0 引言

油管悬挂器是深水油气开采的关键设备，主要用于悬挂油管柱，提供油气生产及环空通道。油管悬挂器上设有许多接头、阀门、通道和密封，这些结构提供了流体在油井中的导向和控制，可防止油气从油井中流入环境，还可把化学药剂、水、气体等灌注到井下。油管悬挂器安装回收工具通过海洋隔水管和防喷器组的内通道，对油管悬挂器进行安装、回收作业以及安装后的密封测试和井下作业，是油管悬挂器极其重要的配套工具。

目前，国外深水水下采油树以及油管悬挂器的配套工具技术成熟，其供应商主要为FMC、Cameron、Aker Kraemer和Drill-Quip等^[1]。上述公司的配套工具与水下采油树系统同步发展，形成了与主设备相匹配的系列化配套工具^[2]。这些水下产品及配套设备均为专业化生产，其加工制造方法的优化经历了漫长的时期，积累了丰富的制造实战经验^[3]。国内相关领域的研究较少，海洋油气田开采过程中多采用联合开采的模式，或租用国外各种水下工具产品。叶天源等^[4]总结了油管悬挂器安装工具锁紧机构设计要点和可靠性分析，赵宏林等^[5]针对设计水深为1 500 m的油管悬挂器下放工具进行了结构和关键参数设计。宝鸡石油机械有限责任公司(以下简称宝石机械)依托国家工信部项目“水下立式采油树研制”，研制了油管悬挂器安装回收工具。该工具的成功研制打破了国外技术垄断，对同类产品的设计、制造以及水下设备的配套和推广有积极的借鉴作用。

1 技术分析 1.1 功能描述

根据水下采油树的结构形式，油管悬挂器可布置于水下采油树本体内或水下井口装置顶层套管悬挂器内。图 1为典型的水下采油树、油管悬挂器、油管悬挂器安装回收工具及上部设备的布置方案。油管悬挂器安装回收工具应满足以下功能要求：

(1) 在海洋平台/钻井船上安装和回收油管悬挂器；

(2) 油管悬挂器安装导向；

(3) 油管悬挂器接头的密封连接；

(4) 将油管悬挂器锁定到目标井口或目标采油树；

(5) 油管悬挂器安装到位后的状态检测，如安装位置、密封面测试和功能测试等；

(6) 该工具与油管悬挂器之间的锁紧和解锁操作；

(7) 该工具通径可允许钢丝绳堵塞器的安装和回收；

(8) 在紧急情况下，如控制管线压力异常、遇到海啸台风等恶劣天气时，能紧急回收工具。

1.2 设计准则

水下钻井和采油类设备的产品规范级别(PSL)的选择主要取决于设备的工作压力、水深和作业环境等因素^[6]。油管悬挂器安装回收工具属于油管悬挂器系统的送入工具，其产品规范级别、材料级别和温度级别等应不低于需配套的油管悬挂器。为了提高工具的安全性和互换性，该工具的额定压力为69 MPa，能适用于酸性和硫化氢的作业环境，可悬挂水下4 000 m油管柱。根据标准API 17D的推荐性选择^[6]，该工具的产品规范级别为PSL3，材料级别为DD级。

1.3 总体结构设计

油管悬挂器安装回收工具是中空的套筒式结构，采用液压驱动，动力由水面控制平台提供，避免了工具的使用范围受作业水深的影响。该工具从2016年初开始详细设计，主要由主体、锁紧解锁机构、油管悬挂器锁紧解锁机构、C形卡环、安装头总成和导向杆等零部件组成，其结构如图 2所示。工具大端连接钻杆转换接头，通过密封筒和密封接头实现主通径及液压控制油路的连通和密封，为主通径压力测试、工具锁紧解锁、油管悬挂器锁紧解锁、悬挂器锁紧反馈以及工具紧急回收等一系列操作提供密封通道。安装头总成与油管悬挂器液压接头的密封连接，为测试油管悬挂器密封、注入化学药剂、安全阀控制和智能井控等作业提供密封通道。

