一种热采井口油管头设计及分析

董展翔(中国海洋石油服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300459)

0 引言

随着我国油气勘探开发的不断深入，所遇地质条件也越趋复杂，普遍具有储层深、温度高、产量大的特点，且含有硫化氢(H2S)等酸性腐蚀性气体[1]。为了不断适应石油开采恶劣的地质条件，文章笔者根据多年丰富的现场工作经验模拟高温高压油气井的开发开采条件，通过查阅和参考国内行业内的各种文献和标准，通过技术论证，公式推理，设计出一款适用于高温高压油气井开采条件的油管头。文章的设计思路为设计开发更多款适应高温、高压且具有腐蚀特性的油气井开发条件的油管头提供理论支持和技术借鉴。

1 井口装置介绍

井口装置是安装在表层套管以上，能够在钻井过程中控制井筒和在油气井打完井后控制、调节油气生产的设备。井口装置主要有三部分组成：套管头、油管头和采油树[2]。井口装置与各级井筒、油管和套管之间的基本结构关系如图1所示。

图1 井口装置安装关系

2 油管头介绍

油管头是一个上、下均为法兰的四通装置，它上法兰连接的是采油树，下法兰连接的是套管头，其外形如图2所示。油管头由油管悬挂器、油管头四通、封隔器、顶丝、闸阀、压力表和法兰组成。它的主要工作功能和特点就是：通过油管头的悬挂器来支撑井内油管的重力；通过油管挂和油管头之间的密封环实现油管挂和油管头的抗高压的密封，进而密封井内油管和套管之间的一个环形空间，为油气井作业提供正、反循环洗压井的空间，进而确保油气井作业期间的井控安全；为井内下接的套管头、上接的采油树之间提供过度的连接；通过油管头四通的两个侧闸门，完成油套管之间管洗、压井作业[3]。

图2 油管头示意图

3 油管头的设计及计算

油管头主要承压部件有油管头四通本体、公称通径117.8 mm (7英寸)的上整体式法兰、346.1 mm(13-5/8英寸) 整体式底法兰、各种规格的螺栓、螺母、密封垫环等零部件组成。对形状规则的承压厚壁圆筒、螺栓通过标准规定的计算公式进行计算和校核[4]。

3.1 各处壁厚计算分析和确定

如图3所示，该油管头四通的主要壁厚有三处，分别是图3中的A-A、B-B、C-C 三处，而在进行承压本体壁厚的计算时，根据国内外行业相关的计算标准只需要计算出最薄处的厚度是否符合工程强度要求就可以，即该油管头四通的壁厚在额定工况下是否满足强度要求[5]。只需要对A-A处的壁厚进行计算分析，也就是只需要A-A处的壁厚大于强度校核计算中的最小壁厚即可。

图3 油管头各处壁厚示意图

设定工作参数和性能：设计压力：额定工作压力35 MPa；工作温度：-29～161 ℃；材料及性能：ZG(J)30 CrMo，60 K。油管头四通承压本体通径 177.8 mm，外径 360 mm，该承压本体最小壁厚计算如下：(总体一次薄膜应力强度计算)

材料最小屈服强度：SY=414 MPa；静水压试压压力：P1=50 MPa；承压本体最薄处内半径：R内=75 mm；承压本体最薄处外半径：R外=105 mm。那么总体一次薄膜应力强度：

充分考虑腐蚀余量，按阀门设计计算手册表3-1得：C取3实际壁厚t=30 mm，t>t1+3。根据上述计算结果t＞t1+3，可以得知，该油管头壁厚最薄处的厚度符合现场实际使用的强度要求[6]。因此，整个油管头四通的承压本体的壁厚均符合工程设计要求的强度。

3.2 法兰连接螺栓强度的计算及分析

3.2.1 上整体式法兰计算及分析

上整体式法兰的螺栓强度计算及分析(Φ330 法兰、M30 螺栓)：

垫环宽度ω=10 mm，垫环有效密封宽度c=ω/8，压紧力作用处的直径DC=185 mm，垫环比压力Y=124 N/mm2，内压p=50 N/mm2，螺栓数目n=8，材料规定的最小屈服强度Sy=735 N/mm2

由公式(13)得：dB=2.133×10-2m=21.33 mm

实际螺栓规格为M30，长度180 mm，它的直径大于计算得出的最小直径 21.33 mm。因此，得出结论：设计强度符合现场工程要求。

3.2.2 底法兰计算及分析

根据对346.1 mm(13-5/8英寸)法兰的计算过程，进行计算得：

实际螺纹规格为M42，它的直径大于计算得出的最小直径 30.35 mm。因此，得出结论：设计制作出的油管头整体强度符合工程使用要求。

4 结语

文章根据油气井开发开采的现场工程条件，在拟定的实际工况下的额定压力值、额定温度和额定材料类别；然后按照这些参数客观实际需求，选择到材料ZG(J)35CrMo；然后通过翻阅相关文献和国内外行业标准，进而确定了油管头四通的具体结构形式；结合工程实际需求通过理论计算分析，设计出一款符合现场油气井开发开采生产条件的油管头；本文为类似结构的油管头的强度校准，计算分析提供理论支持和技术借鉴。