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滑套式安全接頭的設計與研制

文檔作者：李金鳳李哲陳志忠陳薛飛文檔來源：渤海鉆探井下技術服務分公司管具服務中心		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年10月18日
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第35卷第6期
2013年11月
石 油 鉆 采 工 藝
OIL DRILLING&amp;amp; PR0DUCTION TECHN0L0GY
Vo1．35 No．6
NOV．2013
文章編號：1000—7393(2013)06—0109—03
滑套式安全接頭的設計與研制
李金鳳李哲陳志忠 陳薛飛
(渤海鉆探井下技術服務分公司管具服務中心，天津300283)
引用格式：李金鳳，李哲，陳志忠，等．滑套式安全接頭的設計與研制[J]．石油鉆采工藝，2013，35(6)：109．111．
摘要：安全接頭的種類繁多，結(jié)構(gòu)各異，其實施丟手作業(yè)方式多為旋轉(zhuǎn)管柱。隨著水平井、大斜度井以及聯(lián)作作業(yè)管串的
逐步增加，以旋轉(zhuǎn)管柱的方式實施丟手的安全接頭，由于井身結(jié)構(gòu)及施工管串的技術限定，致使安全接頭丟手可靠性低，甚至無
法實現(xiàn)丟手作業(yè)。為此，設計研制了滑套式安全接頭，該安全接頭只需投球憋壓即可實現(xiàn)實施丟手作業(yè)。從根本上杜絕了管串
丟手時無法實施的拉、壓、扭作業(yè)，功能及性能上滿足各種復雜作業(yè)需求。滑套式安全接頭結(jié)構(gòu)設計簡單合理，可操作性強，應
用范圍廣泛。室內(nèi)實驗及現(xiàn)場應用證實了滑套式安全接頭的性能穩(wěn)定性及操作的可靠性，可進一步推廣應用。
關鍵詞：滑套式安全接頭；投球憋壓；結(jié)構(gòu)；工作原理
中圖分類號：TE921 文獻標識碼：B
Design and development of sliding sleeve safety joint
LI Jinfeng，LI Zhe，CHEN Zhizhong，CHEN Xuefei
(Downho~TechnicalServiceCompany，BohaiDrillingandExplorationCompany,77anjin 300283，Ch／na)
Abstract：Safety joints are various in kind and diferent in structure，and rotating strings are mainly taken for the releasing operation．
With the increase ofhorizontal well，hilgh deviated well and combined strings，the complex wellbore structure and technical limitation
of working string leads to low reliability and even failure of safety joint releasing operation．Therefore，sliding sleeve safety joint
was designed and generated，an d it can finish releasing operation by ball dropping and pressure building．The new method avoided the
operations ofdragging，pressing，and wrenching ofstring releasing，and fulfilled various complex operations from function and property
points of view．The sliding sleeve safety joint has simple and appropriate structure design，with s~ong operability,and wide application
region．The indoor and field tests proved the property stability and operational reliability of the sliding sleeve safety joint，SO it could be
applied furtheE
Key words：sliding sleeve safetyjoint；ball dropping and pressure building；structure；working principle
目前國內(nèi)油田使用的安全接頭多為倒扣式安全
接頭，螺紋的配合需要一定的預緊力，在地面必須上
緊，這就導致脫開難度大，尤其是在斜井或水平井安
