深水水下井口头系统紧锁机构分析

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(中海油能源发展股份有限公司 工程技术深圳分公司，广东 深圳 518067)①

水下井口头系统作为深水钻完井作业的关键设备，存在成本高、加工工艺复杂、交货周期长、维护保养程序复杂、易磨损件供货商单一等特点。水下井口头系统主要由低压井口头、高压井口头、套管悬挂器、环空密封总成和低压井口头锁紧机构等组成。深水水下井口头系统受力较复杂，井口轻微倾斜就会在井口头附近产生非常大的弯矩，而水下井口头系统最薄弱的组件就位于高低压井口头狭窄空间之间用于锁定高低压井口头的锁紧机构。水下井口头系统主要由GE-Vetco Gray公司、Cameron公司、Dril-Quip公司、FMC公司等提供，而各公司水下井口系统锁紧机构工作原理、预紧力大小也各不相同。因此，在考虑多种外载的工况下对高低压井口头系统采用有限元进行力学分析，对选择满足深水作业工况的井口头系统及其锁紧机构具有指导意义。

1 紧锁机构简述

1.1 国内研究及使用现状

国内从事深水水下井口头系统的技术研究起步较晚，基础条件薄弱，且深水水下井口头系统长期依赖国外进口，致使对水下井口头系统缺乏系统的了解，尤其对锁紧机构锁紧原理的掌握。截止目前，在南海东部海域作业深水探井共计22口，水下井口头系统主要采用Dril-Quip公司及GE-Vetco Gray公司产品，所选井口头系统锁紧机构类型如表1。

在现场使用过程中，所选用的井口头系统性能基本稳定，能够很好地满足作业要求。然而采用“C”型弹性锁环式锁紧机构的井口头系统，由于其预紧力相对较小，高低压井口头没有完全锁死，在永久弃井切割作业过程中，存在相互转动，甚至脱开的风险，影响现场作业的顺利进行。

表1 南海东部深水井口头系统锁紧机构类型统计

1.2 国外典型的水下井口头系统及其锁紧机构

深水水下井口头系统主要供应商有GE-Vetco Gray公司、Cameron公司、Dril-Quip公司、FMC公司等，井口头系统及锁紧机构类型如表2。

表2 国外典型深水井口头系统

水下井口装置锁紧机构的结构如图1所示。锁紧机构位于高压井口头和低压头之间，安装时，连同高压井口头一起下入低压头内。当高压井口头下放到低压头内设定位置后，依靠锁紧机构弹性锁紧元件将高压井口头锁定在低压头内，具体安装方式根据锁紧机构类型而定。

2 锁紧机构工作原理

2.1 弹性锁环式

弹性锁环式锁紧机构采用“C”型结构，具有径向弹性，可在一定直径范围内实现自由收缩。在安装过程中，将高压井口头连同其上的锁紧机构下放到低压井口头内指定位置，弹性锁紧环会自动进入低压井口头内的环形槽中，以此将高压井口头锁定在低压井口头内。该锁紧机构具有结构简单，安装操作方便的优点，但预紧力相对较小。

2.2 双梯形面锁环式

双梯形面锁环式锁紧机构主要是添加了一个环形活动压套，增加了预紧力，保证锁紧之后不易脱开。在安装过程中，使用送入工具下压活动压套使得双梯形面锁环径向撑开，与低压井口头内对应配合的环形槽面咬合，并发生挤压，实现了高低压井口头的轴向锁定。

该锁紧机构在活动压套及“E”型圈上都设计有防松齿，且能够相互咬合，保证锁圈很好地锁定，具有较大预紧力。

图1 5种锁紧机构示意

2.3 指状弹性片式

指状弹性片锁紧机构需要在高压井口头上安装有8个指状弹性片，指状弹性片向外呈辐射状，并且形成的辐射圆直径比低压井口头内径大，在将高压井口头送入低压井口头内时，指状弹性片首先受到低压井口头内孔施加的反向作用力处于径向压缩状态，当高压井口头被送入到指定位置后，指状弹性片会自动恢复，其顶端顶在低压井口头内的环槽面上，从而使高低压井口头形成锁紧，该锁紧机构结构简单，但锁紧形式预紧力较小。

2.4 带密封的双梯形面锁环式

带刚性锁紧预加载型和大通径型井口头为了满足更深的水深作业，增加下入套管层数，采用带密封的双梯形面锁环锁紧机构，在下入低压井口头之后，在其上再悬挂一层套管，之后高压井口头连接下一层套管下入，与低压井口头锁紧，同时需要对高压井口头所连接套管与外层套管之间环空进行密封。该锁紧机构的锁紧部分与双梯形面锁环锁紧机构结构相似，区别在于该机构活动压套与高压井口头之间的支架上安装了环形密封结构，在其下端内外两侧分别设置有两道橡胶密封圈，实现了高压井口头所连接套管与外层套管之间环空的密封。该锁紧形式预紧力较大，在锁圈上设计有自锁角斜面，在压套上设计有防松机构，工作性能可靠。

