内锁紧悬挂器及井口快速连接装置结构设计研究

詹良斌，刘方，胡曼玉，肖艳平

（1.苏州道森钻采设备股份有限公司，江苏 苏州 215000；2.长江大学机械结构强度与振动研究所，湖北 荆州 434023）

1 前言

套管悬挂器作为井口系统的主要组成部件之一，在下入高压井口时，起到悬挂支撑管柱的作用。油管悬挂器作为采油树的关键部件，主要用于悬挂油管、密封油管和油层套管，提供油气生产通道，分离上下空间，并承受井压和安装时的提升拉力。

现有常规套管、油管悬挂器从功能上来说还不能满足一些特殊的井下作业需求。袁伟楠等人认为，渤海首次在套管坐挂的悬挂器中，套管与悬挂器间隙较小，存在坐挂不成功、固井憋压等问题，作业风险高。刘洋等人对2 种现有的金属密封结构件的分析表明载荷较大时常规悬挂器中的金属密封结构不能满足现场使用要求。孟庆飞在渤海油田的现场调研中发现传统井口快速连接装置在安装时操作困难，费时费力，导致作业工期较长。

针对上述问题，本文设计了一种内锁紧悬挂器及井口快速连接装置。对井口快速连接装置、锁紧环以及快速连接弯矩测试工装进行力学模型的建立，开展有限元仿真模拟分析，对芯轴式套管悬挂器、卡瓦式套管悬挂器、油管悬挂器以及井口快速连接装置进行PR2 测试，与现有悬挂器相比，本文设计的结构具有省时、省力、可靠的优点，功能更加强大。同时，也为内锁紧悬挂器及井口快速连接装置的结构设计、各种安全施工作业提供了一定的借鉴。

2 结构设计及材料属性

2.1 井口快速连接装置

（1）井口快速连接装置结构。井口快速连接装置采用的规格是13-5/8 10K，整体装置结构如图1 所示，主要包含上部连接、下部连接以及锁紧装置。上部连接采用了4-1/16 10K 栽丝法兰，下部连接采用的是13-5/8 10K 快速连接兼容API 16A 13-5/8 10K 卡箍。锁紧装置是井口快速连接装置最关键的部分，它决定了整个产品的结构，它主要包括变径法兰、快连本体、锁块、锁紧螺钉、锁紧螺母等。

图1 井口快速连接装置结构图

（2）主要材料属性。井口快速连接装置的主要零件材料属性如表1 所示。变径法兰、快连本体以及锁紧螺母均采用4130 结构钢，屈服强度≥785MPa，锁块和锁紧螺钉均采用4140 材料，表面处理工艺采用QPQ，屈服强度≥930MPa。

表1 井口快速连接装置各零件材料及力学性能参数

2.2 油管悬挂器

（1）油管悬挂器结构。13-5/8X 4-1/2 油管悬挂器结构如图2 所示，主要由本体、锁紧环、激活环、固位环、主密封、颈部密封等组成。锁紧环采用专用工具进行激活，激活及取出力矩小，操作简单方便。其中油管悬挂器送取工具如图3 所示。

图2 油管悬挂器结构图

图3 油管悬挂器送取工具

（2）主要材料属性。油管悬挂器的主要零件材料属性如表2 所示。本体采 用4130(75k) 结 构 钢，屈服强度≥517MPa， 锁紧环采用4340(135k)， 屈服强度≥862MPa， 激活环采用4140(110k)， 屈服强度≥790MPa。

表2 油管悬挂器各零件材料及力学性能参数

2.3 芯轴式套管悬挂器

（1）油管悬挂器结构。型号为13-5/8X 9-5/8 和13-5/8X 7 的芯轴式套管悬挂器结构分别如图4（a）和图4（b）所示，主要由本体、锁紧环、激活环、固位环、主密封、颈部密封等组成。锁紧环采用专用工具进行激活，激活及取出力矩小，操作简单方便。其中套管悬挂器送取工具如图5 所示。

图4 芯轴式套管悬挂器结构图

图5 芯轴式套管悬挂器送取工具

（2）主要材料属性。芯轴式套管悬挂器的主要零件材料属性如表3 所示。本体采用4140(110K)/4130(75k)结构钢，屈服强度≥790MPa/7517MPa，锁紧环采用4340(135k)，屈服强度≥862MPa，激活环采用4140(110k)，屈服强度≥790MPa。

表3 芯轴式套管悬挂器各零件材料及力学性能参数

2.4 卡瓦式套管悬挂器

该卡瓦式套管悬挂器由C21 型卡瓦悬挂器和PACKOFF组成，型号为13-5/8X 9-5/8和13-5/8 X7两种，均采用PU-DD-PSL3-PR2F 材料，结构如图6（a）和图6（b）所示，具有密封性好及承载能力强的特点。