全接頭不能處于受拉狀態(tài)，更難以倒開，還可能損傷
螺紋。經(jīng)過多方面的調(diào)研¨。 及分析，最終研制出新
型滑套安全接頭，該接頭不僅結(jié)構(gòu)合理，操作簡便，
現(xiàn)場應用成功率較高。
1 結(jié)構(gòu)
滑套式安全接頭主要由上接頭、滑套、剪斷銷
釘、下接頭等組成(見圖1)，上接頭下端為彈性分瓣
爪結(jié)構(gòu)(見圖2)，與下接頭配合處為嵌入式結(jié)構(gòu)，用
于承受載荷和傳遞扭矩。
上接頭 滑套 剪斷銷釘 下接頭
圖1 滑套式安全接頭結(jié)構(gòu)示意圖
作者簡介：李金鳳，1968年生。1992年畢業(yè)于西安石油學院采油工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事井下工具設計研發(fā)工作，高級工程師。電話：022．
25931858。E—mail：l infeng386@sina．com．cn。
110 石油鉆采工藝2013年l1月(第35卷)第6期
分瓣爪
圖2 安全接頭上接頭結(jié)構(gòu)示意圖
2 工作原理
滑套式安全接頭靠上接頭上的鎖爪臥人下接頭
凹槽內(nèi)，通過中間的滑套支撐，防止鎖爪回縮，滑套
利用下接頭上的剪斷銷釘固定。組裝時上接頭上擋
鍵插入下接頭上的鍵槽內(nèi)，傳遞扭距。需要丟開管
柱時，油管內(nèi)投球，坐于安全接頭滑套上，憋壓到20
MPa左右，剪斷銷釘，滑套和球一起下行到上接頭分
瓣鎖爪以下，分瓣鎖爪失去滑套的支撐，上提管柱，
分瓣鎖爪向內(nèi)收縮，安全接頭上下接頭脫離，可提出
上部管柱。
3 滑套式安全接頭的計算
3．1 剪斷銷釘直徑的計算
滑套打開壓力由剪斷銷釘直徑的大小來控制。
剪斷銷釘采用45#鋼，正應力值Crb為60 kg／mm ，剪
應力值7_b=0．8(7 =48 kg／mm ，剪斷銷釘數(shù)量設計為4
個?；状蜷_時作用在滑套上的壓力與銷釘剪切力
相等，即
p D ／4=Kn~dZ％／4 (1)
推導得出
『pD ／(Knob) (2)
式中， 為剪斷銷釘時內(nèi)壓力，kg／mm。；D為滑套外
徑，mm；n為剪斷銷釘數(shù)量；d為剪斷銷釘直徑，
mm；7-b為剪斷銷釘?shù)募魬Γ琸g／mm ；K為不均勻
系數(shù)，取0．9。
3．2 分瓣爪抗拉強度計算
因安全接頭要適用于高壓壓裂管串，抗拉強度
不得低于油管絲扣抗拉極限載荷。工具薄弱點在上
接頭分瓣爪最小直徑處，此處橫截面見圖3。
圖3 分瓣爪小徑處橫截面
由圖3可看出，分瓣爪小徑處橫截面積可近似
表示為
= (DlZ-d1 )／4—12e(D1-d1)／2 (3)
式中， 為分瓣爪小徑處橫截面積，mm ；D 為上接
頭小徑處外徑，mm；d 為上接頭小徑處內(nèi)徑，mm；
e為分瓣間隙，mm。
分瓣爪抗拉許用負荷為
Q=A[ ] (4)
式中，Q為分瓣爪抗拉許用負荷，kN；[ ]為材料許
用正應力，[盯]： 。／n。，kg／mm ；，2。取1．5~2．0。
經(jīng)過計算，分瓣爪許用抗拉負荷為690 kN。
070．025 film加厚油管(N80，壁厚5．5l mm)絲扣抗
拉極限載荷為657．4 kN，小于分瓣爪的抗拉許用
負荷。
3．3 抗內(nèi)壓強度計算
安全接頭抗內(nèi)壓薄弱點在下接頭上端大徑處。
抗內(nèi)擠強度公式為
P=2K1[仃]m／D外 (5)
式中，P為安全接頭內(nèi)部壓力，kg／mm ；K 為不均勻
系數(shù)，取0．875；[ ]為材料許用正應力，kg／mm ；m
為壁厚，mill；D外為安全接頭薄弱點處外徑，mm。
經(jīng)過計算，安全接頭在許用正應力下可承壓8．1
kg／mm ，而設計的最大工作壓力為7 kg／mm ，完全能
滿足設計及現(xiàn)場使用要求。
4 主要技術參數(shù)
滑套式安全接頭主要技術參數(shù)見表1。
表1 滑套式安全接頭主要技術參數(shù)
規(guī)格 177．8mm l39．71Tfn O101．6mm
剛體最大外徑／mm 105 95
工具總長／ram 450 450
最小內(nèi)通徑／ram 50 50
連接螺紋 2．7／8UPTBG 2—7／8UPTBG
密封壓力／MPa 70 70
解卡壓力／MPa 20 20
工作溫度／℃ 16O 160
抗拉負荷／kN 700 700
抗扭／kin·m 5 5
90
450
45
2—7／8TBG
70
20
160
600
4
5 室內(nèi)實驗
5．1 密封試驗
將組裝好的安全接頭上接頭連接試壓接頭與
試壓泵試壓管線連接，下接頭用母絲堵堵死，啟動
試壓泵升壓至71 MPa，穩(wěn)壓10 min，壓力降至70．3
MPa，密封部位無滲漏；繼續(xù)升壓至81 MPa，穩(wěn)壓
10 min，壓力降至80．6 MPa，有壓降但密封部位無滲
漏滴水現(xiàn)象。設計安全接頭高壓密封 能良好。
5．2 安全接頭上下分離實驗
將密封實驗后的安全接頭下部絲堵去掉，上部

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