氣體鉆井連續(xù)循環(huán)短節(jié)的設計與本體的力學分析

馮 定孫巧雷夏成宇張 紅陳 敏涂憶柳

1.長江大學非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心 2.長江大學油氣鉆完井工具研究中心 3.長江大學機械工程學院

馮定等. 氣體鉆井連續(xù)循環(huán)短節(jié)的設計與本體的力學分析.天然氣工業(yè)，2016，36（1）: 94-98．

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氣體鉆井連續(xù)循環(huán)短節(jié)的設計與本體的力學分析

馮 定1,2,3孫巧雷1,2,3夏成宇1,2,3張 紅1,2,3陳 敏1,2,3涂憶柳3

1.長江大學非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心 2.長江大學油氣鉆完井工具研究中心 3.長江大學機械工程學院

馮定等. 氣體鉆井連續(xù)循環(huán)短節(jié)的設計與本體的力學分析.天然氣工業(yè)，2016，36（1）: 94-98．

摘 要氣體鉆井是欠平衡鉆井技術的重要組成部分，可以提高鉆井速度，但接單根工況需要中斷循環(huán)，容易造成巖屑沉降、井壁垮塌、卡鉆等安全隱患。為此，設計了一種在氣體鉆進中接、卸鉆具可保持氣體連續(xù)循環(huán)且便于安裝和拆卸的短節(jié)，其主要結構包括短節(jié)本體、主通閥、旁通閥和旁通接頭，重點解決了其核心部件主通閥、旁通閥的結構設計；在對其本體進行靜力學分析的基礎上，運用ANSYS有限元分析軟件，模擬了短節(jié)本體在受拉伸、扭轉、內壓工況下的受力狀況。分析結果表明，其應力分布趨勢與彈塑性力學分析結果相符，在短節(jié)本體兩處圓孔附近產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，最大變形量仍然處于材料彈性變形階段。有限元分析結果與彈塑性力學分析結果相符，能滿足本體強度的要求。該成果為解決大位移井、欠平衡井、窄密度窗口井等安全鉆井提供了新的方案。

關鍵詞氣體鉆井 連續(xù)循環(huán)短節(jié) 主通閥 旁通閥 本體 結構設計 強度校核 有限元分析

在常規(guī)氣體鉆井時,由于上卸扣致使氣體循環(huán)被迫中斷，容易造成巖屑沉降、地層出水、井壁失穩(wěn)、井涌等安全隱患[1]。而連續(xù)循環(huán)技術能夠在接單根期間保持氣體的連續(xù)循環(huán)，實現(xiàn)穩(wěn)定的氣體當量和不間斷的排出鉆屑，保證鉆井的延續(xù)性[2]。隨著連續(xù)循環(huán)技術的發(fā)展，及其不斷完善的配套設備和技術,使得氣體鉆井連續(xù)循環(huán)技術在國內外得到了越來越廣泛的重視,在油氣田勘探開發(fā)中發(fā)揮著越來越重要的作用[3]。針對連續(xù)循環(huán)鉆井技術在氣體鉆井研究較少，使用上存在的局限性，本文開展了氣體鉆井連續(xù)循環(huán)短節(jié)的研究，設計了一種連續(xù)循環(huán)短節(jié)，該短節(jié)結構簡單、使用方便，能夠保證鉆井過程中氣體的不間斷循環(huán)，提高了鉆井效率，降低了鉆井成本和安全隱患，為連續(xù)循環(huán)鉆井技術在氣體鉆井方面的發(fā)展打下了基礎。

1 連續(xù)循環(huán)技術發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 連續(xù)循環(huán)技術國外發(fā)展簡介

連續(xù)循環(huán)鉆井技術于1995年由美國的Maris國際公司提出，隨后該公司于2000年啟動了樣機試制與試驗計劃，該計劃得到了國際石油大公司的支持，如BP，Shell，Total等[4]；在國外的后續(xù)研究中，美國的BP公司于2003年實現(xiàn)了連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)樣機的測試[5]，ENI公司在意大利的Agri油田和埃及Port Fouad油田實現(xiàn)了商業(yè)化應用[6]。目前，國外主要使用了兩種連續(xù)循環(huán)鉆井技術，連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS）和連續(xù)循環(huán)閥（CCV）[7]。連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)對一般鉆機的適應性強，而它的結構更復雜，操作難度也較大；與連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)相比，連續(xù)循環(huán)閥結構簡單，使用較方便，可使用常規(guī)的方法進行上卸扣，實用性也較好，它的不足之處體現(xiàn)在閥體隨鉆柱下入井內，工作環(huán)境惡劣，安全可靠度要求高，同時由于沒有密封腔體的保護，在高壓工作狀況下，易產(chǎn)生安全事故。

