鉆分級(jí)箍抗反扭矩工具的設(shè)計(jì)

劉玉洲，王方祥，李道松，劉康樂(lè)，李海濤

(中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300283)

在深井和超深井的長(zhǎng)水泥封固段、易滲透地層及低壓油氣井易漏失段、多層壓力體系或上下溫差較大的井段固井時(shí)，通常采用分級(jí)注水泥技術(shù)，即利用連接在套管串上的分級(jí)箍將固井段分成多段，分多次完成注水泥作業(yè)[1～7]。水泥凝固后，為保持井筒暢通，需使用油管連接螺桿鉆具+六棱鉆頭下至分級(jí)箍位置，將分級(jí)箍?jī)?nèi)部的關(guān)閉塞、重力塞等鉆磨掉[8～10]。鉆頭鉆磨金屬材質(zhì)的關(guān)閉塞、重力塞時(shí)，入井管柱受到鉆頭的支反力，產(chǎn)生反向扭矩而反轉(zhuǎn)，減小了傳遞到鉆頭的有效扭矩，導(dǎo)致鉆頭進(jìn)尺慢，鉆分級(jí)箍難度大、效率低，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度[11～13]。目前，井下作業(yè)的常規(guī)做法是采用管鉗或纏懸繩將管柱固定，抵消鉆進(jìn)時(shí)的反向扭矩，但該方法存在安全隱患且效果不明顯。為安全有效地解決鉆分級(jí)箍時(shí)管柱反轉(zhuǎn)的問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種操作簡(jiǎn)單的抗反扭矩工具，利用數(shù)值模擬方法對(duì)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)選，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證了工具設(shè)計(jì)的合理性和有效性。

1 抗反扭矩工具的總體結(jié)構(gòu)

為防止入井管柱反轉(zhuǎn)，在井口安裝抗反扭矩工具，如圖1所示?？狗磁ぞ毓ぞ咧饕üぞ咧Ъ?、力臂環(huán)、工具短節(jié)和短節(jié)套，工具支架是由圓柱滑軌和半月形鋼板底座(見(jiàn)圖2)焊接而成，利用加強(qiáng)筋加固。力臂環(huán)與短節(jié)套通過(guò)六方鋼柱焊接，組成抗反扭矩工具傳遞反向扭矩的橋梁。工具短節(jié)為多面柱體，與短節(jié)套的多面孔配合(見(jiàn)圖3)，常用傳遞扭矩結(jié)構(gòu)主要包括四方、六方、八方和花鍵結(jié)構(gòu)。

圖1 抗反扭矩工具及管柱結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 工具支架示意圖

圖3 六方配合力臂環(huán)與短節(jié)套示意圖

抗反扭矩工具的工作原理如下：在鉆分級(jí)箍時(shí)，工具支架下端的半月型鋼板底座與自封封井器下法蘭的螺栓孔眼對(duì)齊，使用250螺栓牢固固定，而自封封井器與雙閘板防噴器緊固，相當(dāng)于將工具支架固定于地面上。安裝時(shí)，將工具短節(jié)連入鉆分級(jí)箍管柱上，與之配合的短節(jié)套套入工具短節(jié)，同時(shí)將力臂環(huán)套入圓柱滑軌，并在工具短節(jié)的上端連接水龍帶。鉆進(jìn)過(guò)程中，開(kāi)泵正循環(huán)動(dòng)力液使螺桿鉆具帶動(dòng)六棱鉆頭鉆磨分級(jí)箍，如果產(chǎn)生反向扭矩，入井管柱和工具短節(jié)帶動(dòng)與之配合的短節(jié)套有反轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，此時(shí)，短節(jié)套在力臂環(huán)和工具支架的限制下，反向扭矩傳遞至工具支架，而工具支架與自封封井器固定連接，從而有效抵抗反向扭矩的作用，防止入井管柱反向轉(zhuǎn)動(dòng)。力臂環(huán)在圓柱滑軌上隨著鉆頭鉆進(jìn)向下滑動(dòng)，不影響正常鉆進(jìn)過(guò)程。

