GDS-114液压滑套式安全接头力学分析及试验*

黎 敏，刘永恒，王 玺，吴永胜，马文宗

(长庆油田分公司机械制造总厂，陕西 西安 710201)

0 引 言

近年来，长庆油田在单井产量和经济效益提高的同时，井况日趋复杂，呈现多样性、不确定性等特点，常遇到砂卡、封隔器卡等卡钻事故，管柱在井内无法正常上提下放或者旋转，不仅影响工具使用，而且可能导致管柱废弃，给产建单位带来巨大经济损失。因此，能起到脱开工具管串、顺利起出油管的安全接头有着不可替代的、重要的作用。

目前国内油气田使用的安全接头主要有倒扣式和滑套式安全接头，两者从结构、原理、适应范围皆有不同。倒扣式安全接头为防止中途自行脱开，卡爪与下接头的螺纹配合通常用管钳装配以保证一定的预紧力，导致使用时工具脱开难度大，容易发生粘扣或是从其他螺纹处脱开的现象，可靠性差，另外对于如有特殊工艺要求或井下条件限制管串无法旋转的情况倒扣式安全接头无法适应。相对于倒扣式安全接头存在的局限性和缺陷，滑套式安全接头结构简单，操作方便、可靠，解决了管串无法旋转等特殊情况而不能采用常规倒扣方式进行丢手的问题，并且能与分层压裂、分层酸化、测试管串等多种井下工具配套组合，适应性强。

通过分析GDS-114液压滑套式安全接头(以下简称GDS-114安全接头)工作原理和不同工况下的受力情况，建立了销钉剪断、卡爪丢手力学模型，推导了滑套开启压力、释放卡爪所需上提拉力和整体最大许用拉力计算公式，计算了工具的理论施工参数，为安全接头进一步改进和优化提供参考依据。

1 结构及工作原理

GDS-114安全接头结构如图1，它由上接头、卡爪、卡爪套筒、钢球、滑套、下接头以及若干密封件组成。上接头与卡爪、下接头与卡爪套筒均采用螺纹连接并设置2道O型密封圈密封。

图1 GDS-114液压滑套式安全接头结构 1.上接头 2.卡爪 3.O型密封圈A 4.钢球Ф58 5.O型密 封圈B 6.剪切销钉 7.滑套 8.O型密封圈C 9.卡爪套筒 10.O型密封圈D 11.下接头

卡爪通过弹性分瓣爪结构与卡爪套筒嵌在一起，滑套安装在卡爪内孔中，并通过剪切销钉与卡爪连接在一起，同时滑套上端设置4道O型密封圈密封，下端支撑卡爪防止弯曲回缩导致意外丢手的事故发生。使用时，将上、下接头与27/8″油管螺纹连接，工具整体结构简单、合理。

GDS-114安全接头主要技术参数如表1，工作时向油管内投球，钢球坐于滑套密封面，随后向油管内加压，滑套在油管压力作用下剪断销钉，下行至卡爪孔内支撑锥面。由于卡爪不再受滑套约束，上提管柱使卡爪在卡爪套筒内径向收缩变形，直至卡爪与卡爪套筒分离脱开。

表1 GDS-114液压滑套式安全接头技术参数

2 滑套开启压力计算

卡爪加工有8个均布的销钉孔，滑套上端与之对应地加工有销钉槽，利用剪切销钉将滑套和卡爪固定。工作时在油管内投球，钢球坐于滑套60°支撑锥面上，与油管形成密封腔。往油管泵注液体憋压到一定的压力，在压差作用下滑套剪断销钉并下行。

如图2所示，忽略下端压力影响，控制滑套下行需要克服销钉的剪断阻力和O型密封圈的摩擦阻力。由剪应力强度条件有：

(1)

O型密封圈与刚体之间的摩擦力较小，一般由下式进行估算[1]：

(2)

将式(2)代入式(1)整理后可得：

(3)

式中：P为滑套开启压力，MPa；n1为O型密封圈个数；Ff1为单个O型密封圈对滑套产生的摩擦力，N；n2为剪切销钉个数；d1为开启滑套的有效作用直径，mm；d2为销钉小头直径，mm；τ为销钉抗剪强度，取抗剪强度等于0.65倍抗拉强度(取600 MPa[2])即390 MPa。

将GDS-114安全接头销钉和滑套数据代入式(3)计算，可得销钉个数与滑套开启压力之间的关系见表2。

表2 销钉个数与滑套开启压力关系表

现场使用时可根据实际情况调整剪切销钉安装的个数。

3 释放卡爪所需上提拉力计算

卡爪铣有5个均布槽，加工成弹性分瓣爪结构如图3所示，装配时将分瓣爪嵌入卡爪套筒凹槽中，然后通过中间的滑套支撑以防止卡爪回缩。当剪切销钉剪断后，滑套下行并坐于卡爪孔内支撑锥面，此时上提管柱给予一定的上提拉力，受力情况如图4所示，分瓣爪由于不再受滑套约束将沿着承载面径向收缩变形，直至脱开卡爪套筒，将卡爪套筒、下接头及后面的工具串置于井内。

图2 剪切销钉力学模型 图3 卡爪结构模型

单独分析卡爪的一个分瓣爪，其收缩变形可以简化为变截面悬臂梁在拉力作用下的弯曲挠度。为建立卡爪丢手力学模型，现做如下假设：

(1) 忽略剪力影响，假设分瓣爪在线弹性范围内小挠度平面弯曲。

(2) 不考虑安全接头自重影响。

(3) 工作时，分瓣爪与卡爪套筒接触面积不变。

分瓣爪在压力N和摩擦力Ff2作用下径向弹性变形，受力情况如图4所示。将分瓣爪所受载荷分解为水平方向力Fx和竖直方向力Fy，其中Fx平衡上提拉力，Fy使分瓣爪径向收缩[3]，受力和变形情况如图5所示。