图6 卡瓦式套管悬挂器结构图

3 有限元分析

利用有限元软件对快速连接装置、锁紧环和快速连接弯矩测试工装三种装置进行仿真分析，建立有限元模型，采用六面体占优进行网格划分，赋予材料属性，并且设置了载荷、约束、接触对和单元类型，分析结果如下。

3.1 快速连接计算分析结果

井口快速连接装置应力分布如图7 所示，最大应力值为80.13ksi，位置出现在锁紧螺钉与锁块接触处。快连本体起到连接变径法兰和悬挂器本体的作用，拧紧锁紧螺钉后，螺钉发生轴向位移，锁块被挤压，锁块与锁紧螺钉的接触部分发生向上的位移，因此两者接触部位应力最大。根据表1 材料属性可知，快速连接的最大应力在许可范围内，强度满足要求。

图7 井口快速连接装置应力云图

3.2 锁紧环计算分析结果

油管悬挂器中锁紧环应力分布如图8 所示。最大应力值为323.4ksi，位置出现在锁紧环与悬挂器本体接触处，最大应力为323.4ksi，大于屈服应力，这是由于锁紧环在工作中仅起到固定悬挂器本体的作用，局部发生轻微屈服，同时在有限元分析过程中，对模型进行了圆角和倒角简化处理，产生了应力集中。综合上述两点原因，最大应力位置对悬挂器总体工作性能产生的影响可忽略，因此结构仍满足设计要求。

图8 锁紧环应力云图

3.3 快速连接弯矩测试工装有限元分析

井口快速连接装置弯矩测试工装位移分布如图9 所示，最大位移为3.4mm，位于工字钢端部，这是由于该位置承受载荷发生变形而导致，其最大位移量在许可变形范围内，符合实际工况要求。

图9 快速连接弯矩测试工装位移云图

4 PR2 测试

PR2 测试是根据美国API 学会标准要求，对石油钻采用阀门进行的一项性能测试，整个测试过程涉及阀门的承压、高低温环境下的密封性能等，主要用于验证阀门、井口和采油树及其部件PR2 性能的试验装置。PR2性能试验包括强度试验、密封试验、阀门最高/最低温度下的开启关闭动态试验、阀体压力/温度循环试验、操作力矩试验等。性能鉴定试验在试制的产品或者样机上进行，一般使用氮气作为实验的介质，需要一套完善的实验装置，包括超高压压力实验台、高低温保温环境箱、扭矩循环装置、软件操作系统、压力监控系统、温度监控系统等。

4.1 快速连接器PR2 测试

对井口快速连接装置进行PR2 测试，现场测试如图10 所示，分别对温压循环、弯矩、装配及拆卸等进行测试，试验结果符合相关设计规范，设计结构合理。

图10 快速连接器PR2 测试现场

4.2 油管悬挂器的PR2F 测试

图11 为油管悬挂器PR2 测试试验图，分别对载荷循环、内压、温压循环、固位、上下密封、BPV 等进行了测试。图12 是PR2 测试自动采集生成的试验曲线图，油管悬挂器结构测试参数值符合相关设计准则，满足现场使用要求。

图11 油管悬挂器PR2 测试试验图

图12 油管悬挂器测试曲线图

4.3 芯轴式套管悬挂器的PR2F 测试

图13 为芯轴式套管悬挂器PR2 测试试验图，分别对载荷循环、内压、温压循环、固位、上下密封等项目进行了测试。图14 是PR2 测试自动采集生成的试验曲线图，结果顺利通过PR2 性能鉴定试验，验证了芯轴式套管悬挂器设计的合理性。

图13 芯轴式套管悬挂器PR2 测试试验图

图14 芯轴式套管悬挂器测试曲线图

4.4 卡瓦式套管悬挂器PR2 测试

图15 为卡瓦式套管悬挂器PR2 测试试验图，分别对载荷循环、内压、温压循环、固位、上下密封等项目进行了测试。测试结果表明卡瓦式套管悬挂器的设计与制造符合PR2 级的性能要求。

图15 卡瓦式套管悬挂器PR2 测试试验图

5 结语

经过上述内锁紧悬挂器和井口快速连接装置结构设计、有限元分析以及PR2 测试得出以下结论。

（1）所设计的13-5/8 X9-5/8 10K、13-5/8 X7 10K、13-5/8 X4-1/2 10K 型内锁紧芯轴悬挂器，13-5/8 X 9-5/8 、13-5/8 X7 型卡瓦悬挂器以及13-5/8 10K 井口快速连接装置，具有操作简单、密封性好及承载能力强的特点，较常规悬挂器和快连装置更省时、省力、可靠。

（2）通过对井口快速连接装置、锁紧环及快速连接弯矩测试工装有限元分析可得，上述3 种装置最大应力和变形均处于许可范围内，满足相关设计规范。

（3）经快速连接器、油管悬挂器、芯轴式套管悬挂器及卡瓦式套管悬挂器现场测试，结果表明，上述装置均达到PR2 级性能要求，其各项功能和试验数据均符合相关标准。