小直径井下工具用新型锁紧机构设计

陈晓军，何莎莎，米凯夫，王兴燕，于兴胜(中国石油集团钻井工程技术研究院 北京石油机械厂，北京 102200)

小直径井下工具用新型锁紧机构设计

陈晓军，何莎莎，米凯夫，王兴燕，于兴胜
(中国石油集团钻井工程技术研究院 北京石油机械厂，北京 102200)

针对小直径桥塞类井下工具设计空间狭小的现实，设计了一种结构较紧凑的锁紧结构，能实现锁紧和解锁功能，使其适用于可打捞类井下工具。根据当量摩擦因数的理论，对锁环的齿牙和压紧锥面的角度关系进行分析，得出锁环自锁的基本条件是锁环压紧锥面的锥角α应小于齿牙齿前角的倾角β。根据锁环和锁环座的结构特点，计算出解锁时所需满足的几何条件。经试验验证，该锁紧机构能实现设计的功能，并具有较强的承载能力。该锁紧机构的结构为过油管类钢丝电缆桥塞或堵塞器的研制提供有益的支持，可拓展油管压力控制工具的应用范围，具有良好的推广应用前景。

井下工具；锁紧机构；结构；设计

锁紧机构是可打捞类电缆桥塞的最重要的组成部分之一，其作用是在桥塞坐封后起到防止密封元件松弛回弹，以及在长期承受环空高压情况下仍具有较强的锁紧承载能力，确保管内密封的长久可靠性[1-2]。同时，在需要起出桥塞时，可以通过打捞工具解除桥塞的锁紧状态，进而打捞出工具。

典型的锁紧装置有斜坡卡簧锁紧装置、双面螺纹卡簧锁紧装置、卡瓦-卡簧组合式锁紧装置等[3-4]。这些锁紧装置的卡簧与卡簧座都带有棘齿，并且卡簧为C形，具有弹性。在坐封过程中，卡簧上的棘齿可以在卡簧座的棘齿上单向滑动，坐封完成后棘齿相互啮合，实现反向锁紧。在解封时需要剪断固定卡簧座的销钉，以便解除锁紧装置的锁定。这类锁紧结构的设计需要面临一些现实的问题。首先就是卡簧要具有一定的弹性。在使用电缆坐封工具时，所能提供的坐封力是有限的，为使卡簧在有限的坐封力下能获得较大弹性变形量，前提是卡簧弹性部分的外径需要尽量大，而壁厚又需要尽量薄，卡簧棘齿也不能太高。在井筒尺寸的限制下，卡簧的结构强度，以及棘齿的承载能力也就相对较低。

同时，为使可打捞工具易打捞，所需要的解封力越小越好，而这又与锁紧装置棘齿的承载能力需求互相矛盾。为实现工具的可打捞，只有牺牲棘齿的承载能力。

上述解决方法不仅降低了锁紧机构的承载能力，更限制了可打捞类工具的应用范围。尤其不适用于小直径油管用高压内封堵工具。这类工具外形尺寸小，卡簧金属材料更加无法作到弹性与强度的兼顾。

综上所述，传统的锁紧装置结构已成为制约小直径油管用高压内封堵工具发展的瓶颈，进而成为带压作业技术发展的瓶颈。因此，从提高我国带压作业能力的角度出发，迫切需要一种新结构的锁紧装置，以提高内封堵工具的技术水平。另外，该结构应具有一定的通用性，可根据需要扩展应用于多种规格的封堵工具中，为管柱内封堵工具的设计提供一种新结构、新思路。

1 技术分析

对于小直径桥塞类井下工具，坐封与解封操作通常是使用钢丝或电缆工具进行的。由于钢丝和电缆的柔韧性，使得这些操作仅能通过简单的上击和下击来实现。而且，为了上、下击操作不影响桥塞的功能，桥塞上用于上、下击操作的结构应该互不干扰或者尽可能唯一。

为使新锁紧机构具有坐封时单向可动、反向锁紧的功能，棘齿类功能必须保留，为此设计了锁环和锁环座结构。解封时，反向需要解除锁紧。为使锁紧部件获得较强的承载能力，锁紧机构的解锁力需要与承载能力分离。通过剪钉控制解锁力，将承载力通过锁环座作用在支撑面上的方式可实现此目的。

