王宴濱,張廣瑞, 高德利, 辛世琳

(中國石油大學(北京) 石油工程教育部重點實驗室，北京 102249)

深水表層導管噴射安裝是水下井口建立的關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)。在導管噴射安裝過程中，送入管柱需依靠深水表層連續(xù)鉆進送入工具(Cam Actuated Drill-Ahead, CADA)連接低壓井口和表層導管，實現(xiàn)一趟管柱完成導管噴射安裝和“一開”井眼鉆進2個過程。CADA工具是導管噴射安裝過程中的核心工具，對其進行力學特性分析，以確保安全可靠工作，對于確保表層導管順利噴射安裝具有重要意義。

目前，雖然對CADA工具進行了部分研究，但是通常將CADA工具簡化為管柱，或?qū)ζ渲心骋徊考M行力學分析，對CADA工具服役過程中的其他核心部件研究少有報道。本文在已有研究基礎(chǔ)上，對CADA工具核心部件的工作原理及力學性能進行分析，對于該工具的安全可靠服役及其國產(chǎn)化研制具有指導意義。

1 CADA工具研究簡述

長期以來， CADA工具的技術(shù)和市場被國外的Dril-Quip、FMC、Vetco等公司壟斷。

1) Dril-Quip公司的CADA工具有762 mm(30英寸)與914.4 mm(36英寸)2種尺寸，可以通過鉆桿旋轉(zhuǎn)鎖緊或解脫表層導管，由減磨軸承表面來承受拉伸和彎曲載荷，通過J型槽實現(xiàn)芯軸與芯軸襯套的分離施工。該工具無額定水深工作要求，無需液壓驅(qū)動[1]。

2) FMC公司的CADA工具采用模塊化設(shè)計，既可單獨使用，也可與其他模塊配套使用，減少了下放與測試工具的使用，使UWD系列水下井口系統(tǒng)安裝更加高效可靠[2]。

3) Vetco公司MS系列的CADA工具采用了雙錐形套筒結(jié)構(gòu)，可大幅提高該工具的彎矩承載能力與抗疲勞損傷能力，其導管連接器采用一種預加載荷的高強度連接器，使用雙頭螺紋可在轉(zhuǎn)動不到1圈的過程內(nèi)完成組裝[3]。

近年來，我國逐漸重視深水油氣開發(fā)相關(guān)裝備的國產(chǎn)化研制。闞長賓[4]研制了1套破土模式自適應性CADA工具，并根據(jù)實際工況條件，建立了CADA工具坐落系統(tǒng)、鎖固系統(tǒng)、解脫系統(tǒng)等的運動力學分析模型，并采用有限元方法研究了導管轉(zhuǎn)運、下入等條件下的CADA工具結(jié)構(gòu)力學性能；殷啟帥[5]設(shè)計了1套CADA工具，并對其作業(yè)流程進行了設(shè)計，研究了剪切銷釘及整體結(jié)構(gòu)在下放、回收作業(yè)工況下的力學行為；曹川[6]總結(jié)了CADA工具的研究現(xiàn)狀與工作流程，設(shè)計了1套CADA工具，并對鎖環(huán)機構(gòu)的撐開過程進行了力學分析；中海油研究總院[7-8]對CADA工具轉(zhuǎn)動塊及芯軸部件進行了力學及試驗研究；楊進[9]等提出了1種新型CADA工具設(shè)計，采用該工具減少了上提鉆井工具步驟，節(jié)約了作業(yè)時間與成本；吳儀[10-11]等提出CADA工具整體抗彎與抗拉進行模擬實驗的裝置及方法，可確定CADA工具力學性能的薄弱點，以及該薄弱點對導管下入作業(yè)的影響；劉書杰[12]等提出了1種模擬CADA工具解脫回收工況下的實驗裝置與方法，為優(yōu)化剪切銷釘布置提供了依據(jù)。

2 CADA工具結(jié)構(gòu)及工作原理

筆者設(shè)計的CADA工具的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要零件有芯軸、芯軸襯套、上盤體、下盤體、凸輪筒、半月板、端蓋、密封鋼圈、鎖環(huán)、剪切銷釘，以及其它配件。芯軸與芯軸襯套通過銷釘固定在一塊，實現(xiàn)CADA工具的上提、下放及旋轉(zhuǎn)等操作；上下盤體通過螺栓進行固定，并通過盤體凸出部分與芯軸襯套卡緊；凸輪筒通過螺紋與芯軸襯套相連接，鎖環(huán)位于上盤體凹陷處；上端蓋通過螺栓與盤體固定，通過密封鋼圈與O型橡膠圈配合實現(xiàn)CADA工具的密封。