1.4 工作原理

钻杆短节及钻杆柱与油管悬挂器安装回收工具连接，该工具随钻杆柱在导向块的引导下下入油管悬挂器内部的坐放面，高压液体驱动工具锁紧装置的活塞体滑动，将锁紧块挤入油管悬挂器的锁紧环槽内，实现工具与油管悬挂器及液压接头的有效连接；继续下放钻杆柱到达油管悬挂器的安装目标位置，高压液体驱动油管悬挂器锁紧装置的锁紧套筒滑动，使工具的锁紧驱动套推动油管悬挂器的锁紧套筒向下移动，胀开油管悬挂器的锁紧环，实现油管悬挂器锁紧。通过水面控制平台，检测测试液的闭环反馈对安装状态进行检查确认，油管悬挂器进行密封组的密封测试、钢丝绳堵塞器的安装以及堵塞器上下游的密封测试等作业。

2 关键结构设计 2.1 主体设计

宝石机械设计的油管悬挂器安装回收工具主体结构如图 3所示。

油管悬挂器安装回收工具主体是连接上部钻杆接头和油管悬挂器的关键载体，也是其他结构布局和控制流道设置的主体，为多台阶面的回转体结构。该工具主体上需安装和配合的零件多、工具控制功能流道集中，导致工具主体的设计成为整套工具的设计关键点和难点。首先，工具主体自上而下需安装外筒体、内筒体和底部挡环总成等10余个零件，且多处是螺纹连接，其螺纹选型既要满足连接强度要求，又要满足狭小的设计空间要求。其次，由于多处密闭腔体的设计要求，工具主体与其他零件间多处为密封配合；同时，为满足工具与油管悬挂器之间的锁紧和解锁操作行程要求，个别密封面较长，且与连接螺纹交错布局。最后，工具主体上分布有多个贯穿孔路和液压控制孔路，其油路分布、位置设计和逻辑关系也是本设备的设计难点。

2.2 油管悬挂器锁紧/解锁机构设计

油管悬挂器的有效锁紧是悬挂器上端液压接头、悬挂器与采油树复合电液贯穿装置顺利对接，以及安装后的悬挂器和采油树的一系列密封和压力测试的重要保证，因此安装回收工具对锁紧/解锁的可靠性要求极高。该工具采用具有安装反馈功能的锁紧/解锁机构，利用液压驱动锁紧装置内外筒体相对于工具主体向下或向上移动，使油管悬挂器的锁紧环胀开和缩回，实现油管悬挂器与目标本体的锁紧和解锁。图 4所示为锁紧环胀开，油管悬挂器锁紧到H4型面本体的安装状态。锁紧操作和解锁操作之间通过机械结构实现功能联锁，有效避免了误操作；锁紧检测回路的设计可以在水平操作平台直观地反馈油管悬挂器安装状态。该方式完美地解决了油管悬挂器安装过程操作繁琐以及锁紧状态检测困难等问题。

2.3 锁紧/解锁机构设计

锁紧/解锁机构由下筒体、锁紧环、活塞体和底部挡环总成等组成，如图 5所示。锁紧环是锁紧/解锁的执行机构，齿型结构的外轮廓面与油管悬挂器提升环内侧的锁紧卡槽相对应。活塞体外轮廓为梭形结构，通过向活塞体向上或向下移动，使锁紧环缩紧和胀开，从而实现工具与油管悬挂器之间的解锁和锁紧。

2.4 密封结构设计

密封结构是决定安装回收工具性能及可靠性的关键部件之一。油管悬挂器下放到位后，需对油管悬挂器多组密封环和控制管线进行压力测试，以及安装钢丝绳堵塞器后对钢丝绳堵塞器的密封测试。密封结构由密封筒、密封接头、唇形密封组和S形密封组成，局部密封压力可达100 MPa。各处密封的选择原则如下：主通道密封选用密封截面较大的唇形密封，部件间的动密封选用带金属骨架的S形密封。试验证明，此类密封选择方式密封效果良好，可同时满足安装空间小和密封压力高的要求。

3 关键零件加工情况

水下装备产品的结构形式、材料选择、加工工艺和工作环境等均与陆地同类产品有很大的差别^[7]，国内海洋装备技术力量薄弱，在制造工艺方面无借鉴资料。从机加工工艺的角度审视，该工具体积大，结构复杂，细长盲孔多，表面粗糙度要求高，尺寸精度和形位公差要求高。

