双向锁紧式应急抢险卡瓦的研究与设计.pdf

通过分析应急抢险卡瓦在油气井井喷抢险作业中的受力情况和工况条件,确定了双向锁紧式应急抢险卡瓦结构形式,在锥形自紧式卡瓦体结构的基础上,设计了手动锁紧结构,使抢险卡瓦总成受到的两个方向的力(上顶力和设备重力)均处于锁紧受控状态,建立应急抢险卡瓦有限元模型,结合实际作业工况,对抢险卡瓦受到的两个不同方向作用力的工作状态进行了有限元仿真分析,双向锁紧式应急抢险卡瓦为油气井井喷失控抢险作业提供了可靠保障。关键词:卡瓦;应急抢险;井喷;双向锁紧中图分类号:T E 9 2 1.+5 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6-7 9 8 1(2 0 2 3)0 6-0 0 0 1-0 51 引言在勘探开发钻井作业时,如果出现井涌或井喷,很可能会造成人员伤害或设备损坏等事故,因此,当发生事故需要进行井喷抢险作业时,就要用到失控井应急抢险装置,该套装置及技术填补了应急抢险技术的空白,提高了油气井井喷突发事故的应急处理能力1。失控井应急抢险装置,从下到上一般由导向罩、应急抢险卡瓦总成、扶正短节、顶密封倒置防喷器组、限位法兰、平衡卸荷四通及全封闸板防喷器组成2-3,应急抢险卡瓦实现了将井控抢险设备与井口套管的快速连接,同时承受井口压力对抢险设备产生的上顶力,但当抢险成功、井口压力消失时,作用在抢险设备上的上顶力也随之消失,此时,在设备自身重力的作用下,又会使卡瓦座下移,促使卡瓦松动或打开,这种现象会对后续的作业增加不可预见的风险。目前,各卡瓦制造商生产的锥形自紧式卡瓦均只能承受单方向的受力,即单方向锁紧,如果采用现有结构进行安全抢险作业,那么应急抢险设备至少应成对配备卡瓦总成,一组卡瓦正装,另一组卡瓦反装,这样才能使应急抢险设备在两个方向上均处于锁紧状态,但这样会使设备高度增加和重量增大,不利于现场操作,为此,进行了具有双向锁紧功能应急抢险卡瓦的研究和设计,在不增加卡瓦数量的前提下,为油气井井喷失控抢险作业提供了可靠保障。2 整体结构与工作原理:图1为应急抢险卡瓦总成三维模型以及卡瓦牙实物照片,主要包括有卡瓦座、卡瓦体、卡瓦牙、卡瓦举升板、手动锁紧装置、锁紧楔块、卡瓦连接罩以及液缸等,其中,卡瓦体背锥斜角设计为1 0 0.5,该角度设计过小会导致应急卡瓦上提易发生自锁和应急卡瓦高度过高,角度设计过大又会导致液压卡瓦不能可靠地夹持管柱;同时,在加工时应使卡瓦体背锥和卡瓦座锥面的加工精度高于卡瓦牙表面的加工精度,这样卡瓦体背锥和卡瓦座之间的摩擦系数就小于卡瓦牙与管柱之间的摩擦系数,更加利于应急卡瓦的卡紧4。另外,卡瓦牙片采用套管专用的钮扣式卡瓦牙,牙尖部分为圆形,类似钮扣,装配后,卡瓦牙组径向表面也为圆弧状,其圆弧直径与套管直径规格一致,整套应急抢险卡瓦共有8列卡瓦牙片,每列1 1片,合计8 8片,当然卡瓦牙片的数量与设计所需的卡瓦承载能力成正比例关系,卡瓦额定承载能力越高,所需的卡瓦牙片数量越多。