新型側(cè)鉆坐封器的設計*

高 峰，曾 濤，王國軍

(1.西南石油大學機電工程學院，四川成都 610500;2.中國石化中原石油工程公司井下特種作業(yè)公司，河南濮陽 457000)

0 引言

套管井開窗側(cè)鉆是中后期油田低成本開發(fā)剩余油氣藏和套損井恢復產(chǎn)能的重要手段之一。目前，窗口形成的形式以斜向器開窗居多，其卡瓦是側(cè)鉆坐封器最重要部件之一，在側(cè)鉆開窗時如果卡瓦失效或卡瓦的支撐力量不足而導致卡瓦下滑將引起側(cè)鉆開窗的失敗［1］?？ㄍ哐例X的幾何形狀、數(shù)量、布齒方式，卡瓦的結(jié)構，材料等都將影響到卡瓦與套管間的咬合力分布［2］。常見的側(cè)鉆坐封器卡瓦系統(tǒng)分為上下兩組，其間相距1 m左右，上組卡瓦主要防止轉(zhuǎn)動，下組卡瓦主要防止下滑［3］。筆者設計的新型側(cè)鉆坐封器卡瓦是通過采用硬質(zhì)合金鑲齒結(jié)構使單卡瓦同時實現(xiàn)防轉(zhuǎn)動、防下滑的作用，即雙作用，如圖1所示。

圖1 卡瓦布齒的三維實體模型

單卡瓦雙作用結(jié)構是指:在單片卡瓦牙上分布有17顆硬質(zhì)合金鑲齒，中間9顆齒主要承受側(cè)鉆時的軸向力，防止斜向器下滑，上下各4顆齒主要防止側(cè)鉆時斜向器周向轉(zhuǎn)動。這一結(jié)構大大縮短了斜向器開窗工具的總長度，有利于施工的安全性［4－6］。

1 新型側(cè)鉆坐封器結(jié)構及工作原理

1.1 新型側(cè)鉆坐封器的結(jié)構

新型側(cè)鉆坐封器結(jié)構如圖2所示，實現(xiàn)了全液壓驅(qū)動，雙缸聯(lián)動加壓，單卡瓦雙作用坐封。雙缸聯(lián)動加壓為卡瓦牙吃入套管內(nèi)壁提供足夠的坐封力，使之能承受較大的軸向載荷和周向載荷，在劇烈振動下鉆進切削套管不會松動，確保側(cè)鉆井整個施工過程斜向器穩(wěn)定可靠。

圖2 新型側(cè)鉆坐封器結(jié)構圖

1.2 新型側(cè)鉆坐封器的工作原理

當工具下到預定的側(cè)鉆位置時，開啟鉆井泵，鉆井液通過限位馬牙進入到達活塞的上端面及缸體接頭的上端面，并在限球套節(jié)流孔的上下面形成節(jié)流壓差，推動限球套向下移動，進而與鋼球接觸，并繼續(xù)下移壓縮彈簧憋壓;限位馬牙－活塞－下缸體在雙缸聯(lián)動的推力下，向下移動，四片卡瓦牙在活塞斜坡的推動下逐漸向外撐開，使卡瓦上的硬質(zhì)合金牙齒與套管內(nèi)壁接觸并吃入，從而實現(xiàn)軸向和周向固定。此時，由于限位馬牙不能恢復到原來的位置，卡瓦牙齒完全吃入套管內(nèi)壁且不回縮，達到可靠坐封的目的，如圖3所示。

圖3 單片卡瓦工作示意圖

2 新型坐封器的工作力學分析

液缸在額定壓力20 MPa下產(chǎn)生的軸向推力為:

即當鉆井液壓力達到20 MPa時，液缸推力為205 kN。

對活塞進行受力分析，如圖4所示。

圖4 活塞受力圖

聯(lián)立式(1)和式(4)得:

由N1和N2的關系得:

由作用力和反作用的關系可知，在25 MPa的鉆井液壓力下，卡瓦作用在套管內(nèi)壁上的正壓力為675.2 kN。

該設計使用的是直徑為5 mm的T105號YG8硬質(zhì)合金齒，其牙齒外形及尺寸見圖5和圖6，其密度是14.6～14.8 g/cm3，硬度為HRA88.5，抗彎強度大于2 300 N/mm2。

假設鑲嵌在卡瓦上的硬質(zhì)合金齒在活塞推動下，吃入套管內(nèi)壁深度為1 mm，在1 mm處的截面形狀如圖6中的陰影部分。其截面面積計算如下:

圖5 牙齒外形

圖6 牙齒尺寸

由圖5和圖6可知:θ=163°，r=2.5 mm，l=4.95 mm，d=0.36 mm。

將上述數(shù)據(jù)代入式(7)得:

每片卡瓦上鑲嵌有9顆防軸向竄動的齒，8顆防周向轉(zhuǎn)動的齒，共計17顆齒。假設卡瓦牙齒的作用對象是5寸半的P110型的套管，查石油工程師手冊可知:屈服應力σs=965 N/mm2。

則單顆牙齒吃入套管壁1mm需要的作用力為:

單片卡瓦吃入套管壁1 mm需要的作用力為:

則4片卡瓦全部吃入套管壁所需要的總的作用力為:

所以在25 MPa的鉆井液壓力下，本次所設計的活塞及卡瓦結(jié)構，足以吃入套管壁1 mm。

根據(jù)T105硬質(zhì)合金齒的結(jié)構可知，其鑲嵌入卡瓦本體后，露在外面的有效長度為2.3 mm，在活塞推力下吃入套管壁后單顆牙齒承受軸向壓力P的情況如圖7所示。