2 工具短節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)選

工具短節(jié)是抗反扭矩工具的關(guān)鍵部件，是井底反向扭矩與井口抵抗力的直接作用點(diǎn)，其剛度和強(qiáng)度條件直接影響了抗反扭矩工具的施工效果。工具短節(jié)的四方、六方、八方和花鍵結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于工具短節(jié)不僅受到反向扭矩的作用，還受到工具內(nèi)腔中高壓流體的表面壓力、入井管柱和吊卡的拉力，受力情況復(fù)雜，不適合利用解析法求解。所以，筆者采用數(shù)值模擬方法，以工具短節(jié)在反向扭矩作用下同時(shí)滿(mǎn)足剛度和強(qiáng)度條件為原則，優(yōu)選其結(jié)構(gòu)。

2.1 物理模型

工具短節(jié)的物理模型建立時(shí)，忽略螺紋等對(duì)剛度、強(qiáng)度影響不大的因素。將入井管柱簡(jiǎn)化為長(zhǎng)100mm、外徑80mm的軸套，給工具短節(jié)施加反向扭矩。工具短節(jié)另一端施加固定約束，自由度為零，即為反扭矩工具對(duì)反向扭矩的抵抗作用，防止管柱反轉(zhuǎn)。與?2in油管連接，工具短節(jié)長(zhǎng)度l為600mm，外接圓直徑D為73mm，內(nèi)徑d為62mm。施加約束和載荷后建立的物理模型如圖5所示。

由于工具短節(jié)與軸套均為規(guī)則的薄環(huán)形實(shí)體，因此采用掃掠網(wǎng)格法劃分網(wǎng)格[14]，如圖6所示。四方結(jié)構(gòu)共劃分36316個(gè)節(jié)點(diǎn)和10800個(gè)單元，六方結(jié)構(gòu)共劃分33822個(gè)節(jié)點(diǎn)和10380個(gè)單元，八方結(jié)構(gòu)共劃分42460個(gè)節(jié)點(diǎn)和13460個(gè)單元，花鍵結(jié)構(gòu)共劃分54944個(gè)節(jié)點(diǎn)和17400個(gè)單元。

2.2 計(jì)算條件

為模擬工具短節(jié)和軸套之間的接觸，采用增強(qiáng)的拉格朗日方法控制兩者間的互相穿透，保證求解結(jié)果的精確性。法向剛度設(shè)置為1，法向剛度因子設(shè)置為1，設(shè)置法向剛度在每次迭代求解后自動(dòng)更新，以保證其收斂性。在模型中笛卡爾坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上建立圓柱坐標(biāo)系，并添加圓柱坐標(biāo)系下的切向位移云圖和等效應(yīng)力云圖等求解項(xiàng)，在ANSYS中進(jìn)行求解。

圖4 工具短節(jié)的結(jié)構(gòu) 圖5 物理模型

圖6 工具短節(jié)網(wǎng)格劃分圖

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 剛度條件

剛度計(jì)算即考察工具短節(jié)在扭矩作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形的大小，以單位長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)角為判斷標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[15]，工具短節(jié)屬于一般傳動(dòng)軸，選擇其許用單位長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)角為1°。工具短節(jié)應(yīng)滿(mǎn)足剛度條件為：

(1)

式中：θ為單位長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)角，(°)；l為工具短節(jié)長(zhǎng)度，m；γ為最大切向位移，m；D為外接圓直徑，m;[θ]為許用單位長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)角，(°)。

通過(guò)數(shù)值模擬獲得四方、六方、八方和花鍵結(jié)構(gòu)工具短節(jié)的切向位移云圖，如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，四方結(jié)構(gòu)工具短節(jié)的最大切向位移為1.194mm，通過(guò)式(1)計(jì)算得單位長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)角為1.87°，不滿(mǎn)足剛度條件；六方結(jié)構(gòu)工具短節(jié)的最大切向位移為0.357mm，通過(guò)式(1)計(jì)算得單位長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)角為0.56°，滿(mǎn)足剛度條件；八方結(jié)構(gòu)工具短節(jié)的最大切向位移為0.457mm，通過(guò)式(1)計(jì)算得單位長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)角為0.72°，滿(mǎn)足剛度條件；花鍵結(jié)構(gòu)工具短節(jié)的最大切向位移為0.387mm，通過(guò)式(1)計(jì)算得單位長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)角為0.61°，滿(mǎn)足剛度條件。比較六方、八方和花鍵結(jié)構(gòu)工具短節(jié)的單位長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)角可知，在工具短節(jié)的外接圓半徑和長(zhǎng)度相同的條件下，傳遞相同的扭矩時(shí)，六方結(jié)構(gòu)工具短節(jié)的扭轉(zhuǎn)變形最小，最安全可靠。