图4 卡爪丢手力学模型 图5 分瓣爪弯曲变形

根据悬臂梁挠度计算公式[4]，B点挠度和C点的挠度为：

(4)

(5)

n3个分瓣爪同时收缩所需上提拉力为：

f1=n3(Nsinβ+ff2cosβ)

(6)

分析分瓣爪AB段任意一截面，该截面形状及结构尺寸如图6所示[5]。

截面重心S到圆环中心的距离为：

(7)

图6 分瓣爪截面形状及结构尺寸

截面对z10轴的惯性矩为：

(8)

根据平行移轴定理，截面对z1轴的惯性矩为：

Iz1=Iz10-Ays2

(9)

其中：

ff2=fN

(10)

fy=Ncosβ-ff2sinβ

(11)

(12)

联立式(7)～ (9)、(12)，有：

(13)

联立式(4)～(6)、(10)～(11)，有：

(14)

(15)

整理式(13)～(15)，并代入GDS-114安全接头卡爪数据得：

F1=14.93 kN (即1.52吨力)

yC=3.76 mm<5 mm (滑套空位槽深，即C点最大允许挠度)

式中：yB为释放卡爪瞬间B点的挠度(即B点径向收缩变形量)，mm；yC为释放卡爪瞬间C点的挠度，mm；l1为分瓣爪AB段长度，mm；l2为分瓣爪BC段长度，mm；E为弹性模量，取E=210 GPa；Iz1为分瓣爪AB段截面惯性矩，mm4；Fy为分瓣爪受竖直方向力，kN；F1为释放卡爪所需上提拉力，kN；n3为分瓣爪个数；N为分瓣爪受到的压力，kN；Ff2为分瓣爪受到的摩擦力，kN；β为分瓣爪承载斜面角度(角度制)；f为动摩擦因数，无润滑情况钢对钢一般在0.15～0.25，这里取f=0.17；ys为截面重心S到圆环中心的距离，mm；d3为分瓣爪AB段外径，mm；d4为分瓣爪AB段内径，mm；α为分瓣爪弧心角的一半(角度制)；Iz10为不考虑重心影响时分瓣爪AB段截面惯性矩，mm4；A为分瓣爪AB段截面面积，mm2。

4 整体最大许用拉力计算

GDS-114安全接头除要求丢手性能安全可靠，还要求在设计时保证滑套未开启时能够承受下部管柱重量[6]。分析图1可知，卡爪厚度最薄处即图4中AB段为该安全接头抗拉薄弱点。根据强度条件有：

(16)

其中：

(17)

联立式(12)、(16)～ (17)，有：

(18)

将GDS-114安全接头卡爪数据代入式(18)计算得：

F2<9.84×105N (即100.41吨力)

式中：F2为整体最大许用拉力，N；[σ]为卡爪许用拉应力，MPa；σs为屈服强度，取930 MPa；ns为安全系数，取1.5。

5 室内试验

5.1 压力试验

压力试验在长庆油田分公司机械制造总厂进行，利用WYC-B微机高压测试系统V2.00对GDS-114安全接头压力试验数据进行采集。试验分两次进行，第一次为70 MPa压力试验，用以验证安全接头的密封性能，试验结果为：70 MPa稳压10 min，压降0.6～0.71 MPa；第二次为剪切试验，试验结果：滑套开启压力15.6～16.8 MPa(6个销钉)，与理论值比较，相对误差在-3.9%～3.5%。

5.2 拉力试验

拉力试验在咸阳三隆恒力机械有限公司进行，利用该公司自制的拉力试验机对GDS-114安全接头进行了拉力试验。

试验分两次进行，第一次为整体强度试验即滑套不开启状态下100 t拉力试验，用以验证安全接头的整体抗拉能力，试验结果为：108吨力(工具未出现破坏)；第二次为丢手试验，即滑套开启状态下拉力试

验，试验结果为1.6吨力，与理论值比较，相对误差在5.3%。

6 结 论

(1) 建立了GDS-114安全接头力学模型，推导并计算了滑套开启压力、释放卡爪所需上提拉力以及整体最大许用拉力。

(2) 理论计算结果与试验实测数据较为接近，其中滑套开启压力相对误差在-3.9%～3.5%，释放卡爪所需上提拉力相对误差在5.3%，都在工程允许范围内，同时滑套不开启状态下工具在108 t拉力载荷作用下未发生破坏。该研究内容可作为同类型安全接头设计的参考依据。

[1] 王禾丁，谷开昭，朱爱萍.液压丢手工具丢手压差的设计计算[J].石油矿场机械，2002，31(2):41-43.

[2] 机械设计手册编委会. 机械设计手册[M].第1卷.北京:机械工业出版社，2008.

[3] 韩成才，苗 亮.连续管作业用液力释放式打捞器设计[J].石油机械，2015(7):97-100.

[4] 机械设计手册联合编写组.机械设计手册[M].(上册第一分册).北京:化学工业出版社，1987.

[5] 刘传刚，包陈义，鞠少栋，等.海上完井滑套开关工具弹性爪机构性能研究[J].石油机械，2014，42(6):81-83.

[6] 赵广民，王治国，赵敏琦，等.分段压裂用双功能丢手工具研制[J].石油矿场机械，2013，42(6):81-83.