此時，假設軸向壓力可達300 kN，此力全部由鑲嵌在卡瓦上的防軸向竄動的硬質(zhì)合金齒承受，因此有:

式中:Mmax為單顆硬質(zhì)合金齒所承受的最大彎矩;P為作用在單顆防軸向竄動牙齒上的軸向壓力;l為軸向壓力的作用長度。

圖7 卡瓦牙齒吃入套管示意圖

由圖6可知，l=2.3－1=1.3 mm;由于每片卡瓦上布有9顆防軸向竄動的牙齒，共有4片卡瓦，共計36顆這樣的牙齒，所以軸向壓力P為:

則由式(10)得最大彎矩Mmax為:

由圖6可知，可近似簡化為半圓形計算慣性矩，只需要加一個修正系數(shù)i，所以:

聯(lián)立式(13)和式(14)得慣性矩:

所以:W=Iz/ymax=πD3/64

由彎曲應力計算公式得:

由于σmax=2 159 ΜΡa＜［σ］=2 300 ΜΡa，符合強度要求，所以本次所設計的卡瓦牙齒結(jié)構及所選用牙齒材料性能均滿足使用要求。即本次設計的坐封器在30 t的軸向載荷作用下，卡瓦牙可以承受此載荷且不會損壞，滿足防軸向竄動的設計要求。

3 新型坐封器的工作參數(shù)

(1)泥漿泵流量達到0.264 L/s時可以打開限球套，使限球套下移憋壓。

(2)限球套下移后，泥漿泵泵壓達到3.53 MPa時，使缸體接頭剪斷剪釘。

11月5日5版《“海洋之子”蘇紀蘭》，其“他最近在聽Linkin Park的一首英文歌——《Waiting for the end》”，根據(jù)《通用語言文字法》，這里的外文須附其中文。

(3)剪斷剪釘后，泥漿泵泵壓達到3.53 MPa以上并逐漸增大時，卡瓦被緩慢推出。

(4)剪斷剪釘后，泥漿泵泵壓達到20 MPa時，硬質(zhì)合金齒吃入套管壁。

(5)坐封器的卡瓦牙伸出最大外徑為128.6 mm。

4 新型坐封器的操作說明

4.1 坐封器入井前的準備工作

(1)上部套管試壓 其目的是了解套管完好情況，為開窗高度和下工具、下尾管長度提供依據(jù)。

試壓標準是:注水井12 MPa，30 min壓降不超過0.5 MPa為合格;油井試壓10 MPa，30 min壓降不超過0.5 MPa為合格;氣井要做氣密試壓。

(2)通井 通井目的有兩個:①了解套管是否有縮徑和變形等情況，為側(cè)鉆開窗位置選擇和固井尾管下入深度提供依據(jù);②為順利下入造斜器及其它工具創(chuàng)造條件，校正套管內(nèi)徑，嚴防套管變形。因此通井時，利用標準的通井規(guī)進行通井，嚴格控制下放速度，通井規(guī)直徑比坐封器造斜器最大直徑要大2 mm，且長度大于坐封器造斜器的長度0.5 m以上。

4.2 坐封器的施工操作

(1)通過鉆桿柱把側(cè)鉆工具緩慢送入井下，在下工具過程中嚴禁循環(huán)泥漿，嚴禁猛提猛放鉆柱，以防液柱壓力波動使銷釘提前剪斷。當側(cè)鉆工具送達預先確定的開窗位置時，緩慢停止下放。

(2)坐封器下到預定開窗深度后就可開泵加壓，第1次蹩壓到20 MPa時穩(wěn)壓幾分鐘后泄壓，為了提高坐封質(zhì)量應再次加壓;第2次加壓要蹩壓到25 MPa，這時已坐封成功。下壓100～200 kN，以驗證是否坐封牢靠，然后下銑錐開窗。

5 結(jié)論

(1)新型側(cè)鉆坐封器結(jié)構，實現(xiàn)了全液壓驅(qū)動，雙缸聯(lián)動加壓，單卡瓦雙作用坐封。此結(jié)構大大縮短了斜向器開窗工具的總長度，有利于施工的安全性。

(2)新型側(cè)鉆坐封器卡瓦結(jié)構，能夠在20 MPa液壓力作用下吃入套管壁完成坐封且牙齒安全可靠。

(3)通過力學分析得知:新型側(cè)鉆坐封器卡瓦在20 MPa液壓力作用下雙缸聯(lián)動加壓為卡瓦牙吃入套管內(nèi)壁提供足夠的坐封力，使之能承受30 t的軸向載荷，且鑲嵌硬質(zhì)合金齒的雙作用單卡瓦式的結(jié)構能夠保證坐封器在劇烈振動下不會松動，確保側(cè)鉆井整個施工過程斜向器穩(wěn)定可靠。

［1］ 劉碩瓊，譚 平.小井眼鉆井技術［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2005.

［2］ 劉占廣.卡瓦式封隔器在井下的受力分析［J］.石油鉆采工藝，1994，16(5):53－58.

［3］ 李 桐，馬慶賢，崔 奮.封隔器卡瓦咬合過程受力模擬研究［J］.石油礦場機械，2004，33(增刊):11－13.

［4］ 馮文榮，張德榮.小井眼側(cè)鉆關鍵技術［J］.西部探礦工程，2008 (11):82－85.

［6］ 潘旭磊，趙金鵬，任國濤，等.封隔器的虛擬樣機設計與仿真分析［J］.機械研究與應用，2013，(26)1:93－94.