单筒四井井口采油树结构设计与有限元分析
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2023年第52卷第4期第25页
石油矿场机械
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2023,52(4):25 3
3
文章编号:1001 3482(2023)04 0025 09
单筒四井井口采油树结构设计与有限元分析
陈 力1,赵宝祥1,刘贤玉1,郭 浩1,隋中斐2,刘化国2,于 亮2,李红生2,李鹤群2(1.中海石油(中国)有限公司湛江分公司,广东湛江524000;2.威飞海洋装备制造有限公司,山东东营257029)①
摘要:随着对海洋油气开采产量与效率的要求日益增加,对井口的安全性以及实用性提出了更高的要求。
以中海油湛江分公司“上产2000万m3油气科技专项”为依托,在有限的空间与井槽内设计了1种单筒四井井口采油树。
该井口采油树可提供4个通道,同时进行油气开采,并采用内部锁紧式结构,减少井口本身的泄漏点,提高了安全性。
通过SOLIDWORKS软件进行三维模型建立,并利用ANSYSWORKBENCH软件对单筒四井井口采油树中的关键部件进行有限元分析,得到了应力分布云图,验证了结构设计的正确性。
为试验与现场应用提供理论基础。
关键词:单筒四井井口采油树;内部锁紧式;结构设计;有限元分析
中图分类号:TE931.102 文献标识码:A 犱狅犻:10.3969/j.issn.1001 3482.2023.04.004
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CHENLi1,ZHAOBaoxiang1,LIUXianyu1,GUOHao1,SUIZhongfei2,
LIUHuaguo2,YULiang2,LIHongsheng2,LIHequn2
(1.犣犺犪狀犼犻犪狀犵犅狉犪狀犮犺,犆犖犗犗犆,犣犺犪狀犼犻犪狀犵524000,犆犺犻狀犪;
2.犠犈犉犐犆犗犮犲犪狀犈狇狌犻狆犿犲狀狋犕犪狀狌犳犪犮狋狌狉犻狀犵犆狅.,犔狋犱.,犇狅狀犵狔犻狀犵257029,犆犺犻狀犪)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Withtheincreasingrequirementsfortheproductionandefficiencyofoilyandgasinma rinemining,higherrequirementshavebeenputonthesafetyandpracticalityofthewells.Basedonthe“ScienceandTechnologyProjectofProducing20millionsquaremeters”ofCNOOCZhan jiangBranch,4in1MMW 1andChristmastreewasdesignedinthelimitedspaceandwellgroove.The4in1MMW 1andChristmastreeprovidefourchannelsforsimultaneousoilandgasproductionandhaveaninternallockingstructurethatreducesleakpointsandimprovessafety.The3DmodelwasestablishedbySOLIDWORKSsoftwareandfiniteelementanalysiswascarriedoutonthekeycomponentsofthe4in1MMW 1andChristmastreewithANSYSWORKBENCHsoftware.Thestressdistributionwasobtained,whichverifiedthecorrectnessofthedesignandprovidedatheoreticalbasisforthesubsequenttestandfieldapplication.
