水下基盘导向桩连接器设计与应用

任冠龙，余 意，黄 亮，张 崇，徐 斐

(中海石油(中国)有限公司 湛江分公司，广东 湛江 524057)

随着海上油气技术的持续发展，我国海上油气开发作业水深不断增加，部分深水海上油气田不能采用自升式钻井平台实施钻完井作业，目前多

数采用在预安装的水下基盘上进行预钻井的方案来进行开发[1-2]。水下钻井基盘作为海洋石油钻井作业使用的一种设备，从建造场地吊装运输到预定海域，并下放、安装到海底的井位处，受海洋气候和风浪流的影响极大[3]。以前下放基盘就位时，导向桩和导向绳一般作为1个整体下入和回收，导向绳和导向桩之间在水下不能够进行脱离或连接，面临每次作业必须导向绳和导向桩一起整体取出、整体下入的问题，两者在水下不能够进行脱离或连接，因此在钻井期间井口转换过程中，以及水下采油树下入完成之后都需要将导向绳连同导向桩一起回收，花费额外作业时间，且费用高昂[4-5]。

目前，国内关于水下基盘导向桩连接器的研究较少见诸报道，且以传统需要人工辅助的螺栓连接形式为主，导向桩和导向绳的水下自动快速连接还处于技术空白[6-8]。因此，为打破国外垄断，形成自主产权的水下基盘导向桩连接器，开展了新型水下基盘导向桩连接器的研制工作。所研制的连接器结构紧凑、操作简便，可实现导向桩和导向绳的水下自动快速连接，并在遇到紧急状况下迅速脱离。该工具的结构和性能已得到室内和现场试验验证，显著的提高作业时效、节省了作业成本，具有极大的推广应用价值。

1 水下基盘导向桩连接器结构

水下基盘导向桩和导向绳是海洋深水钻井的关键设备，两者连接可方便引导防喷器和水下采油树等装置的下入，水下基盘主要构件有井槽导向孔、导向桩及附件，主要作用包括引导钻具、承接水下井口装置及防喷器组、布置井距、辅助导管架对接定位等。

根据现场的使用要求，设计的水下基盘导向桩连接器结构如图1所示。该连接器主要由本体底座、心轴、壳体、卡脚顶销、环形套筒、卡脚锁块、高压弹簧、承载环和ROV专用开关工具等组成。导向桩连接器的中心轴下端通过螺纹与连接器底座连接，导向绳通过中心孔连接到心轴和连接器上。底座外壁上装有3个卡脚锁块，底座上开有装载12个高压弹簧的孔。承载环套在底座心轴外侧，并压住高压弹簧。环形套筒套在心轴的台肩上部和底座的外侧，内侧设有槽口，与底座外壁上的锁块相对应。环形套筒和心轴及底座的环形空间涂润滑油脂。

1-心轴；2-外壳；3-弹簧座；4-高压弹簧；5-环形套筒； 6-卡脚顶销；7-连接套筒；8-卡脚锁块；9-套筒底座。图1 水下基盘导向桩连接器结构示意图

2 工作原理

在现场需要脱开连接器与导向桩时，将专用开关工具固定在导向桩连接器的开关位置，通过液压驱动环形套筒向下移动，压缩高压弹簧，从而推动卡脚锁紧块横向进入套筒内侧凹槽，即可脱开连接；需要锁紧导向桩时，使用专用开关工具移开环形套筒，靠已储能的高压弹簧向上驱动承载环，使环形套筒向上移动，卡脚锁紧块被强行弹出即可锁紧。

水下基盘导向桩连接器可与导向绳进行连接固定，在下入前导向桩和连接器通过锁销进行锁紧。当钻完井过程中需要解脱导向绳时，只需通过ROV专用液压工具打开连接器锁销，实现连接器与导向桩之间解脱，而不用将整个导向桩回收至平台，也不需要潜水员来安装或者释放。