应急卡瓦在抢险作业时的工作原理:在钻井作业发生井喷,井口失控时,将井口设备清除,露出井口套管,当安装在最下端的应急卡瓦随抢险设备坐入井口套管后,先依靠卡瓦自身的关闭液缸将卡瓦关闭,使卡瓦牙与套管间形成初始的卡紧状态,分别关闭上部全封闸板防喷器全封闸板总成、应急抢险防喷器顶密封倒置的闸板总成,使整套装置构成1 2 0 2 3年第6期内蒙古石油化工一个应急抢险通道,然后,通过四通侧出口进行钻井液分流和压井作业1。此时,井口压力会对抢险设备产生一个较大的上顶力,在上顶力的作用下,卡瓦连接罩以及卡瓦座会随抢险设备缓慢向上移动,从而促使卡瓦牙向中心靠拢,从而推动管柱居中和夹紧,然后转动手动锁紧装置,将锁紧杆顶在卡瓦体的楔紧面上,在此状态下,手动锁紧杆基本不受力;当抢险成功后,井口压力消失,抢险设备所受的上顶力随之消失,在抢险设备重力的作用下,抢险设备和应急抢险卡瓦会发生向下移动的趋势,但由于手动锁紧装置的存在,设备重力就作用在了楔紧面上,避免了卡瓦松动造成的影响。应急卡瓦在工作时卡瓦体处于双向锁紧状态,这样可以使抢险设备受到的两个方向力(上顶力和设备重力)的影响均处于受控状态,避免了应急抢险过程中卡瓦松动发生事故,保证了安全抢险作业。其主要技术参数如下:液缸控制压力:1 0.51 4 MP a额定承载能力:1 5 0 0 k N锁紧承载能力:2 0 0 k N适合管柱规格:51/2 1卡瓦体;2锁紧丝杠;3卡瓦座;4卡瓦牙板;5举升板;6连接罩。图1 应急抢险卡瓦模型及卡瓦牙3 关键技术3.1 手动锁紧技术3.1.1 手动锁紧装置由手动锁紧丝杠和手动锁紧块组成,如图2,手动锁紧块前端为锁紧楔紧面,其角度与卡瓦体楔紧面相同,后端采用T型槽结构与锁紧丝杠连接,当旋转锁紧丝杠时,会推动锁紧块向卡瓦中心移动,由于锁紧块整体为长圆形,因此,锁紧块只发生向井口中心移动的位移,而不发生旋转动作。图2 手动锁紧装置模型示意3.1.2 双向锁紧式应急抢险卡瓦的卡瓦体背面上部预留有楔紧用斜面,与手动锁紧块楔紧面相配合,如图3,这样一来在形成锁紧状态时,手动锁紧块与卡瓦体之间的楔紧面是平面接触,而不是线接触,提高了锁紧可靠性的同时,优化了楔紧面的受力情况。图3 卡瓦体楔紧面实物和模型示意3.2 卡瓦座结构设计卡瓦座内表面有与卡瓦体背面相同的锥面,工作时,卡瓦体沿着卡瓦座内表面缓慢的向下移动,形成越卡越紧的工作状态;其次,在卡瓦座上部均布加工有四个径向螺纹,手动锁紧丝杠沿径向螺纹向井口中心移动或退出,形成锁紧或解锁状态。在2 内蒙古石油化工2 0 2 3年第6期 径向螺纹靠近卡瓦中心孔的一端,设计有与手动锁紧块外形一致的长圆孔,这样在手动锁紧块受力时,能够与卡瓦座壳体紧密的贴合在一起,保证手动锁紧的可靠性。如图4.图4 卡瓦座及手动锁紧状态平面示意3.3 其他结构设计在抢险过程中,有可能会发生火灾,整个应急抢险设备均处于一个极高温度的环境中,因此在进行应急抢险卡瓦的管路设计和布局时,控制管线均采用不锈钢材料,避免因高温环境造成的控制管线损坏而发生危险,其次在卡瓦连接罩外圆周上设有水雾通道,可以在整个应急抢险作业过程中通过该通道输入清水使井口冷却降温,这样可以从源头将发生火灾的隐患消除。图5 抢险卡瓦上水雾通道示意4 卡瓦在上顶力下的有限元仿真分析在应急抢险时,通过卡瓦将井控抢险设备固定到井口套管上。