卡瓦式表层套管连接器的设计

孙 文

(胜利油田昊瑞石油机械有限责任公司,山东东营257513)

卡瓦式表层套管连接器的设计

孙 文

(胜利油田昊瑞石油机械有限责任公司,山东东营257513)

为了完善井口装置关键部件——表层套管连接器的设计方法,从分析事故实例着手以实际试验数据为依据,结合理论力学的研究方法,通过严密的计算过程,研究卡瓦牙倾斜滑移面摩擦系数与套管径向受力的函数关系式;得到事故发生的原因——在滑移面上涂抹的防锈润滑油减小了摩擦系数,导致套管径向受力超出其极限抗外挤强度。结果表明:卡瓦牙倾斜滑移面摩擦系数对套管所受径向外挤压力的影响十分明显,摩擦系数越大,表层套管连接器对表层套管的径向夹持力越小;校核套管所承受的外压是表层套管连接器设计工作不可忽视的关键环节。

表层套管连接器;卡瓦牙;倾斜滑移面的摩擦系数

2010年初江苏某石油机械公司出品的套管头产品,在钻井施工中因卡瓦式表层套管连接器“挤扁”表层套管导致套管头脱离表层套管,出现井液涌井,造成施工被迫中断。事后调查发现,套管头设计没有问题,问题出在表层套管连接器卡瓦牙滑移表面的润滑油上。笔者现就此事故进行分析并探讨卡瓦式表层套管连接器的设计方法。

1 套管头及表层套管连接器

套管头是油田采油(气)井口装置的重要部件。图1是典型套管头的结构。该装置主要用来固定钻进井的井口,连接井下套管柱,可靠地密封和控制套管间的环形空间。表层套管连接器(图1的局部视图和图2),就是用来连接表层套管和套管头的装置,它主要由连接盘和卡瓦牙组成,并通过双头螺柱与套管头本体连接在一起。它是套管头的关键部件。其中卡瓦牙是表层套管连接器的主要零件,卡瓦牙质量的好坏直接关系到套管头使用安全的问题,卡瓦牙滑移锥角的大小,滑移表面摩擦系数是否恰当,表面硬度是否足够,这些因素的设计确定都需要仔细推敲。通过受力分析和力学计算研究这些因素是如何影响表层套管连接器工作效果的。

图1 套管头剖视图

图2 表层套管连接器结构

2 卡瓦牙的工作原理

卡瓦牙的制造方法是先车制一个内孔有多个锯齿、截面为楔形的旋转体,按照一定的硬度进行热处理,最后沿径向用线切割的办法均布分割成4～6块楔形的“牙体”,如图3(a)所示,为了减小外形尺寸,增加轴向受力面积通常采用图3(b)的形式。

图3 滑面卡瓦牙

参照图2不难理解卡瓦牙的工作原理。它首先是依靠内侧的多个锯齿牙卡住表层套管的外圆面,当拧紧上端栽入套管头本体的螺柱时,就会带动连接盘上移,进而造成表层套管连接器产生整体向上的趋势,但由于表层套管上端顶在套管头本体内,从而造成卡瓦牙越发牢固地卡住表层套管,甚至使内侧的锯齿镶入管体里,实现了连接表层套管和套管头本体的功能。

3 卡瓦牙的受力分析

从上面分析的卡瓦牙工作状态可以看出,卡瓦牙受4个力的共同作用[1],如图4所示。

图4 卡瓦牙受力分析

卡瓦牙在这些力的共同作用下处于平衡状态,即其“合力”为零。

(1)首先是通过倾斜滑移面传递的——来自连接盘的支撑力“N”,它垂直于倾斜滑移面[2];

(2)在N的作用下产生了表层套管的反作用力“F径”,F径作用于水平方向;

(3)因为连接器悬挂着表层套管,所以表层套管会对卡瓦牙产生一个竖直向下的坠力“F坠”;

(4)倾斜滑移面上存在着作用力和反作用力,且还存在趋向下方的趋势力F坠,故存在摩擦力f的作用,摩擦力f的方向是平行滑移面的。其大小与N有以下关系:

