节。我国南海海域台风频发,在油管下放过程中,如遇到台风等紧急情况,若直接上提油管储存在甲板上,将耗费大量时间,且安全性低;运用油管紧急脱离悬挂工具可将已下放的油管悬挂于采油树内腔,既节省了宝贵的时间,又提高了安全性。

我国对于水下采油树配套工具[2]的研究尚处于起步阶段,国内海洋油气田[3]开采过程中多采用联合开采的模式,费用巨大。油管紧急脱离悬挂工具属于水下卧式采油树配套工具,对其进行设计研究可为我国独立研发水下采油树配套工具提供思路和参考。

1 设计要点[4]

1) 载荷 悬挂油管重力、弯曲载荷、压力载荷、径向载荷、环境条件载荷等。

2) 端部连接 油管紧急脱离悬挂工具端部接头螺纹应符合ISO10424。工具的送入回收接头应采用左旋上紧螺纹,右旋脱扣。此螺纹与其他部位的螺纹连接相反,以防止螺纹倒扣。

3) 工具尺寸 工具应有正确的结构和尺寸,与采油树内腔坐放台肩配合,其长度要求使上部体在防喷器[5]的全封闭闸板以下,同时使防喷器的中间闸板闸住中间承压管柱外径最小处。

4) 流体返流结构 工具流体返流结构的设计应将抽汲压力降到最低,便于工具的下放回收。

5) 密封结构 密封结构应该松紧适合,如果密封过紧,会引起很大的摩擦损失,降低机械效率,并使密封件的寿命降低;而密封过松,则压紧力不够,起不到密封的作用。

2 总体结构及工作原理

油管紧急脱离悬挂工具结构如图1所示。

图1 油管紧急脱离悬挂工具结构

在钻台上组装工具,通过下放钻杆将工具下放到采油树通道内坐放台肩上,关闭防喷器中间闸板,使其闸住中间承压管柱外径最小的一段,顺时针旋转钻杆使送入回收接头与工具的上部体分离;上提钻杆,关闭防喷器全封闭闸板,然后将下入的钻杆管柱回收到平台甲板上;钻井平台移位。紧急情况结束后,钻井平台归位,打开防喷器全封闭闸板和中间闸板,通过钻杆下放送入回收接头插入工具的上部体,逆时针旋转钻杆紧固联接,此过程中,防旋转键防止工具旋转。然后上提钻杆,回收工具,继续进行油管下放的作业。

3 主体结构简介

如图2～3所示,工具上部体的锥形口在送入回收接头插入时起到导向作用[6];工具的上部体和下部体都有返流结构,分别是返流槽和返流孔,降低抽汲压力。工具下放到位后,悬挂体位于采油树的坐放台肩上,悬挂住已下入的油管。下部体上均布3个防旋转键,键通过止动块和螺钉固定,在弹簧弹力的作用下弹出和压入。

图2 工具结构

图3 防旋转键

4 密封结构分析[7]

油管紧急脱离悬挂工具共需5个O形圈,送入回收接头和下部接头上分别有2个O型圈密封槽,悬挂体有1个O型圈密封槽。如图4所示。

图4 O型圈位置

O形圈安装后将受到挤压,通常用O形圈的压缩率ε来表示其被压缩程度:

式中:d0为O形圈断面直径,m;l为O形圈密封槽深度,m。

拉伸量的取值为1%～5%。表1给出了O型密封圈拉伸量的推荐值,可根据轴径的大小,选取O型密封圈的拉伸量。

表1 O型密封圈压缩率与拉伸量

根据表1的数据,运用直径法[8]设计密封槽。直径法就是由O形圈断面直径,减去相应动、静密封对应的ε值来确定密封槽的深度l和宽度b其中:

式中:β为密封槽宽度系数,取β=1.3。

油管紧急脱离悬挂工具的密封为圆柱外径密封,属于静密封,取ε=20%,送入回收接头和下部接头O型圈断面直径d0取1.9×10-3m,悬挂体O型圈断面直径d0值取2.0×10-3m,得出送入回收接头处和下部接头处的密封槽l1=1.52×10-3m,b1=2.47×10-3m;悬挂体处的密封槽l2=1.6×10-3m,b2=2.6×10-3m。