当用防喷器完成对井口压力的控制后,井内的压力会对整个应急抢险设备产生较大的上顶力,此时需要抢险卡瓦克服井压产生的上顶力。例如:当井口套管规格为51/2、井口压力为1 0 0 0 0 p s i时,在此工况下进行抢险作业时,应急抢险设备受到的上顶力约1 0 5 7 k N,因此,设计的应急抢险卡瓦额定承载能力为1 5 0 0 k N,能够满足井压为1 0 0 0 0 p s i的应急抢险作业。下面是对应急抢险卡瓦在1 5 0 0 k N的上顶力条件下进行有限元仿真分析。4.1 有限元分析模型为了提高有限元分析的效率,对有限元模型进行简化,采用应急抢险卡瓦的1/4模型进行有限元分析,简化后的有限元模型如图6所示。图6 简化后的有限元模型 对简化后的模型定义材料属性,然后对各零件进行网格划分,各零件的材料属性如表1所示。为了提高计算精度,对于形状复杂的卡瓦体和卡瓦牙板进行几何元素分区,卡瓦座、卡瓦体、卡瓦牙板和套管均采用六面体网格C 3 D 8 R。卡瓦体创建1 7 6 6 2个单元,卡瓦牙板创建2 5 3 1 7个单元,卡瓦座创建1 3 0 8 0个单元,套管创建1 6 5 3 3个单元。将卡瓦座和套管的切面定义对称约束,并将套管下部设置固定约束,卡瓦牙板与卡瓦体配合面定义为绑定约束,在卡瓦座下部表面施加1 5 0 0 k N上顶力的表面载荷。将卡瓦座的锥面和卡瓦体的锥面定义为面和面接触,卡瓦牙和套管的接触面定义面和面接触,摩擦因数均为0.1 5。3 2 0 2 3年第6期张 建等 双向锁紧式应急抢险卡瓦的研究与设计表1 应急抢险卡瓦材料属性零件材料弹性模量/G P a泊松比屈服强度/MP a卡瓦座4 2 C r M o2 1 20.2 8 07 2 5卡瓦体4 2 C r M o2 1 20.2 8 07 2 5卡瓦牙2 0 C r M n T i2 0 60.3 0 01 8 1 7套管N 8 02 1 00.2 7 86 8 54.2 结果分析图7为有限元分析的应急抢险卡瓦应力云图。从图 中 可 以 看 出 卡 瓦 体 的 最 大M i s e s应 力 为2 9 5.2 MP a,小于屈服强度7 2 5 MP a;卡瓦座的最大M i s e s应力为6 3.5 5 MP a,位于卡瓦座与卡瓦体接触的棱角处,小于屈服强度7 2 5 MP a;卡瓦牙板的最大M i s e s应力为1 4 8 2 MP a,位于卡瓦牙接触套管的齿面位置,小于屈服强度1 8 1 7 MP a;套管的最大M i s e s应力为5 2 5.4 MP a,位于与卡瓦牙齿面接触的位置,小于屈服强度6 8 5 MP a;综上所述,卡瓦各零件在1 5 0 0 k N的上顶力工况下均满足强度要求,不会发生屈服现象。a.卡瓦体 b.卡瓦座c.卡瓦牙板 d.套管图7 应急抢险卡瓦应力云图4.3 应急抢险卡瓦在设备重力下的分析应急抢险卡瓦具有双向锁紧功能,在应急抢险成功后,井口压力消失,在抢险设备重力的作用下卡瓦会松动,为了避免这种现象发生,利用卡瓦座上的锁紧丝杠进行锁紧,用于承受应急抢险井控设备的重量,需要对锁紧丝杠进行分析。