连续油管倒管作业对接装置的设计与应用*

张 乾，王方祥，李道松，赵增权，李 龙 ，徐庆祥

(中国石油渤海钻探工程有限公司井下技术服务分公司 天津 300283)

0 引 言

近几年，连续油管作业因其施工快、周期短、可带压作业等优点[1-2]，在油气井井下作业技术领域得到普遍应用，如射孔[3]、打捞[4]、拖动压裂[5]等。连续油管因使用寿命要求[6]或因施工工艺要求等，常需进行倒管作业，即将连续油管在不同功能的滚筒间进行倒换。以连续油管由运输滚筒倒管到工作滚筒为例，连续油管穿过工作滚筒的限位孔，向滚筒内部的管汇接头传送，同时调整连续油管接头的方位，使其完全对正管汇接头，方能实现成功对接。

连续油管倒管作业最大的难点是如何保证连续油管接头与滚筒内部管汇接头完全对正。这主要是因为： 1)由于不同工作滚筒内部管汇接头的位置均不一样，且穿过限位孔的连续油管接头有可能在管汇接头上方的任何方位，所以无法设计固定的对接装置，只能以实际的对接情况改变安装策略； 2)连续油管穿过限位孔后伸出长度仅1 m左右，管子短且刚度大，硬度高，很难依靠人力矫正对接； 3)工作滚筒内部的作业空间狭小，不便于操作工具。目前，倒管作业无合适的工具使用，完全依靠人力推拉矫正管子，需4～5人齐力才能克服管子的刚度，进行微调、对正接头。由于人员力度不易控制，稍有不慎，就需反复操作；同时，需人员钻进工作滚筒内配合操作，管子若有反弹，极易发生机械伤人事故。倒管作业过程中对正连接连续油管一般耗时4 h，不仅费时费力，而且存在极大的安全隐患。但目前关于此问题的研究鲜有文献报道。因此，解决倒管作业难题，深入提速增效已迫在眉睫。

为此，本文采用机械设计中三维空间共面性和共线性分析方法，形成对接装置的设计思路，结合流体力学计算方法，优选梯形迷宫密封的结构参数，通过试压试验检验密封的有效性，设计对接装置，保证连续油管倒管作业安全高效地进行，对提速增效具有一定意义。

1 对接装置的设计思路

连续油管接头与滚筒内部管汇接头无法完全对正，是因为两者接头的轴线在空间位置上既不共面，也不共线，如图1所示。所以，需设计一种非固定式的对接装置，通过调整该装置，首先使两者接头的轴线处于同一平面上，然后使接头的轴线共线，从而实现成功对接。

图1 接头空间位置图

解决共面的问题，也就是解决对接角度的问题，使两者接头的倾斜角度一致。为此，在对接装置上设计一种球铰接万向轴密封连接机构，使球头短节可以360°自由旋转，从而解决不共面的问题。通过调节球头短节的旋转角度，使两者接头的轴线共面且相互平行。

解决共线的问题，也就是解决两者接头轴线之间距离的问题。由于轴线已在同一平面内相互平行，只要在该平面内平行移动球头短节，调节轴线之间的距离，就可使两者的轴线共线。为此，在对接装置上设计一种直线伸缩密封连接机构，使球头短节的轴线在平面内沿直线自由移动。

2 对接装置的整体设计

根据连续油管的使用工况，结合旋转结构、伸缩结构和密封结构[7]，设计的对接装置整体结构如图2所示。该对接装置主要利用了两部分机构，一是球铰接万向轴密封连接机构，实现360°旋转，解决共面问题；一是直线伸缩密封连接机构，实现直线自由伸缩，解决共线问题。为了保证两处机构连接处的密封性，球头短节处设计了包胶密封，直线伸缩连接处设计了梯形迷宫密封结构。

图2 对接装置的整体结构图

该对接装置主要包括球头短节1、球座端盖2、弯短节3和固定短节4。球头短节1连接到连续油管接头上，半球形球座5与球座端盖2通过紧固螺栓连接，形成球形空间，与球头短节1的球头部分相配合，通过包胶密封[8]6实现球头与球座之间的密封，形成球铰接万向轴密封连接机构。