5 关键部位受力分析

由于油管紧急脱离悬挂工具在下放过程中主要受所悬挂油管的重力,下放到位后,所悬挂油管的重力集中在悬挂体的承压面上,工具中间的承压管柱最细且最长,因此应对中间承压管柱和悬挂体进行强度校核。

油管重力为:

式中:W为单位长度油管重力;R1为油管外径;δ为油管壁厚。

选择114.3 mm(42英寸)油管,长3 000 m的质量为66.93 t。假设工具下放过程受拉力全来自油管的重力,即F=669.3 k N。根据材料等级[4]选取工具的材料为20Cr Ni Mo,其屈服强度为785 MPa。对悬挂体和中间承压管柱进行有限元分析,如图5～6,得出悬挂体最大应力31.8 MPa,中间承压管柱最大应力为172 MPa,均符合强度要求。

图5 悬挂体应力云图

图6 中间承压管柱应力云图

6 作业效果分析

如图7～8所示,假设油管的上提速度v1,水深h1,井深h2,油管下放到泥线以下深度h3,发生紧急情况后,若上提全部油管,耗费的时间:

图7 油管下放示意

使用油管紧急脱离悬挂工具,钻杆的下放速度v2,上提速度v3,先将工具连接油管,下放到采油树内,然后脱离,上提钻杆耗费时间:

由于v1、v2、v3相差不大,可近似相等,所以当h3>h1时,t2

图8 油管紧急脱离悬挂工具座放到采油树内

7 结论

1) 对油管紧急脱离悬挂工具的设计要点进行了分析,阐明了工具的工作原理,确定了工具的总体结构方案。

2) 针对O型圈密封原理,运用直径法确定密封槽的深度l和宽度b。结合海上作业特点,对主体结构进行详细设计。

3) 为保证悬挂体和中间承压管柱的可靠性,运用Ansys进行了受力分析,对其强度进行了校核。计算结果表明:悬挂体和中间承压管柱满足强度要求,设计合理可靠。

4) 通过对作业效果进行分析,在油管下放过程遇到紧急情况时,使用油管紧急脱离工具可节省大量时间。

[1] Moreira J R F,Johansen T E.Installation of subsea trees in Roncador field,at 1800 m water depth using the drill pipe riser[R].OTC 13256,2001.

[2] Voss R,Moore T.Subsea tree installation,lessons learned on a West Africa development[R].OTC 15371,2003.

[3] 赵洪山,刘新华,白立业.深水海洋石油钻井装备发展现状[J].石油矿场机械,2010,39(5):68-74.

[4] Yong Bai,Qiang Bai.Subsea Engineering Handbook[M],Gulf Professional Publishing,2012:736-742.

[5] Lafitte J L,Perrot M,Lesgent J,et al.Dalia Subsea Production System:Presentation And Challenges[R].OTC 18541,2007.

[6] Thomas P Kelly,Richard H Strauss.Agbami Field Development:Subsea Equipment Systems,Trees,Manifolds and Controls[R].OTC19919,2009.

[7] 张念生.O型密封圈的密封机理与选用[J].宁夏机械,2012(2):31-33.

[8] 王启明,谭定,王茁,等.水下作业工具系统[J].机械工程师,2004(8):65-67.

[9] Stephen J Rowe,Brian Mackenzie,Richard Snell.Deepwater installation of subsea hardware[R].Proceedings of the 10th Offshore Symposium,2001.

Design of Emergency Production Tubing Hang-off Tool

ZHANG Kai1,LIU Jian1,DENG Ping2,XIAO Wen-sheng1,CUI Jun-guo1
(1.College of Mechanical and Electronic Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China;2.Baoji Oilfield Machinery Chengdu Research Center,Chengdu 610091,China)

Analysis of the emergency production tubing hang-off tool design elements was made,according to the tool’s design scheme that combines the characteristics of offshore operations,the main structure of the tool and sealing structure were designed and analyzed,using finite element software for mechanical analysis of key parts.Effect on operation analysis shows that the in a rig emergency using the tool will save a lot of time.

tubing;hang;tool;structure

TE952

A

1001-3482(2014)02-0051-04

2013-08-31

国家高技术研究发展计划(863计划)“水下卧式采油树系统研制(1期)”(2012AA09A204);研究生创新工程资助项目“水下采油树下放回收工具的设计研究”(CX2013052)

张 凯(1990-),男,山东胶州人,硕士研究生,主要研究方向为海洋石油装备,E-mail:jackupc@163.com。