滑套式安全接头的设计与研制

李金凤 李 哲 陈志忠 陈薛飞

（渤海钻探井下技术服务分公司管具服务中心，天津 300283）

目前国内油田使用的安全接头多为倒扣式安全接头，螺纹的配合需要一定的预紧力，在地面必须上紧，这就导致脱开难度大，尤其是在斜井或水平井安全接头不能处于受拉状态，更难以倒开，还可能损伤螺纹。经过多方面的调研［1-3］及分析，最终研制出新型滑套安全接头，该接头不仅结构合理，操作简便，现场应用成功率较高。

1 结构

滑套式安全接头主要由上接头、滑套、剪断销钉、下接头等组成（见图1），上接头下端为弹性分瓣爪结构（见图2），与下接头配合处为嵌入式结构，用于承受载荷和传递扭矩。

图1 滑套式安全接头结构示意图

图2 安全接头上接头结构示意图

2 工作原理

滑套式安全接头靠上接头上的锁爪卧入下接头凹槽内，通过中间的滑套支撑，防止锁爪回缩，滑套利用下接头上的剪断销钉固定。组装时上接头上挡键插入下接头上的键槽内，传递扭距。需要丢开管柱时，油管内投球，坐于安全接头滑套上，憋压到20 MPa 左右，剪断销钉，滑套和球一起下行到上接头分瓣锁爪以下，分瓣锁爪失去滑套的支撑，上提管柱，分瓣锁爪向内收缩，安全接头上下接头脱离，可提出上部管柱。

3 滑套式安全接头的计算

3.1 剪断销钉直径的计算

滑套打开压力由剪断销钉直径的大小来控制。剪断销钉采用45#钢，正应力值σb为60 kg/mm2，剪应力值τb=0.8σb=48 kg/mm2，剪断销钉数量设计为4个。滑套打开时作用在滑套上的压力与销钉剪切力相等，即

推导得出

式中，p 为剪断销钉时内压力，kg/mm2；D 为滑套外径，mm；n 为剪断销钉数量；d 为剪断销钉直径，mm；τb为剪断销钉的剪应力，kg/mm2；K 为不均匀系数，取0.9。

3.2 分瓣爪抗拉强度计算

因安全接头要适用于高压压裂管串，抗拉强度不得低于油管丝扣抗拉极限载荷。工具薄弱点在上接头分瓣爪最小直径处，此处横截面见图3。

图3 分瓣爪小径处横截面

由图3 可看出，分瓣爪小径处横截面积可近似表示为

式中，A 为分瓣爪小径处横截面积，mm2；D1为上接头小径处外径，mm；d1为上接头小径处内径，mm；e 为分瓣间隙，mm。

分瓣爪抗拉许用负荷为

式中，Q 为分瓣爪抗拉许用负荷，kN；［σ］为材料许用正应力，［σ］=σs/ns，kg/mm2；ns取1.5～2.0。

经过计算，分瓣爪许用抗拉负荷为690 kN。Ø70.025 mm 加厚油管（N80，壁厚5.51 mm）丝扣抗拉极限载荷为657.4 kN，小于分瓣爪的抗拉许用负荷。

3.3 抗内压强度计算

安全接头抗内压薄弱点在下接头上端大径处。抗内挤强度公式为

式中，P 为安全接头内部压力，kg/mm2；K1为不均匀系数，取0.875；［σ］为材料许用正应力，kg/mm2；m为壁厚，mm；D外为安全接头薄弱点处外径，mm。

经过计算，安全接头在许用正应力下可承压8.1 kg/mm2，而设计的最大工作压力为7 kg/mm2，完全能满足设计及现场使用要求。

4 主要技术参数

滑套式安全接头主要技术参数见表1。

表1 滑套式安全接头主要技术参数

5 室内实验

5.1 密封试验

将组装好的安全接头上接头连接试压接头与试压泵试压管线连接，下接头用母丝堵堵死，启动试压泵升压至71 MPa，稳压10 min，压力降至70.3 MPa，密封部位无渗漏；继续升压至81 MPa，稳压10 min，压力降至80.6 MPa，有压降但密封部位无渗漏滴水现象。设计安全接头高压密封性能良好。

5.2 安全接头上下分离实验

将密封实验后的安全接头下部丝堵去掉，上部从试压接头处打开，投入Ø55 mm 的钢球坐于滑套座上，再装上试压接头与试压泵连接，将安全接头靠在墙角垂直立放，开泵升压至20.8 MPa 剪断销钉，安全接头上下分离。剪断压力与设计解卡压力基本相符，符合设计要求。

5.3 抗拉实验

安全接头放在抗拉试验架内，上接头与液缸连接，下接头用卡盘与实验架连接，用液缸拉安全接头（图4），启动拉力器，到600 kN 后每增加50 kN 稳定1 min，直到加到780 kN，与安全接头连接变扣拉脱，安全接头无变化。

图4 滑套式安全接头抗拉实验装置

5.4 抗扭实验

将滑套式安全接头上接头用拧扣机主钳固定，下接头用备钳卡紧，启动拧扣机上扣， 扭矩达到5 kN·m 时，下接头凹槽端面有轻微突起，大于油管上扣扭矩，符合设计要求，能满足现场实际使用要求。

6 现场应用及效果分析

滑套式安全接头现场应用情况见表2。

表2 滑套式安全接头现场应用情况

2012 年5 月11 日，滨深18 井，滑套式安全接头用于“射孔—压裂—排液”三联作工艺管串，投球后，油管正打压25 MPa，安全接头脱开，丟枪成功，完成压裂、排液管柱。

2012 年6 月30 日，滨85 井，滑套式安全接头用于“射孔—压裂—排液”三联作工艺管串，投球后，油管正打压30 MPa，安全接头脱开，丟枪成功，完成压裂、排液管柱。作业过程施工管串见图5。

图5 射孔管柱及射孔后丢枪管柱示意图

这两口井施工中，安全接头脱开压力与设计脱开压力有差别，其原因与井身结构、地层压力有关：实验室设计安全接头脱开压力（压差）20.8 MPa，实际应用时脱开压力偏高，这是因为泵压除了要克服安全接头剪钉预剪力（20.8 MPa）外，还要克服在剪钉被剪断瞬间将管柱流体压入地层的力，因此现场实际应用时，安全接头脱开压差（泵压）高于设计脱开压差是合理的。

张海13-21 井和滨深6 井在完成脱开作业后，进行打捞管串，利用特制捞矛，将管串成功打捞，圆满完成该井施工作业要求。

7 结束语

滑套式安全接头应用可分为功能性和安全性应用。功能性应用包括丢枪、丢封隔器等作业，特别适用于丢点上部管串无法旋转或斜井不易旋转的施工作业，如“射孔—压裂—排液”三联作的工艺上的应用；安全性应用包括压裂、水平井冲砂、特殊井工具打捞等作业，在广泛的作业领域中起到预防及解除井下事故的作用，是油井施工和先进技术试油的保障性工具，同时采用氢化丁腈橡胶作为密封原料，上、下接头均采用42CrMo 材质加工而成，不仅适用于直井、斜井或水平井管柱，也可适用于高温高压管柱。

［1］ 柴国兴，宋开利，古光明，等. 一种新型液压丢手工具研制［J］.钻采工艺，2000，23（2）：52-53.

［2］ 吕瑞典，李怀仲，迟军. 新型随钻安全接头及其强度分析［J］.天然气工业，2008，28（2）：85-86.

［3］ 何云，孙鑫宁，罗文莉，等.液控型安全接头的研制和应用［J］.石油矿场机械，2002，31（4）：46-47.