式中,μ为倾斜滑移面摩擦系数。

为了便于计算,把卡瓦牙的这些受力均分解到水平方向和竖直方向,如图4所示。倾斜滑移面支撑力N在水平方向和竖直方向的分力分别为N水平和N竖直。

若令倾斜滑移面的倾斜角为α,则据三角函数关系可得出

摩擦力f在水平方向和竖直方向的分力分别为f水平和f竖直。

卡瓦牙在这些力的作用下,处于平衡状态,则其在水平正、负方向的受力是均衡的,所以有关系式

同样,其在竖直正、负方向的受力也是均衡的,所以也有关系式

将式(2)和式(4)带入式(6),化简后得关系式

将式(3)和式(5)带入式(7),化简后得关系式:

合并式(8)和式(9),化简后可得关系式

若表层套管连接器所受的轴向力F坠和滑移面的斜角α一定,则表层套管连接器对表层套管的径向卡紧力F径和滑移面的摩擦系数μ存在式(10)所表达的函数关系(图5)。

式(10)和曲线图表表明:卡瓦牙倾斜滑移面摩擦系数越大,表层套管连接器对表层套管的径向夹持力就越小。

4 事故分析

通过以上对卡瓦牙的受力分析,发现所提事故产生问题的根源。

图5 卡瓦牙滑移面的摩擦系数对套管所受径向外挤压力的影响

设计计算书中关于表层套管抗外挤能力的计算过程如表1所示。

从设计表中给出的计算过程和结果来看,原设计是安全、合理的。但这是在连接器滑移面摩擦系数μ=0.15的情况下获得的。而实际组装时使用了润滑脂,导致连接器滑移面摩擦系数降低到μ′≤0.06。

表1 表层套管抗外挤能力计算

再根据实际情况来校核表层套管在实际的外挤压力下是否安全:把润滑情况下的实际摩擦系数μ′=0.06代入式(10)求“实际情况下”卡瓦牙对套管的径向夹持力“F径′”,并计算“实际情况下”套管承受的外挤压强“p挤′”。具体步骤是:

(1)据式(10)计算“实际情况下”卡瓦牙对套管的径向夹持力

(2)计算“实际情况下”套管承受的外挤压强

(3)“实际情况下”套管承受外压与其许用外挤压强对比。

可见,“实际情况下”套管抗外挤压的能力不足,不安全。

5 杜绝类似事故的方法和优化设计

从以上的对比分析中,可以找到杜绝发生此类事故的有效方法,即加大连接器滑移面摩擦系数,从而减小表层套管连接器对表层套管的径向卡紧力“F径”,并最终达到避免因径向卡紧力过大产生挤毁表层套管的目的。为了实现此种效果,可以采用如图6所示的优化方法来加大连接器滑移面摩擦系数。

改进后的卡瓦牙因为在外侧滑移面添加了防滑牙槽,而使其连接器滑移面摩擦系数大大增加,根据试验统计数据,改进后连接器滑移面摩擦系数约为0.19～0.23。代入式(8)～(10),可计算出优化设计的卡瓦牙对套管的径向挤压,仅相当于原设计的88%,从而进一步减小了表层套管被挤毁的可能性。

图6 优化设计后的卡瓦牙

6 结束语

通过比较计算出的套管径向承压值(22.3 MPa)和“实际情况下”的套管径向承压值(28.1 MPa),可以发现连接器滑移面摩擦系数对套管承受夹持力的影响很大。摩擦系数越大,表层套管连接器对表层套管的径向夹持力就越小。所以在设计表层套管连接器时,要关注卡瓦牙滑移面的摩擦系数;并校核套管所承受的外压。另一方面,全面考虑可能遇到的各种情况,并说明设计产品的工作状况是十分必要的。

[1] 张鸿瑾.简明理论力学[M].杭州:浙江大学出版社,2008:77-93.

[2] 洪培成,陆勉文,高凤琴.静态力学概论[M].北京:中国标准出版社,2004:25-33.

[3] 陈如恒,沈家骏.钻井机械的设计计算[M].北京:石油工业出版社,1995:197-203.

[责任编辑] 王艳丽

TE 931+.1

A

1673-5935(2010)04-0019-04

2010-09-28

孙 文(1974-),男,山东临朐人,胜利油田昊瑞石油机械有限责任公司工程师。