固定短节4插入弯短节3的梯形迷宫密封7内腔内，通过拧紧由壬挤压锥形环8固定安装在弯短节3上。弯短节3可沿固定短节4的轴线进行直线伸缩运动，从而带动球头短节1的直线运动，形成直线伸缩密封连接机构。

3 密封结构优选

浮动密封形式[9-10]能够减小伸缩移动的阻力，但需通过优选密封结构保证其密封性。梯形迷宫密封利用自身迷宫流道结构，使高压流体流过时产生巨大的摩阻损耗，将压力降为0，从而实现密封目的[11]。

根据梯形迷宫密封的结构特点，采用流体力学计算方法[12-13]，以密封的漏失量为标准分析迷宫密封结构的密封性能。梯形迷宫密封的结构如图3所示，基本结构参数确定有效长度为8.5 mm，齿尖角为30°，空腔深度为1 mm。需优选其齿数和齿顶宽。

经过流体力学方法计算获得漏失量与齿数和齿顶宽的关系，如图4所示。

在密封长度一定的条件下，对于梯形齿的迷宫密封，齿数和齿顶宽的关系为式(1)：

图3 梯形迷宫密封结构图

图4 漏失量与齿数和齿顶宽的关系图

ntWt+(nt+1)Wc=L

(1)

式中:nt为齿数；Wt为齿顶宽，mm；Wc为空腔与节流间隙交界面宽度，mm；L为密封长度，mm。

由图4可知，在密封长度一定的条件下，齿顶宽越大，泄漏量越大。根据式(1)，在密封长度一定的条件下，齿数越少，齿顶宽越大，齿顶宽的增加使空腔变小，空腔对流体能量的耗散能力减弱，所以密封效果变差。综合而言，应该尽量增加齿数，减小齿顶宽度。所以，优选梯形迷宫密封的齿数是5个，齿顶宽为0.8 mm。

4 试压试验

根据连续油管的施工现场要求，对该对接装置进行70 MPa的压力试验，以验证其密封性。试压过程中，首先升压至30 MPa，稳压10 min，之后以10 MPa为一个压力梯度，逐渐升压至70 MPa，在每一个压力梯度值均稳压10 min，压降小于0.7 MPa为合格。试压试验获得的试压曲线如图5所示。

图5 试压曲线图

试压过程中，在每一个压力梯度值处，稳压10 min内，压降为0。观察对接装置的密封连接处，无明显的渗漏。说明该对接装置完全能够满足密封需求。

5 现场应用

连续油管倒管作业所用的对接装置如图6所示。该装置代替工作滚筒内部的固定弯接头，已应用到倒管作业过程中，应用情况见表1。

图6 对接装置实物图

表1 应用情况

以官页3-1Z井为例，说明该对接装置的应用情况。官页3-1Z井进行不压井完井作业，需要通过连续油管投球，并注入高压流体在井内坐封桥塞，实现井筒暂闭。现场作业过程需要更换满足施工要求的工作滚筒，利用该对接装置现场完成倒管作业，用时0.5 h。施工过程中，Ф45 mm的钢球顺利通过对接装置，坐到桥塞的球座上，连续油管通过地面泵打压60 MPa，完成桥塞坐封、丢手过程。整个作业过程无流体渗漏，实现了安全高效施工。

现场的应用表明，该对接装置安装使用方便，密封连接可靠，对正快捷高效，两人即可完成对接工作，不仅提高了作业的安全系数，而且大幅缩短了作业时间，提高倒管作业效率700%，保证连续油管作业安全高效的进行。

6 结 论

1)采用三维空间共面性和共线性分析方法，设计了球铰接万向轴密封连接机构和直线伸缩密封连接机构，解决了连续油管倒管作业过程中接头对正连接的问题。

2)采用流体力学计算方法，优选了梯形迷宫密封的结构参数，优选的齿数为5个，齿顶宽为0.8 mm。

3)对接装置对正快捷高效，密封连接可靠，使用安全方便，可提高倒管作业效率700%，保证连续油管作业安全高效的进行。