工具中采用了大量的密封结构，多处密封面需要满足超过100 MPa压力的密封要求，这些密封面表面粗糙度要求较高，局部为镜面，并且密封结构分布在工件的内孔、扩径孔和锥面等位置。宝石机械采用了特殊的表面加工方法，该方法通过高频振动使工件表层金属产生塑性变形，以达到改善表面质量的目的。

工具需要连接的零件较多，对中性要求高，且连接许用间隙较小，因此在设计中大尺寸螺纹多选用强度高、间隙可调的非标梯形螺纹或非标短齿梯形螺纹。同时工具需适用于海洋等腐蚀环境，须对连接螺纹进行特殊防腐处理。该工艺使内外螺纹的中径等尺寸均产生了变化，须对多种非常规的螺纹、量具、工具、检具等进行非标设计和制造，从而满足连接和防腐要求。

工具主体中控制孔路多，结构复杂，需要加工大量的小、直径深长孔。这些小孔最大的长度与直径比率达到200倍以上，超过了专用深孔加工装置的工作极限。宝石机械通过机床适应性改造，扩大了钻孔设备的深长孔加工倍径范围，采用冷却和排屑工艺，解决了加工过程中由于刀具直径小、刚性差造成的孔直线度差、钻头折断等难题，保证了细长孔的加工质量。

4 试验情况

为了确保油管悬挂器安装回收工具整机满足油管悬挂器安装、回收和测试等操作要求，需对工具进行设计确认试验和工厂验收试验，以验证产品的性能指标满足设计要求^[8]。该工具设计和制造中采用了许多新材料、新工艺和新方法，这些创新技术也需要通过严格的测试来验证。依据国家和石油行业相关标准法规，以及API 17D规范的相关要求，工具需进行主要承压件的静水压试验和密封试验，以及设备的载荷试验、通径试验、压力循环试验和锁紧解锁机构、检测机构的操作功能试验等^[9]。在试验平台搭建和试验配套工装的制造基础上，宝石机械于2017年底完成工具的各项试验，试验结果满足设计要求。主要试验内容如下：①工具主体完成耐压等级大于1.5倍额定工作压力等级的静水压试验；②工具整机完成承载能力大于额定载荷1.5倍的悬挂载荷试验；③整机通径试验满足主通道通过性要求；④油管悬挂器安装、回收、锁紧、解锁和锁紧反馈等功能试验满足设计要求；⑤整机进行耐压等级为额定工作压力等级的压力循环试验；⑥整机承载能力为额定悬挂载荷的载荷循环试验。

5 结论与建议

(1) 油管悬挂器安装回收工具按照API 17D设计开发，用于深水油管悬挂器的快速安装、回收和紧急回收作业，工具适用于空间小、可靠性高及悬挂载荷较大的工况。工具采用薄壁大通径结构设计，能够在不回收的情况下实现油管悬挂器内堵塞器安装回收和密封测试等其他操作，大大简化了施工作业工序，省时省钱，提高效益。

(2) 该工具均为液压控制，控制响应快而准，且不受作业水深的限制，同时通过液压回路特定设计实现对锁紧状态的反馈，有效提高了工具的锁紧可靠性和安全性，液压控制方式自动化程度高，令操作更得心应手。

(3) 该工具完成了工程样机的试制及试验。解决了工具密封面加工、非标螺纹加工检测以及小直径深长孔加工等制造难题，总结了一套加工新方法和实践经验。在试验规范书的指导下完成了满足API标准要求的试验内容，试验结果表明本工具功能完整、结构强度满足要求、各指标满足设计要求。

(4) 在设计、制造、检测和试验过程中形成了具有自主知识产权的新技术、新方法、新装置；本工具的成功试制，打破了长期以来国外对该类技术的垄断，为同类产品的研发和生产提供了积极有效的借鉴作用。

(5) 水下生产系统朝着水深不断增加，作业环境更加多变的方向发展，该工具可在功能多样性和工况适应性方面进行优化设计，工具试制过程中的部分加工工艺较复杂，仅适合单件小批量加工，后续还需寻求更高效和便捷的加工方法，以提高工作效率和质量，为批量化生产做准备。