应急抢险井控设备总重约2 0吨,应急抢险卡瓦设有4个锁紧丝杠,锁紧丝杠材料属性如表2所示,受力分析简图如图8所示。M=FNnL=21 0543 8=1.91 06Nmm式中:M为锁紧丝杠所受弯矩;FN为锁紧丝杠所受设备重量的反作用力;n为锁紧丝杠的数量;L为力矩;W=D33 2=FN4 033 2=6 2 8 0表2 锁紧丝杠材料属性零件材料屈服强度/MP a抗拉强度/MP a许用弯曲强度/MP a锁紧丝杠4 2 C r M o7 2 58 6 24 0 2.8图8 锁紧丝杠受力分析图 式中:W为锁紧丝杠抗弯模量;D为锁紧丝杠直径;4 内蒙古石油化工2 0 2 3年第6期 锁紧丝杠的弯曲强度:b=MW=3 0 2.5 MP a b从计算结果来看,弯曲强度小于许用弯曲强度,证明应急抢险卡瓦能够承受2 0吨的井控设备重量。5 应急抢险卡瓦试验与应用5.1 应急抢险卡瓦的试验在应急抢险卡瓦内安装51/2 套管卡瓦牙进行额定载 荷 试 验,逐 级 加 载 到 最 大 试 验 载 荷,保 持5 m i n,套管无打滑现象;然后进行应急抢险卡瓦的手动锁紧试验,分别将四个锁紧丝杠旋紧,使锁紧块顶在卡瓦体的楔紧面上,将卡瓦总成与试验台连接固定,然后向上拉试验套管,拉力为2 0吨,保持5 m i n,套管无打滑现象。卸载后检查卡瓦牙无损伤、崩齿等现象,卡瓦体背锥与卡瓦座之间接触均匀,接触面积不小于6 5%,卡瓦牙与套管间齿面接触面积不小于8 5%,且牙痕分布均匀;同时,手动锁紧楔块与卡瓦体属于面接触,接触面积不小于锁紧斜面的9 0%.卡瓦试验情况如图8.5.2 联动试验及应用将具有双向锁紧功能的应急抢险卡瓦与应急抢险设备连接在一起进行联动试验,检验应急抢险卡瓦的承载能力和手动锁紧功能,试验结果符合设计要求,也满足了现场使用条件要求,配有双向锁紧功能抢险卡瓦的F 3 5-7 0应急抢险设备在东部井控应急响应中心实现了应用,如图9.图8 卡瓦试验情况图9 双向锁紧卡瓦应用情况6 结论(1)针对应急抢险作业工况的需求,进行了应急抢险卡瓦的研究,研制了具有双向锁紧功能的生根卡瓦。(2)通过有限元模拟分析和计算,双向锁紧式应急抢险卡瓦的关键件满足强度要求,即能承受应急抢险设备2 0吨的重力,又能够克服应急抢险设备产生的1 5 0 0 k N的上顶力。(3)对双向锁紧式应急抢险卡瓦进行承载试验,满足设计要求;并与应急抢险设备进行联动试验,满足工况要求。参考文献1 屈志明,廖伟恒,罗园等.油气井井喷失控抢险用井口装置的研制J.内蒙古石油化工,2 0 2 0(4):1 0 0-1 0 3.2 侯国庆,李三平,屈志明,等.一种重建井口应急抢险装置:Z2 1 5 1 6 9 8 6 7 U2 0 2 1.3 谢意湘,刘正连,王留洋,等.油气井井喷失控抢 险 用 井 口 装 置:中 国,C N 1 0 8 4 1 2 4 4 7 AP.2 0 1 8.4 马卫国,沈如芳,赵国强,等.大负载不压井作业机液压卡瓦结构的优化设计J.石油机械,2 0 2 0,4 8(8):6 9-7 6.5 2 0 2 3年第6期张 建等 双向锁紧式应急抢险卡瓦的研究与设计