2.5 标准型弹性齿圈式

标准型弹性齿圈式锁紧机构预紧力可以达到11 110 kN(2 500 klbs)。在高低压井口头安装过程中，高压井口头外部凹槽内预先安装一个弹性齿圈，当井口头下放到导管头特定位置后，弹性锁圈会受压，自动与低压井口头内的环形齿槽啮合在一起，实现高压井口头与低压井口头的径向锁紧。该锁紧机构的一个主要结构特点是可以实现多步锁紧，增大预紧力。这种齿圈型多步锁紧机构由于其接触面积大，可以在很小的空间内提供很大的预紧力，同时，该标准型的锁紧机构在弃井后可以作为一个独立单元从高压井口上拆卸下来，进行回收保养。

为了满足深水市场的需要，Vetco公司在标准型锁紧机构的基础上结合其特点，推出了两款加强型锁紧机构，如图2。与标准型相比主要区别在于其预紧力可达到17 780 kN(4 000 klbs)。水下可解锁加强型具备了在水下脱开再锁紧的能力，增加了永久弃井等作业的灵活性。

图2 标准型弹性齿圈式锁紧机构

Vetco公司的另外一种弹性齿圈式锁紧机构如图3，其高低压井口头锁紧部分都不在本体上，而是在低压井口头上安装一个环形钢圈，其下部采用梯形齿与低压井口头连接，内部设计有环形倒齿，在安装时，高压井口头上弹性齿圈与其咬合锁紧，该锁紧机构具有较大预紧力，且对高低压井口头本体损害较小，有利于对井口头的重复利用，降低了作业成本。

图3 Vetco公司弹性齿圈式锁紧机构

3 锁紧机构有限元分析

锁紧机构可将高压井口头锁定在导管头内，并施加一定的预紧力，使其与低压头组成一个受力"整体"，从而防止高压井口头在作业过程中受到上部施加的力或设备载荷作用时，在低压头内发生向上移位或横向弯曲，同时，锁紧机构施加的较大锁紧力有助于提高井口头系统的抗疲劳能力。

根据南海某井井场资料和浅层土质抗剪强度一般变化规律、平台坐防喷器时井口载荷(如表3)、海底浅层土质参数(如表4)，采用有限元分析软件建立模型，根据隔水管底部的横向和竖向反力、低压头上部结构所受海流力、平台坐防喷器时井口载荷作为边界条件，对井口系统进行分析计算。

模型采用Dril-Quip公司SS-15型井口头系统，对其在预紧锁紧(预紧力4 445 kN)和未预紧锁紧2种状态下进行力学模拟分析，如图4。在受力相同的情况下，2种状态套管串变形、应力值无较大差别，这说明由于套管串本体重力已经很大，预紧锁紧机构的预紧力对套管串基本无影响。

表3 坐防喷器时井口载荷

表4 海底浅层土质参数

预紧锁紧机构的主要作用是减少高压井口头及附件的疲劳破坏，在作业期间，由于波浪的运动带动平台的不规则运动，平台、隔水管拽着井口一起无规则晃动，对于不施加预紧力或者预紧力小的锁紧机构，高压井口头的局部受拉、压交变载荷影响，容易产生疲劳损坏。若使用预紧的锁紧机构时，高压井口头局部大部分时间处于受压状态，相比不施加预紧力或者预紧力小时，疲劳损坏大幅减小。

在2种状态下选取图4c、4d所示的4个区域点，分别求4个区域点的应力平均值。在锁紧情况下，2个区域点应力变化为 50 MPa(受压)、-20 MPa(受压)；在未锁紧情况下；2个区域点应力变化为25 MPa(受压)、-25 MPa(受拉)。得出锁紧情况下最大应力值50 MPa；未锁紧情况下最大应力值25 MPa。

a 预紧锁紧状态 b 未预紧锁紧状态

c 预锁紧状态区域点 d 未预锁紧状态区域点

疲劳应力与疲劳寿命曲线如图5所示。

图5 疲劳应力与疲劳寿命曲线

在锁紧情况下，应力循环特征值r=20/50=0.4；在未锁紧情况下，应力循环特征值r=-25/25=-1。由图5可以看出，锁紧情况下井口的寿命 远高于未锁紧情况下井口的寿命 。因此，在一定的范围内，预紧力越大，井口头寿命就越长。

4 结论

1) 通过对国外几家公司典型的深水水下井口头系统的锁紧机构结构及原理的分析，可为水下井口头系统的选择及深水水下井口头系统锁紧技术研究提供参考。

2) “C”形弹性锁环式锁紧机构在井口头和导管头之间形成的预紧力小，使井口头系统整体寿命不高。随着作业水深的增加，应优选具有较大预紧力锁紧机构的高压井口头。

3) 弹性齿圈式和双梯形面锁圈式锁紧机构结构设计较先进，锁紧后，可以施加较大预紧力，井口头系统可以承受较大的轴向拉力和横向弯曲载荷，且在一定范围内，预紧力越大，井口头系统的寿命就越大。

4) 随着作业水深进一步增加，现场作业难度及作业成本也相应增加，因此对于水下可解锁以及对高低压井口头本体损坏较小的锁紧机构设计，应作为后续研究的一个重要方向。

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