1.2 連續(xù)循環(huán)技術國內研究現(xiàn)狀

雖然兩種技術都存在一定的問題，但是由于連續(xù)循環(huán)鉆井能夠在不停泵下保持鉆井液的流通和井眼壓力穩(wěn)定，使得鉆井周期縮短，鉆井成本大大降低，并可以消除因接、卸鉆柱循環(huán)中斷引發(fā)的安全問題[8]。因此，連續(xù)循環(huán)鉆井技術得到了國內外眾多公司、大專院校的研究人員的重點關注。針對兩種連續(xù)循環(huán)鉆井技術，國內中國石油集團鉆井工程技術研究院、中國石油川慶鉆探工程公司、中國石油大學（北京）、長江大學等公司和院校都投入了研究。而在氣體連續(xù)循環(huán)鉆井方面，目前研究較少。因此，筆者進行了連續(xù)循環(huán)短節(jié)的研究工作。

2 氣體鉆井連續(xù)循環(huán)短節(jié)結構設計

2.1 連續(xù)循環(huán)短節(jié)使用時的主要優(yōu)點

1）保證鉆井過程中實現(xiàn)連續(xù)循環(huán)狀態(tài)，消除因循環(huán)中斷引起的井下壓力波動，保持井底壓力的穩(wěn)定。

2）節(jié)省鉆井過程中清除下部鉆具內巖屑的時間，提高氣體鉆井效率。

3）減少接、卸鉆柱時打壓、泄壓時間。

4）擴大氣體鉆井技術在出水地層中的應用范圍。

5）提高了深井和超深井，以及復雜地層的氣體鉆井時效，降低鉆井過程中事故發(fā)生率。

6）適用于欠平衡井、窄密度窗口井和壓力敏感井，為安全高效鉆井提供了一種技術手段。

2.2 連續(xù)循環(huán)短節(jié)結構組成

氣體鉆井循環(huán)短節(jié)主要結構包括短節(jié)本體、主通閥、旁通閥和旁通接頭。氣體鉆井過程中，連續(xù)循環(huán)短節(jié)安裝在兩根單根或兩根立柱之間，隨鉆具一起下入井中，成為鉆桿的一部分，循環(huán)短節(jié)需要的數(shù)量根據(jù)循環(huán)系統(tǒng)的需要而定，其結構形式如圖1所示。

圖1 連續(xù)循環(huán)短節(jié)連接示意圖

2.3 工作原理

在正常鉆井時，鉆井流體通過上部鉆桿，流經(jīng)連續(xù)循環(huán)短節(jié)，進入下部鉆桿，循環(huán)短節(jié)與鉆桿工況一樣，功能相同（圖1）所示。在接、卸鉆具時，將旁通管路接頭插入連續(xù)循環(huán)短節(jié)旁通閥，操作內部機構關閉短節(jié)內主通閥，鉆井流體從旁通閥流入，實現(xiàn)了在接換鉆具過程中保持井底鉆井流體的連續(xù)循環(huán)。當鉆柱連接完成后，操作內部機構打開短節(jié)主通閥，鉆井流體從短節(jié)本體主通閥流入，同時減小旁通管路鉆井流體的流入，旁通閥在短節(jié)內外壓差下自動關閉，拔出旁通管路接頭，鉆井流體恢復正常的循環(huán)。通過兩條流體通道的相互切換，達到鉆井流體連續(xù)循環(huán)的目的。

2.3.1 主通閥的結構與工作原理

主通閥是連續(xù)循環(huán)短節(jié)直流通道的核心組件，安裝在短節(jié)本體的上部圓孔處[9]。主通閥總體結構如圖2所示。當主通閥處于打開的狀態(tài)時，主通閥的閥球的通孔與短節(jié)的主通道一致，流道暢通；當閥球的通孔轉動到與短節(jié)的通道垂直時，此時主通閥就處于關閉狀態(tài)，阻止短節(jié)主通道的流體循環(huán)。主通閥的閥球與旋鈕是通過溝槽連接的，而閥球的支撐主要是依靠主通閥的上下閥座，下閥座與主通閥本體之間設計了彈簧，因此閥球上下端面存在壓差時，閥球是可以作上下微量的移動，閥球為浮動狀態(tài)，閥球的這種微量的浮動功能可以很好地解決這類球閥由于上下端面壓差過大而不能手動打開閥門的問題。

圖2 主通閥結構圖

2.3.2 旁通閥的結構與工作原理

旁通閥是氣體鉆井連續(xù)循環(huán)短節(jié)旁通通道的核心組件，安裝在短節(jié)本體的下部圓孔處。旁通閥總成主要組成包括閥芯、彈簧、閥板、六角螺母、墊片，密封圈，如圖3所示。