圖7 工具短節(jié)切向位移云圖

2.3.2 強(qiáng)度條件

工具短節(jié)的加工材料為45#鋼，屈服強(qiáng)度為355MPa，安全系數(shù)取2，許用應(yīng)力為177.5MPa。通過(guò)數(shù)值模擬獲得工具短節(jié)的等效應(yīng)力云圖，如圖8所示。取云圖中最大等效應(yīng)力與許用應(yīng)力對(duì)比，若小于許用應(yīng)力，則滿(mǎn)足強(qiáng)度條件。

由圖8可見(jiàn)，四方結(jié)構(gòu)工具短節(jié)的最大等效應(yīng)力為318.88MPa，不滿(mǎn)足強(qiáng)度條件，不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)安全需求；六方結(jié)構(gòu)工具短節(jié)的最大等效應(yīng)力為152.06MPa，八方結(jié)構(gòu)工具短節(jié)的最大等效應(yīng)力為170.67MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度條件；花鍵結(jié)構(gòu)工具短節(jié)的最大等效應(yīng)力為254.72MPa，由于花鍵結(jié)構(gòu)的外表面加工出多個(gè)溝槽，使得整體強(qiáng)度降低，最大等效應(yīng)力增大，不能滿(mǎn)足強(qiáng)度條件。由以上分析可知，六方結(jié)構(gòu)和八方結(jié)構(gòu)同時(shí)滿(mǎn)足剛度條件和強(qiáng)度條件，但八方結(jié)構(gòu)的單位長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)角和最大等效應(yīng)力均大于六方結(jié)構(gòu)，在傳遞相同的扭矩時(shí)八方結(jié)構(gòu)更易發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞和屈曲變形，并且在加工難度上講，八方結(jié)構(gòu)比六方結(jié)構(gòu)更難加工，因此，確定工具短節(jié)為六方結(jié)構(gòu)。

圖8 工具短節(jié)等效應(yīng)力云圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該抗反扭矩工具在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用10余口井，現(xiàn)以2018年4月在大港油田羊1H11井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用為例。大港油田羊1H11井使用?139.7mm油層套管，造斜點(diǎn)898.57m，完鉆井深1630m，水平段長(zhǎng)163m，井斜角90°，分級(jí)箍所在井深1506m，長(zhǎng)度0.84m。完井管柱結(jié)構(gòu)自下而上為：?139.7mm雙閥式引鞋(1627m)+?139.7mm短套管+?139.7mm多功能洗井閥(1625m)+?139.7mm精密復(fù)合濾砂管串(1623～1560m)+?139.7mm短套管+?139.7mm盲板(1521m)+?139.7mm短套管+?190mm裸眼封隔器2套(兩端加?210mm扶正器，1518～1509m)+?139.7mm短套管+?168mm分級(jí)箍(1506m)+?139.7mm套管串(至井口)，見(jiàn)圖9。

圖9 完井管柱示意圖 圖10 螺桿鉆具和六棱鉆頭 圖11 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種解決鉆分級(jí)箍時(shí)管柱反轉(zhuǎn)問(wèn)題的抗反扭矩工具，通過(guò)工具短節(jié)與短節(jié)套的配合，在力臂環(huán)和工具支架的限制下，有效抵抗反向扭矩的作用，防止入井管柱反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

2)以工具短節(jié)在反向扭矩作用下同時(shí)滿(mǎn)足剛度和強(qiáng)度條件為原則，利用數(shù)值模擬方法優(yōu)選工具短節(jié)為六方結(jié)構(gòu)。

3)抗反扭矩工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全有效，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，可提高機(jī)械鉆速126%，施工過(guò)程中無(wú)任何受力薄弱環(huán)節(jié)，徹底解決了鉆分級(jí)箍時(shí)出現(xiàn)的管柱反轉(zhuǎn)問(wèn)題。