3 主要技术参数

水下基盘导向桩连接器外径为219.075 mm，总体长度为539.75 mm，心轴外径为31.75 mm，用于连接的钢丝直径为19.05～31.75 mm，整个工具能承受的最大拉力为222 460 N，释放压力为3.45 MPa，质量为81.2 kg。

4 关键结构力学分析

水下基盘导向桩连接器在水下作业过程中，其主要受钢丝绳作业拉力、外部海水压力、内部压力等影响，外壳、环形套筒、套筒底座等由于本身需要安装部分零件，在外部载荷及自身结构特性下，其局部可能出现应力集中。因此，连接器生产前需对上述关键部位进行力学性能分析。本文根据连接器实际承载特性，对主要受载的外壳、环形套筒、套筒底座进行了强度与安全分析。

4.1 理论分析

4.1.1 抗拉强度

根据水下基盘导向桩连接器主要部件的受拉特性，在进行强度分析时，各部件需满足抗拉强度要求[9]，即：

(1)

式中：σz为连接器部件的拉应力，MPa；F为部件的实际拉力，N；A为部件的最小横截面积，mm2；[σs]连接器各部件的许用拉应力 。

4.1.2 壁厚

对于水下外壳、环形套筒、套筒底座等，均可简化为薄壁管件。根据相关设计准则，在管体的壁厚δ

(2)

式中：δ连接器零部件的理论最小壁厚，mm；p为连接器整体设计承受的最大压力，MPa；D为零部件外径，mm；[σ]为设计温度下零部件材料的许用应力，MPa；φ为焊缝系数，对于无缝管间φ=1；C1为部件的腐蚀余量，mm；C2为部件壁厚制造偏差，mm。

4.1.3 内外压作用下部件强度理论

结合材料力学、弹性力学相关理论，对于受内外压力的管柱体，其任意半径处ρ的径向、环向应力的拉梅表达[10]为：

(3)

式中：σρ为管体的径向应力，MPa；σφ为管体的环向应力，MPa；ro为管体的外径，mm；ri为管柱的内径，mm；q1为管体的外压，MPa；q2为管体的内压，MPa。

根据第四强度理论[11]，管体的等效应力可表示为：

(4)

导向桩连接器各零部件的等效应力需满足各自材料的屈服应力。

4.2 仿真分析

由于导向桩连接器的外壳、环形套筒、套筒底座上均需根据需要开孔、安装其它零部件，开孔使得部件本体强度有了一定削弱。此外，孔洞处容易产生应力集中。基于此，在设计理论基础上，需对上述部件进行深入分析。

4.2.1 模型建立与加载

结合外壳、环形套筒、套筒底座理论设计及其实际结构图，应用SolidWorks分别进行实体建模，随后导入Workbench划分网格。相关零部件实物图如图2所示。通过Workbench后进行网格无关性检查[12]，确定的外壳、环形套筒、套筒底座网格模型如图3所示。

图2 导向桩连接器部件实物

图3 导向桩连接器部件网格划分

对于外壳、环形套筒、套筒底座的加载，主要根据水下基盘导向桩连接器极限工况进行加载，即在最大拉力、最大水深、最大内压等进行加载。根据设计要求，选取500 m水深进行阶梯载荷加载，最大内压根据现场某井最大测压31.8 MPa加压，最大拉力为222.5 kN(50 000 lbs)，环形套筒和套筒底座的弹簧力按最大压缩距离计算；根据实际安装形式对外壳、环形套筒、套筒底座的约束进行固定。同时结合外壳、环形套筒、套筒底座的材料，其最大屈服应力分别为630、930、930 MPa，泊松比为0.3，弹性摸量为2.06×105MPa。