圖3 旁通閥結構圖

旁通閥的主要功能是與旁通管路相連接，將旁通管路的循環(huán)氣體輸入短節(jié)本體的內部通道。在需要接通旁通管路的時候，旋出旁通閥的保護堵頭，將旁通管路接頭旋入旁通閥閥座內，旁通接頭與旁通閥閥座密封面貼合，實現(xiàn)旁通接頭與旁通閥之間的密封。旁通管路控制系統(tǒng)輸入的高壓循環(huán)氣體推動旁通閥閥板打開，旁通閥開啟。

3 短節(jié)本體的力學分析

在氣體鉆井過程中，連續(xù)循環(huán)短節(jié)與鉆桿一起下入井中，短節(jié)由本體、主通閥、旁通閥組成。連續(xù)循環(huán)短節(jié)本體隨鉆柱一起下入井下，其工作工況非常惡劣，受力情況難以確定，在高強度的拉、扭載荷作用下，將引起短節(jié)本體開孔周圍的局部屈服和危險截面的局部地區(qū)應力集中。因此需要對連續(xù)循環(huán)短節(jié)本體進行力學分析。在對本體進行分析時，筆者對本體做了一些簡化處理，忽略了對于短節(jié)本體分析影響不大的因素。

3.1 短節(jié)本體的拉、扭、內壓分析

3.1.1抗拉強度

短節(jié)本體抗拉強度為：

3.1.2扭轉力學分析

由材料力學知識可知，短節(jié)本體可以簡化成空心圓軸，最大扭轉切應力為：

式中R為圓軸最大半徑，m；Ip為截面極慣性矩，cm4。

式中D為短節(jié)外徑，mm。

3.1.3短節(jié)本體受內壓力學分析

短節(jié)本體受內壓時，在保證本體的變形處于彈性階段內，內壓作用產(chǎn)生的本體內壁應力不能過大，必須小于其材料的屈服極限。短節(jié)本體受內壓產(chǎn)生3個主應力：周向應力、徑向應力和軸向應力。

短節(jié)本體的3個主應力的數(shù)學公式按拉梅公式為：

當短節(jié)本體外部壓力為零，且本體是開式圓筒時：

本體內外表面的周向應力分別為：

由此可知，①氣體鉆井過程中，短節(jié)隨鉆柱下入井下，在內部氣體壓力的作用下，由于短節(jié)幾何結構因素，壁厚中的應力分布是不均勻的，最大應力出現(xiàn)在內壁上，短節(jié)本體厚壁圓筒的徑比值越大，應力分布越不均勻。②短節(jié)本體厚壁圓筒的徑比值決定應力的大小。

3.2 短節(jié)本體應力集中

在對短節(jié)進行結構設計計算時，取短節(jié)正常工作情況下可能承受的最大載荷，作為計算載荷參與設計計算。而短節(jié)零部件強度則根據(jù)材料許用應力來進行計算，要求設計的零部件在最危險的截面上的應力不能超過其材料的許用應力，即：

3.3 短節(jié)本體有限元分析

連續(xù)循環(huán)短節(jié)本體上需要開孔安裝短節(jié)主通閥和旁通閥。本體上開孔削減了短節(jié)強度，并且容易產(chǎn)生較高的局部峰值應力。因此，開孔的位置是連續(xù)循環(huán)短節(jié)本體上最為薄弱的部位。在井下工作時，本體需要承受拉、壓、扭等載荷的作用，本體開孔部位容易產(chǎn)生局部屈服，大大影響本體的疲勞強度，引發(fā)本體的脆裂或者產(chǎn)生裂紋。

3.3.1 模型建立

設計的連續(xù)循環(huán)短節(jié)與Φ139.7 mm鉆桿連接使用, 短節(jié)外徑為178 mm，短節(jié)本體內部通道是氣體循環(huán)、進行井下作業(yè)時下入工具的通道，按標準SY/T 5525—2009 旋轉鉆井設備上部和下部方鉆桿旋塞閥，選取短節(jié)內徑為71.4 mm，其連接扣型為NC50。短節(jié)本體內部與主通閥安裝尺寸相適應，本體側面開孔尺寸與旁通閥尺寸一致，旁通道開孔最大直徑為52 mm。采用SolidWorks進行建模，對短節(jié)本體模型進行簡化，導入ANSYS軟件中生成有限元模型（圖4）。