犓犲狔狑狅狉犱狊:4in1MMW 1;internallockdevice;structuredesign;finiteelementmethod
① 收稿日期:2022 11 12
基金项目:中海石油科技专项“南海西部油田上产2000万方钻完井关键技术研究”子课题“难动用油田建井技术研究”
(CNOOC KJ135ZDXM38ZJ05ZJ GD)。
作者简介:陈 力(1989 ),男,广东湛江人,硕士,现主要从事海上钻完井技术方面的研究工作,E mail:chenli43@cnooc.com.cn。
近年来,为满足不断增长的能源需要,许多国家都将油气开发的重点投向海洋。
据统计,全世界海洋石油蕴藏量约为1000×108t,天然气储存量约为140×1012m3,深海区域还富含可燃冰资源。
海洋石油天然气勘探开发具有高风险的特点,开发费用高。
为了降低成本,海上单筒多井钻井技术得到了越来越多的应用[1 4]。
井口采油树是油气开采过程中1个至关重要的单元装置,其作用为悬挂各层级管柱,并给油气输送提供密封且可靠的通道。
目前,国内常规的海洋油气井口装置大都采用传统的设计计算方法,采用单筒单井结构,使得所设计的井口装置结构复杂、体积大、成本高且开采效率低[5 6]。
对于高端整体式井口装置,特别是单筒多井的井口装置,国外Cameron、FMC、AkerSolutions等公司的产品占据了大部分市场份额。
单筒多井井口装置的设计制造可以提高我国自主研发与创新能力,同时对海洋油气的开发战略具有重要意义。
本文对单筒四井井口采油树三维建模,并进行结构设计分析,同时对关键承压、承载部件进行有限元分析,其结果可为后续的试验研究与现场应用提供理论依据。
1 单筒四井井口采油树三维模型建立
本文结合现场使用条件、空间以及管柱等信息,按照API6A第21版与NACE0175标准要求[7 8],对单筒四井井口采油树进行了总体设计。
图1所示为单筒四井井口采油树三维几何模型,主要包括底座总成,下部井口总成,上部井口总成以及采油树总成。
1-底座总成;2-下部井口总成;
3-上部井口总成(X4);4-采油树总成(X4)。
图1 单筒四井井口采油树三维模型
单筒四井井口采油树的API6A主要参数如表1所示,相应的管柱程序[9]为1066.8mm导管(42英寸),339.7mm表层套管(13 英寸,共4串),244.5mm生产套管(9 英寸,共4串),177.8mm油层尾管(7英寸,共4串),88.9mm油管(3 英寸,共4串)。
本文设计的单筒四井井口采油树是结合涠洲油田的现场情况,即,1066.8mm(42英寸)隔水管入泥80m,后钻914.4mm(36英寸)井眼至350m深,分别下入4串339.7mm(13 英寸)无接箍套管,完成套管下入后固井。
此表层套管下入方式无需额外的占位工具,操作简单、效率高。
而后的二开、三开则按照预定的要求依次进行。
表1 单筒四井井口采油树各部件犃犘犐6犃参数[10]
部件名称材料级别温度级别规范级别性能级别
额定压力/MPa(psi)
底座总成AAPU(-29~121℃)PSL2PR113.79(2000)下部井口总成DDPU(-29~121℃)PSL2PR134.47(5000)
上部井口总成采油树总成
DD
FF 1.5
PU(-29~121℃)
PU(-29~121℃)
PSL3
PSL3
PR2
PR2
13.79(2000)
34.47(5000)
1.1 单筒四井底座总成
单筒四井底座总成如图2所示,主要由底座、芯轴式套管悬挂器339.7mm(13 英寸)、紧急卡瓦悬挂器339.7mm(13 英寸)、紧急密封装置339.7mm(13 英寸)以及外部相配套的零件组成。
主要零件的结构如图3所示。
底座总成作为整个井口采油树最底端的装置,连接隔水管,并传递井口采油树、管柱等重力给隔水管。
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1-底座;2-芯轴式套管悬挂器(13 英寸);3-紧急密封装置(13 英寸);4-紧急卡瓦悬挂器(13 英寸)。
图2
单筒四井底座总成三维模型
图3 单筒四井底座总成的关键部件三维模型
1) 底座。
尺寸为339.7mm(13 英寸)。
底座包含4个通道,且可用于密封与承载芯轴式套管悬挂器和紧急卡瓦悬挂器。
同时设计有4个侧出口,用于环空压力检测,以及补注水泥等作业。
2) 芯轴式套管悬挂器。
尺寸为339.7mm(13 英寸)。
本体上带有4道O型圈,用于密封表层套管与隔水管之间的压力。
上下部都带有套管螺纹,用于悬挂套管和取送芯轴式套管悬挂器。
在安装的过程中,若出现下放套管卡住的情况,则需要切割套管后安装紧急卡瓦悬挂器。
此悬挂器通过卡瓦牙卡住套管,并将套管重力全部转移到悬挂器上。