CADA工具的工作原理如下：

1) 鉆前準備。將CADA工具通過銷釘坐入卡槽與低壓井口頭固定，旋轉(zhuǎn)芯軸，使凸輪筒向下運動，凸輪筒將推桿向外推移，鎖環(huán)張開與低壓井口頭鎖緊，同時視位桿下降，通過送入管柱將CADA工具下放至臨時導向基座準備進行噴射安裝。

圖1 CADA工具結(jié)構(gòu)組成

2) 導管噴射安裝。將CADA工具送入后，開始進行噴射下導管，噴射安裝完成后，反向旋轉(zhuǎn)芯軸，鎖環(huán)縮入卡槽，視位桿上升，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)芯軸，將剪切銷釘剪短，實現(xiàn)CADA工具的解脫作業(yè)。

3) 一開鉆井作業(yè)。CADA工具解脫后，繼續(xù)開始一開鉆進，鉆進到指定深度后，上提鉆桿，進行CADA工具回收。

4) CADA工具回收。上提鉆桿，將CADA工具與低壓井口頭連接處的剪切銷釘剪短，使其分開，繼續(xù)上提鉆桿，將CADA工具回收。

3 關(guān)鍵部件受力分析

3.1 鎖環(huán)

鎖環(huán)是CADA工具中的核心部件之一，在芯軸旋轉(zhuǎn)并帶動凸輪筒向下運動過程中被推桿撐開，起到鎖緊CADA工具與低壓井口頭并承載低壓井口與導管重力的作用。鎖環(huán)材料一般為銅鈹合金[11]，其余材料為普通合金鋼，力學性能參數(shù)如表1所示。

表1 鎖環(huán)材料力學性能參數(shù)

本文建立的鎖環(huán)有限元模型如圖2所示。

圖2 鎖環(huán)有限元模型

鎖環(huán)承受低壓井口頭重力后的應力云圖如圖3所示。由如圖3可知，鎖環(huán)在服役過程中，應力云圖沿鎖環(huán)開口中心線呈對稱分布，開口處應力最小，且在鎖環(huán)齒部發(fā)生應力集中現(xiàn)象；Von Mises應力沿鎖環(huán)周向具有先增大后減小再增大再減小的趨勢，應力最大點位于遠離鎖環(huán)開口后側(cè)約45°的齒部，最大Von Mises應力值約為270.8 MPa。

圖3 鎖環(huán)承載低壓井口頭重力后應力云圖

在鎖環(huán)撐開過程中，鎖環(huán)的Von Mises應力變化如圖4所示。由如4可知，鎖環(huán)撐開過程中Von Mises應力逐漸增大，最大值為268 MPa。在承受低壓井口頭重力前，齒部與內(nèi)壁附近應力較大，中部應力較小；承受低壓井口頭重力后，中部應力增大，應力最小處位于兩齒間中部。這是因為齒端受重力后有向內(nèi)擠壓的趨勢，增加了鎖環(huán)剖面中部所受應力，而兩齒間中部幾乎不受到齒端承載重力的影響。

圖4 鎖環(huán)撐開過程最大Von Mises應力變化曲線

3.2 凸輪筒及螺紋

1) 凸輪筒。

凸輪筒推動鎖環(huán)擴張過程中，受鎖環(huán)彈性反作用力，該力在軸向上的分力作用在芯軸襯套與凸輪筒之間的螺紋上。凸輪筒向下運動過程中軸向力隨位移的變化如圖5所示。

圖5 凸輪筒向下運動反力

由圖5可以看出，凸輪筒向下運動過程中，開始時并未與推桿發(fā)生相互作用，軸向受力為0。運行至一定位移時，凸輪筒變徑部位開始將推桿向外推出，凸輪筒軸向受到鎖環(huán)彈性反力的軸向分力作用；且凸輪筒位移與其所受軸向力間呈現(xiàn)線性增加的趨勢。隨著凸輪筒繼續(xù)運動，軸向力逐漸增大。本算例中，軸向力最大值為10 943 N；隨后軸向力逐漸減小至0，此時凸輪筒變徑部分與推桿間已無接觸，不再產(chǎn)生軸向分力。