在锁环棘齿错动的过程中，锁环需要弹性变径。由于小直径工具的外形尺寸小，留给锁环的尺寸空间更小，传统的C形整体式卡簧结构无法做到小尺寸、弹性与强度的完美结合。因此，将新锁环设计为分瓣结构，并通过一个C形片簧将它们固定在一起。这样，在保证锁环棘齿功能的前提下，可使锁环各瓣强度提高，同时又具有可变径的弹性。

2 结构设计

基于上述分析，设计的锁紧机构如图1所示。该机构由心轴、剪销、衬套、锁环、C形片簧、锁环座、支撑套组成。

1—心轴；2—剪销；3—衬套；4—锁环；5—C形片簧；6—锁环座；7—支撑套。图1 锁紧机构结构示意

心轴的外圆上有沿轴向均布的等腰三角形齿。锁环的内表面有与心轴三角形齿相同的内齿，外表面的下端有圆锥面，外表面上有一圈圆环槽。锁环按圆周方向均分为三瓣，外部圆环槽内用C形片簧箍住。锁环座为圆环形，其内表面有与锁环圆锥面配合的内锥面，锁环座按圆周方向均分为四瓣，安装时固定在衬套内并坐于支撑套内端面上，衬套与支撑套间使用剪销固定。

坐封时，心轴受坐封力的作用向上移动，使锁环上端面与衬套内孔端面接触。在齿面间力的作用下，锁环向外撑开，进而使啮合的齿面脱开，实现心轴的移动。坐封结束时，心轴带动锁环回弹，直至锁环外锥面与锁环座内锥面接触时，锁环与心轴抱紧，实现锁紧。此时，管内压差作用在心轴上所产生的向下的力，通过锁环座作用在支撑套上，剪销处不受力。因此可以承受较大的轴向力。

解封时，使用钢丝电缆工具提拉衬套，向上震击剪断销钉，使衬套上移。此时，锁环座的径向失去约束，锁环和锁环座可以沿径向向外扩径。上提支撑套推动锁环即可使锁环向外撑开，进而使啮合的齿面脱开，实现心轴的解锁。

3 关键技术

锁环在锁紧状态下的受力如图2所示。轴向力W作用在锁环外锥面与锁环座之间的径向分力Q将锁环内齿与心轴压紧。为避免轴向载荷作用下锁环内齿与心轴外齿间滑脱，应使其间的摩擦力大于轴向力W，即：

QfD>W

(1)

式中：fD为内齿面接触的当量摩擦因数[5]。

图2 锁环受力示意

根据锁环外锥面上受力平衡方程可以推出由轴向力W引起的径向载荷Q为[6]：

(2)

式中：α为外锥面锥角；φ为锁环锥面摩擦角。

由内齿面的受力平衡方程可以推出内齿面接触的当量摩擦因数fD为[7]：

(3)

式中：θ为齿前角；f为锁环与心轴间摩擦因数。

将式(2)、(3)代入式(1)得：

(4)

即：

(5)

图3 锁环单个齿牙牙形角

4 几何条件

锁紧机构解锁时锁环和锁环座会沿径向向外扩张，定义锁环和锁环座的径向最大位移量为ΔR，支撑套内孔径为R，锁环座最大外径为r，则满足解锁所需的基本几何条件是：

R≥r+ΔR

(6)

锁环和锁环座的径向位移量ΔR由锁环座位移量ΔB和锁环齿间错动引起的锁环位移量ΔB′组成。即：

ΔR=ΔB+ΔB′

(7)

为研究锁环与锁环座在解除锁定时的径向位移量，建立三维坐标系，取心轴轴线方向为z轴，锁环与锁环座径向方向为x轴和y轴方向，坐标原点定位于支撑面与心轴轴线交点上。锁环座径向位移如图4。

图4 锁环座径向位移示意

由结构分析可知，解锁过程中锁环座切口面上的T点为与锁环外锥面始终保持接触的点。以T点为研究对象，计算锁环座径向最大位移量ΔB。

由图4知锁环座T点在坐封状态和解封状态时的位置：

x1=(z1-z0)cotδ+x0

(8)

x2=z1cotδ+x0

(9)

式中：x1为坐封状态锁环座T点径向位置；x0为坐封状态锁环下端面径向位置；z1为锁环座高度；z0为坐封状态锁环下端面轴向位置；x2为解封状态锁环座T点径向位置；δ为锁环座锥面与径向夹角。