由于紧急卡瓦悬挂器只有悬挂套管的作用,因此还需要安装紧急密封装置(尺寸为339.7mm(13 英寸)),用于套管环空的密封。
紧急密封装置外圆上带有4道O型圈,内孔带有2道FS密封圈用于密封套管。
1.2 单筒四井下部井口总成
单筒四井下部井口总成如图4所示,主要由下部井口、芯轴式套管悬挂器244.5mm(9 英寸)、常规式密封装置244.5mm(9 英寸)、紧急卡瓦悬挂器244.5mm(9 英寸)、紧急密封装置244.5mm(9 英寸)组成。
下部井口总成与底座总成采用16个31.75mm(1 英寸)的螺栓连接,同时带有2个定位销来保证两部分之间的连接方向。
下部井口总成主要作用为悬挂以及密封244.5mm(9 英寸)套管,此部分钻井还未到油层,但也有一定的压力,
因此该部件的密封装置的锁紧采用内部锁紧方式,摒弃了以前的顶丝结构,减少了外部泄漏点,增加井口总成的安全性。
下部井口总成设计4个通道,可用于密封与承载244.5mm(9 英寸)芯轴与紧急卡瓦悬挂器,密封装置。
且每个通道设计有2个50.8mm(2英寸)LP螺纹侧出口,用于环空压力检测、压井以及补注水泥等作业。
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72· 第52卷 第4期 陈 力,等:单筒四井井口采油树结构设计与有限元分析
1-下部井口;2-常规密封装置(9 英寸);3-芯轴式悬挂器(9 英寸);
4-紧急密封装置(9 英寸);5-紧急卡瓦悬挂器(9 英寸)。
图4 下部井口总成三维模型
如图5所示为下部井口总成主要部件结构。
正常安装下放过程中,采用芯轴式悬挂器与常规密封装置。
芯轴式悬挂器244.5mm(9 英寸)底部带有套管螺纹,用来连接悬挂套管。
常规密封装置244.5mm(9 英寸)设计有2道外S圈和2道内S圈,用来密封套管环空,保证安全性。
一旦在下放套管的过程中出现卡顿,则需要紧急切割套管,改换紧急卡瓦悬挂器244.5mm(9 英寸),利用自身的卡瓦牙来悬挂套管,并安装紧急密封装置244.5mm(9 英寸),外部带有2道S圈,内部带有2道FS圈来保证整个井口的密封与安全性。
同样的,对于常规与紧急密封装置亦采用内部锁紧式结构。
图5 下部井口总成关键部件三维模型
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1.3 单筒四井上部井口总成
单筒四井井口采油树上部井口部分如图6所示,主要由上部井口总成、油管悬挂器以及侧翼阀门等部件组成,上部井口部分由4个相同的部件组成,且与下部井口的4个通道采用螺纹锁紧式依次连接。
上部井口内部设计有密封孔用于承载与密封油管悬挂器,
同时包含2个侧出口用于环空压力检测,注压井液与补注水泥等作业[11 12]。
1-上部井口总成;2-油管悬挂器。
图6 上部井口总成三维模型
上部井口总成中油管悬挂器三维模型如图7所示,此油管悬挂器同样采用内部锁紧式结构,外部采用2道S圈,脖颈带有2道S圈。
下部带有油管螺纹用于悬挂器油管,
同时预留电缆穿越器通道。
图7 上部部井口总成中油管悬挂器模型
1.4 单筒四井采油树总成
单筒四井采油树总成主要由采油树与异径接头
组成。
采油树为整体式阀体,单翼结构,带有1个手动下部主阀,1个液动安全阀,1个手动清蜡阀。
侧翼带有1个手动闸阀和1个手动节流阀,并配有液动安全阀。
异径接头为偏心结构,下部与上部井口采用12齿螺栓连接,上部与采油树总成连接,同时可密封油管悬挂器脖颈和预留电缆穿越器出口。
图8为采油树总成三维模型。
图9为异径接头三维模型。
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92· 第52卷 第4期 陈 力,等:单筒四井井口采油树结构设计与有限元分析
图8
采油树总成三维模型
图9 异径接头三维模型
2 模型的有限元网格划分
对单筒四井井口采油树关键承压、承载部件进
行有限元模型的建立,采用有限元软件的智能划分
法对各关键零部件进行网格划分,选择四面体网格,
网格数如表2所示,有限元网格模型如图10所示。
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图10 关键部件有限元网格模型表2 关键部件网格数与单元数
部件名称节点总数单元总数
底座本体241439083
下部井口本体173110114148
上部井口本体
芯轴式套管悬挂器(13 英寸)145009
35466
95158
20706
芯轴式套管悬挂器(9 英寸)
油管悬挂器24877
26286
13516
16243
异径接头本体组合阀本体134183
50149
91178
32505
3 数值模拟结果与分析