2) 螺紋。

建立凸輪筒與芯軸襯套接觸模型，研究凸輪筒與芯軸襯套之間螺紋連接處在旋轉(zhuǎn)時的應力狀態(tài)，所得螺紋部分受力云圖以及凸輪筒旋轉(zhuǎn)圈數(shù)與最大Von Mises應力關(guān)系如圖6～7所示。

圖6 芯軸襯套與凸輪筒螺紋連接處受力云圖

圖7 凸輪筒運動對應螺紋最大應力

由圖6～7可以看出，凸輪筒與芯軸襯套螺紋連接處在旋轉(zhuǎn)過程中的應力最大點位于相互接觸得螺紋最上端，最大Von Mises應力為33.27 MPa，小于材料屈服強度，螺紋在凸輪筒向下運動過程中不會發(fā)生屈服，是安全可靠的。在凸輪筒向下轉(zhuǎn)動初始階段，螺紋最大應力逐漸增加，在轉(zhuǎn)動4圈后應力達到最大值，此后隨著凸輪筒繼續(xù)向下運動應力下降至0。

凸輪筒軸向力與螺紋最大Von Mises應力關(guān)系曲線如圖8所示，可以看出螺紋部分所受最大Von Mises應力與凸輪筒所受軸向力之間存在線性關(guān)系。

圖8 軸向力與螺紋最大Von Mises應力關(guān)系曲線

3.3 密封膠圈

CADA工具中有很多密封部件，較重要的是端蓋與芯軸襯套之間的密封鋼圈，該鋼圈與O型橡膠圈組合實現(xiàn)密封功能。O型橡膠圈依靠自身彈性變形，在密封接觸面上產(chǎn)生接觸壓力進行密封。本文將鋼圈、芯軸襯套假設(shè)為剛體，橡膠材料采用Yeoh模型定義橡膠的本構(gòu)關(guān)系，該模型應變能函數(shù)如式(1)所示[13]。

(1)

式中：W為應變能密度函數(shù)，MPa；C10、C01、D1為材料常數(shù)，MPa；I1、I2為Green應變張量的2個主不變量；J為橡膠變形前后體積比。

從圖9～10可以看出，芯軸襯套與密封部件配合以及CADA工具下放到海水服役過程中，O型橡膠圈最大Von Mises均位于橡膠圈與卡槽倒圓接觸處。合理的預壓縮量是確保O型圈密封性能的關(guān)鍵參數(shù)。

圖9 芯軸襯套與密封部件配合后O型圈應力云圖

圖10 加載流體壓力后O型圈應力云圖

由圖11可以看出，O型圈最大接觸壓力隨預壓縮量增大先增大，在預壓縮量為1.4 mm時達到最大值，此時O型橡膠圈受擠壓產(chǎn)生更大的接觸壓力，隨后接觸壓力隨預壓縮量增加而減小，此時過大的預壓縮量導致O型橡膠圈產(chǎn)生畸變，降低了密封性能。因此，設(shè)計密封部件時要根據(jù)仿真與試驗數(shù)據(jù)慎重選擇預壓縮量，保證最佳密封性能。

圖11 預壓縮量對密封最大接觸壓力影響

由圖12可以看出，隨著CADA工具下放水深增大，O型橡膠圈最大Von Mises應力不斷增大，對其密封性能產(chǎn)生影響。

圖12 O型橡膠圈最大Von Mises應力隨水深變化曲線

4 結(jié)論

1) 鎖環(huán)撐開與承載表層導管重力過程中最大Von Mises應力點均位于鎖環(huán)開口斜后方45°的齒部。鎖環(huán)在撐開過程中橫剖面受力呈現(xiàn)中部小，兩端大的現(xiàn)象，承載導管重力后鎖環(huán)中部應力增加，兩齒間部分應力最小。

2) 凸輪筒向下旋轉(zhuǎn)撐開鎖環(huán)過程中會受到鎖環(huán)反作用力的影響，使其在軸向受到向上的推力，該力隨其運動有先增大后減小的趨勢；凸輪筒所受軸向力將由螺紋部分承擔，螺紋向下轉(zhuǎn)動過程中所受最大Von Mises應力先增大后減小，且最大Von Mises有隨軸向力增加而線性增加的趨勢。

3) O型橡膠圈密封圈在液壓作用下與芯軸襯套間的接觸壓力有增大的趨勢，發(fā)生自密封作用，保證了其工作過程中的密封效果；但隨水深增加，最大Von Mises應力也會逐漸增大； O型橡膠圈存在最佳預壓縮量，在設(shè)計該時應慎重選擇預壓縮量以保證最佳密封性能。