4.3 有限元分析

根据上述的加载和约束形式，通过有限元分析获得的外壳、环形套筒、套筒底座结果分别如图4～6所示。

根据上述结果，导向桩连接器外壳的最大应力和最大变形均位于底部与套筒螺纹连接部位，最大应力为145.39 MPa，最小安全系数为4.33；最大变形量为0.13 mm，小于0.3 mm，最大应力和最小变形量均与现场实际相符，且都在工具安全的使用范围内，满足使用要求。

环形套筒由于不受拉力作用，其主要受工作压力、弹簧力、摩擦力及卡脚锁块的外推力影响，其最大应力为33.565 MPa，最大变形小于0.1 mm。

套筒底座在内外压、拉力、弹簧力及卡脚锁块推力等综合作用下，最大应力为251.61 MPa，最大应力峰值位于卡脚锁块安装槽两面连接处底部，该区域面积较小，应力分布趋势与弹塑性理论分析相符；

图4 外壳应力和变形图

图5 环形套筒应力和变形图

图6 套筒底座应力和变形云图

套筒底座的最大变形为0.086 mm，发生在套筒底座与芯轴连接端部，该处变形量较小，处于材料的弹性变形阶段，满足现场使用要求。后续加工过程中，针对孔端部的应力集中问题，通过倒角对相关结构进行了进一步的优化。

5 室内测试

在完成水下基盘导向桩连接器的结构设计及其强度校核后，根据现场作业需要，经过中国船级社技术人员反复研究和试验，对工具进行了加工和测试。根据工具的组成，其主要组装顺序为：

1) 先将心轴拧到工具底座的螺纹孔上。

2) 分别将3个卡脚顶销和3个卡脚锁块安装在底座上。

3) 将工具中部穿过心轴安装在底座上，再将12个高压弹簧装进弹簧孔，拧紧顶丝。

4) 最后将环形套筒套在心轴的台肩上部和底座的外侧。

最终完成加工的工具如图7所示。

图7 导向桩连接器实物照片

在完成导向桩连接器组装后，为了测试其使用性能，在室内实验室对工具进行了测试，测试主要包括钢丝绳(1.5in)的配套使用测试、提拉性能测试、导入测试、工具锁入导向桩测试、导向连接器释放测试等，部分测试图如图8所示。通过现场测试表明，工具满足基本设计需求，工作稳定，3.45 MPa(500 psi)压力下水下基盘导向桩连接器能稳定释放脱开。

图8 导向桩连接器现场测试图

6 现场应用

水下基盘导向桩连接器在完成室内测试后，该工具在崖城13-4气田3口井首次进行了应用，其后陆续应用于流花4-1、流花19-5、番禺35-1等钻井、水下采油树安装、修井等作业，现场使用效果良好，工具释放可靠性高，释放灵敏、快速。该工具在南海二号、南海五号等半潜式钻井平台完成超过20井次钻完井及修井作业，现场累计使用时间达888 d，作业安全顺利，显著地提高了作业效率。由于该装置结构紧凑、操作简便，后期在半潜式钻井船进行的钻完井作业中均可被使用，具有极大的推广应用价值。部分使用数据如表1所示。

表1 水下基盘导向桩连接器部分使用情况统计

7 结论

1) 针对水下基盘在钻完井作业中导向绳和导向桩必须整体取出、整体下入问题，研发了水下基盘导向桩连接器。该工具实现了导向绳与导向桩在海底进行快速连接和解脱，改变了以前只能将导向桩与导向绳起出水面才能解脱与连接的情况。

2) 对工具的主要结构、工作原理、设计理论进行了说明，并结合其极限工况，应用有限元软件对工具主要零部件进行了强度与变形分析，验证了工具的安全性。

3) 室内测试和现场应用表明，该工具结构紧凑、操作简便、可使用ROV液压工具进行操作，性能指标满足海洋钻井使用要求，大幅节省作业时间，降低作业风险，提高作业时效，节省费用。该工具还可应用于各种半潜式钻井平台下放基板及防喷器导向，下放采油树导向以及各种水下工程设备下放导向，具有极大的推广应用价值。