水下井口头系统是海洋钻井作业的基础,水下井口头系统下放工具是将其下放到海底井口实施海底建井的核心设备。随着我国石油勘探开发向深海进军,对海洋深水钻井的关键技术及核心设备的研究越发紧迫。本文结合国家高技术研究发展计划(863计划)海洋技术领域重大项目“南海深水油气勘探开发关键技术及装备”第二批立项课题“海洋深水水下井口头系统与生产平台采油井口系统研制技术(2007AA09A102)”的研究,开展其核心关键技术之一——套管挂密封总成下放工具的设计及相关技术研究。在对比分析国外相关技术的基础上,系统研究套管挂和密封总成的下放方案,以安全、高效、低成本为目标,确定了适合我国南海作业的套管挂和密封总成下放工具的设计方案,根据其功能结构特点,提出了模块化集成化设计策略,并对下放工具进行功能结构单元模块划分。建立套管挂密封总成下放工具力学分析模型,分析水深、海风、海浪及海流等海洋环境载荷对套管挂密封总成下放工具的影响;通过对下放工具冲击密封总成坐封的过程进行碰撞分析及理论推导,得出影响碰撞冲击的关键因素。根据下放工具的功能结构单元模块划分,对套管挂密封总成下放工具结构设计,包括套管挂连接结构、密封总成连接结构、驱动结构、密封结构、返流结构、冲洗结构等;对下放工具关键零部件进行强度计算。利用ANSYS/LS-DYNA对下放工具进行碰撞冲击仿真分析,对下放工具碰撞冲击密封总成坐封过程的理论模型进行了验证,并分析了碰撞初始速度、距离等关键因素对下放工具碰撞的影响。通过对套管挂流体通道结构性能研究,得出流体通道孔径值对排流减压效果、套管挂结构强度的影响关系以及流体通道孔径的最佳取值范围。