由于锁环座与锁环的切口角度不同，锁环座处于锁环不同位置时的径向位移量也不同，处于如图5所示的对称位置时，沿y轴方向的径向位移最大。

图5 锁环座径向位移俯视

由图5知锁环座T点坐封状态时径向位置为：

(10)

T点解封状态时径向位置为：

(11)

锁环座径向最大位移量为：

ΔB=B1-B

(12)

锁环内齿错动引起的径向位移如图6所示。解锁过程中锁环切口面上的P点为与心轴齿面始终保持接触的点，以P点为研究对象，计算锁环径向最大位移量ΔB′。

图6 锁环内齿错动位移俯视

由图6知锁环P点坐封状态时径向位置为：

(13)

P点解封状态时径向位置为：

(14)

式中：C为锁环内径；h为锁环、心轴的锁齿高。

锁环径向最大移动量为：

ΔB′=B3-B2

(15)

将式(12)、(15)代入式(7)即可求出锁环和锁环座的径向位移量。再根据式(6)判断解锁几何条件是否满足。

5 试验验证

北京石油机械厂研制的新型锁紧机构安装在自制的73.0 mm(2英寸)电缆桥塞上进行试验(如图7)。丢手力40 kN时成功丢手，卡瓦和胶筒成功压缩并无大位移回弹。整体试压40 MPa，换算锁环承压120 kN，锁紧机构齿间无滑脱。解锁力9.5 kN时成功解锁。

a 电缆桥塞

b 桥塞试压

6 结论

1) 该锁紧机构能实现可回收工具坐封时锁紧防退的功能，并且在需要解封时可以通过简单的上提操作实现解封。

2) 所采用的分瓣锁环加C形片簧的结构，在保证锁环静结构强度的基础上，还可以实现锁环各瓣间的同步张开和回收，保障了锁紧机构的功能实现。

3) 锁环外锥面的锥角要小于锁环内齿面的齿倾角，才能保证承载时棘齿齿面不滑脱。

4) 该锁紧机构具有结构紧凑、坐封力小、承载力均衡、承载能力强、解锁力小的优点，适用于小直径桥塞类工具。

[1] 张伯年，李海金．封隔器理论基础与应用[M]．北京：石油工业出版社，1983.

[2] 周晓军，段志明，赵磊，等.封隔器锁紧机构关键几何参数分析[J].石油机械，2014，42(4)：90-93.

[3] 朱和明，吴晋霞，杨德铠，等．封隔器锁紧装置关键技术分析[J]．石油矿场机械，2013，42(3)：80-84.

[4] 张燕平，王大江.可取式桥塞及其结构设计原则[J].江汉石油职工大学学报，2011，24(5)：48-50.

[5] 孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理[M]．北京：高等教育出版社，2013.

[6] 赵远纲，卡瓦式封隔器的受力分析与理论计算[J].石油钻采工艺，1983，10(2)：68-72.

[7] 高胜，刘跃宝，常玉连，等.卡瓦牙板重要几何参数分析[J].石油机械，2010，38(2)：80-84.

Locking Mechanism Design of Small Diameter Downhole Oil Tools

CHEN Xiaojun，HE Shasha，MI Kaifu，WANG Xingyan，YU Xingsheng
(BeijingPetroleumMachineryCo.，DRI，CNPC，Beijing102200，China)

In view of the fact that the design space of small diameter packer is narrow，a locking structure with compact structure is designed，which can realize the function of locking and unlocking.This structure especially suits the fishable downhole tools.Based on the equivalent friction coefficient theory，the relationship between the teeth and the pressing ring cone angle are analyzed.The conclusion is made that the cone angleαwhich the lock ring compacts the pyramidal face should be less than the tooth rake angleβ.According to the structural characteristics of the lock ring and the lock seat，the geometric conditions are calculated when unlocking.The test results show that the locking mechanism can achieve the function of the design，and there is a strong bearing capacity.The structure of the locking mechanism provides beneficial support for the development of an oil pipeline cable bridge plug or a plug，and can expand the application range of the oil pipe pressure control tool in our country，and has good popularization and application prospect.

downhole tools；locking mechanism；structure；design

2016-12-01

中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目“重大工程关键技术装备研究与应用”子课题“高压气井试油测试与带压作业装备研制”(2013E-3806)

陈晓军(1979-)，男，高级工程师，硕士，2005年毕业于大庆石油学院，现从事石油钻采设备的设计工作，E-mail：chenxj7@126.com。

1001-3482(2017)03-0050-05

TE921.903

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.011