圖4 短節(jié)本體有限元模型

3.3.2 材料屬性和載荷

短節(jié)本體材料采用40CrMo，強度極限為1 080 MPa，屈服極限為930 MPa，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，總應變?yōu)?5%。結合大港油田氣體鉆井過程中鉆井工況，在井深達到3 000 m時，所設計的連續(xù)循環(huán)短節(jié)要求承受的最大拉力為2 720 kN，最大工作扭矩96 kN·m，承受的最大循環(huán)內壓為35 MPa。短節(jié)有限元模型加載時采用拉伸，扭轉和內壓綜合作用下的組合載荷加載。約束短節(jié)本體上端面的6個方向的自由度，在短節(jié)下端面施加拉力載荷，在短節(jié)下端內表面施加扭矩載荷，在短節(jié)內表面施加內壓。

3.3.3 有限元結果分析

短節(jié)本體的Von-mises應力分布如圖5-a所示，本體上最大應力為817.75 MPa，小于本體材料40CrMo的屈服極限應力，應力峰值集中在短節(jié)本體的開孔部位，并且該區(qū)域面積比較小，其應力分布趨勢與彈塑性力學分析結果相符，即構件上的開孔部位容易產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象。

短節(jié)本體在組合載荷作用下應變分布如圖5-b所示，最大應變發(fā)生在短節(jié)本體主通閥的開孔處，此處最大變形量仍然處于材料彈性變形階段，并且兩處圓孔附近變形量也較小，能夠滿足短節(jié)的設計要求。

圖5 短節(jié)本體應力、應變圖

4 結論

1）設計了一種連續(xù)循環(huán)短節(jié)，對其基本結構和工作原理進行了說明，重點解決了其核心部件主通閥、旁通閥的結構設計。

2）運用ANSYS對設計的短節(jié)本體進行了有限元分析，其應力分布趨勢與彈塑性力學分析結果相符，在短節(jié)本體兩處圓孔附近產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，并且遠離圓孔區(qū)域上的應力也隨之減小。本體的最大變形量仍然處于材料彈性變形階段，并且兩處圓孔附近變形量也較小，結果表明短節(jié)本體具有足夠的強度和剛度，滿足設計要求，安全可靠。

參 考 文 獻

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Design of continuous circulating sub for gas drilling and the mechanical analysis on the sub body

Feng Ding1,2,3, Sun Qiaolei1,2,3, Xia Chengyu1,2,3, Zhang Hong1,2,3, Chen Min1,2,3, Tu Yiliu3
(1. Hubei Cooperatiνe Innoνation Center of Unconνentional Oil and Gas, Yangtze Uniνersity, Wuhan, Hubei 430100, China; 2. Oil and Gas Drilling and Well Completion Tools Research Center, Yangtze Uniνersity, Jingzhou, Hubei 434023, China; 3. School of Mechanical Engineering, Yangtze Uniνersity, Jingzhou, Hubei 434023, China)
NATUR．GAS IND．VOLUME 36，ISSUE 1，pp.94-98， 1/25/2016．(ISSN 1000-0976；In Chinese)

Abstract:Gas drilling, as an important part of underbalanced drilling, can increase drilling speed. But in the process of conventional gas drilling, it tends to cause cutting settlement, borehole collapse, sticking and other safety hazards may occur because gas circulation must be interrupted. Therefore, this paper presents a continuous circulating sub which can be installed and removed easily. With this sub, gas circulation will not be interrupted when drilling tools are connected and removed. This sub is composed of body, main valve, bypass valve and side entry sub. The structure design of its key components (i.e. main and bypass valves) were fulfilled. Based on statics analysis on the sub body, its force situations under extension, torsion and internal pressure were simulated by using ANSYS finite element analysis software. It is shown that its stress distribution trend is consistent with its elastic-plastic mechanics analysis results. Stress concentrates around the two round holes of the sub body, and the maximum deformation amount is still at the stage of elastic deformation. The analysis results are in line with the elastic-plastic mechanics analysis results, and the requirement of body strength is satisfied. This paper provides a new program to guarantee the drilling safety of extended-reach wells, underbalanced wells and narrow-density window wells.

Keywords:Gas drilling; Continuous circulating sub; Main valve; Bypass valve; Sub body; Structural design; Strength check; Finite element analysis

收稿日期（2015-06-12 編 輯 凌 忠)

通信作者：夏成宇，1981年生, 講師,博士；研究方向為管柱力學。E-mail:qlq1010@126.com

作者簡介：馮定，1963年生，教授，博士生導師，博士；從事石油機械及井下工具的設計、診斷及動態(tài)仿真的理論與技術應用研究工作。地址：(434023)湖北省荊州市荊州區(qū)南環(huán)路1號長江大學東校區(qū)機械工程學院301。電話：(0716)8062079。ORCID:0000-0003-1550-7624。E-mail:fengd0861@163.com

基金項目：國家自然科學基金項目（編號：51405032、51275057）、湖北省教育廳科學研究計劃中青年人才項目（編號：Q20151301）。

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.01.012