利用ANSYSWORKBENCH软件平台,并采用Von misses方法[13 14],分别对8个关键承压与承载零部件进行应力分析,得到应力分布云图[15],如图11所示。
1) 底座本体。
采用AISI4340130K材料,其屈服强度为896MPa。
额定工作压力为13.79MPa(2000psi)。
按照API6A第21版要求,施加27.58MPa(4000psi)压力(2倍的额定压力),同时在承载台阶处施加5540kN力(339.7mm68#L80套管的80%管体屈服载荷)[16]。
从图11a知,承载台阶处的应力值最大,最大应力值为254.5MPa,但小于材料的90%屈服强度。
因此,底座本体的设计强度满足要求。
2) 下部井口本体。
采用AISI413075K材料,其屈服强度为517MPa。
整个底座所承受的额定压力为34.47MPa(5000psi),按照API6A第21版要求,施加51.71MPa(7500psi)压力(1.5倍的额定压力),同时在承载台阶处施加3870kN力(244.5mm47#L80套管的80%管体屈服载荷)。
从图11b知,承载台阶处的应力值最大,最大应力值为360MPa,小于材料的90%屈服强度。
因此,下部井口本体的设计强度满足要求。
3) 上部井口本体。
采用AISI413075K材料,其屈服强度为517MPa。
额定工作压力为34.47MPa(5000psi)。
按照API6A第21版要求,施加51.71MPa(7500psi)压力(1.5倍的额定压力),同时在承载台阶处施加738kN力(88.9mm9.3#L80套管的80%管体屈服载荷)。
从图11c知,控制管线出口处的应力值最大,为壁厚最薄弱处,最大应力值为457MPa,但小于材料的90%屈服强度。
因此,上部井口本体的设计强度满足要求。
4) 芯轴式套管悬挂器(13 英寸)。
采用AI SI4140105K材料,其屈服强度为724MPa。
所承受内部压力为34.47MPa(5000psi),同时在底端Tongneck处承受5540kN力(339.7mm68#L80套管的80%管体屈服载荷)。
从图11d知,Tongneck内部连接处应力值最大,但小于材料的90%屈服强度。
因此,芯轴式套管悬挂器(13 英寸)的设计强度满足要求。
5) ST芯轴式套管悬挂器(9 英寸)。
采用AISI414080K材料,其屈服强度为552MPa。
所承受内部压力为34.47MPa(5000psi),同时在底
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端Tongn
eck处承受3870kN力(244.5mm47#L80套管的80%管体屈服载荷)。
从图11e知,Tongneck内部连接处应力值最大,但小于材料的90%屈服强度。
因此,芯轴式套管悬挂器(9 英寸)的设计强度满足要求。
6) 油管悬挂器。
采用AISI41080K材料,其屈服强度为552MPa。
所承受内部压力为34.47MPa(5000psi),同时在底端Tongneck处承受728kN力(88.9mm9.3#L80套管的80%管体屈服载荷)。
从图11f知,用于放置电缆穿越器通道出口处应力值最大,
此处为壁厚最薄弱处,但小于材料的90%屈服强度。
因此,油管悬挂器的设计强度满足要求。
7) 异径接头与组合阀本体。
都采用AISI41075K材料,其屈服强度为517MPa。
额定工作压力为34.47MPa(5000psi)。
按照API6A第21版要求,施加51.71MPa(7500psi)静水压力(1.5倍的额定工作压力)。
从图11g和图11f知,最大应力值均发生在最小壁厚处,最大应力值分别为217MPa和375MPa,均小于材料的90%屈服强度。
因此,异径接头与组合阀本体的设计强度满足要求。
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图11 关键部件应力分布云图
4 结论
1) 单筒四井井口装置采用内部锁紧式结构,减少泄露点,从而增加安全性。
在上部井口与底部井口之间采用螺纹快速连接,减少了安装时间。
2) 单筒四井井口采油树装置采用整体式阀体结构,减少了主阀之间的连接,安装与维护方便,且不存在连接的泄露风险,安全性大幅提高。
3) 有限元分析结果表明,单筒四井井口采油树中关键承压与承载部件均能够满足设计要求。
其中,本体台阶与悬挂器承受的载荷都是按照管柱所承受80%的管体屈服力来计算的,实际应用过程中,其载荷是远小于该力值。
分析结果验证了设计的正确性,可为现场应用提供理论基础。
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