新型液壓滑套式隨鉆安全接頭的研制

摘 要

摘要：海洋深水鉆井具有高風險、高投資和高技術(shù)的特點，一旦發(fā)生井下鉆井事故，則損失巨大，如何迅速解除卡鉆事故，降低鉆井風險和事故損失是當前鉆井工作的當務(wù)之急。在對鉆井事故處
摘要：海洋深水鉆井具有高風險、高投資和高技術(shù)的特點，一旦發(fā)生井下鉆井事故，則損失巨大，如何迅速解除卡鉆事故，降低鉆井風險和事故損失是當前鉆井工作的當務(wù)之急。在對鉆井事故處理不斷探索和總結(jié)的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有倒扣式和剪斷式安全接頭結(jié)構(gòu)上的局限性和缺陷，研制出了一種能很好地處理井下卡鉆事故的新型隨鉆安全接頭。其工作原理為：在正常鉆井作業(yè)中，它連接在鉆具易卡部分的上端，當遇卡鉆事故時，停鉆、停泵，拆下回壓凡爾以上工具(鉆具內(nèi)水眼需暢通)向鉆具內(nèi)投入鋼球，接上方鉆桿，開泵憋壓使鋼球入座滑套上端；由于泵壓的上升，推動中心滑套剪斷定壓定位螺釘，使中心滑套上月牙鍵脫離鍵槽；當泵壓下降后停泵，然后正轉(zhuǎn)鉆具，使上下反扣接頭處分開，提升、取出鉆具；然后再進行下一步套銑、打撈工作。對該工具進行了詳細的強度分析計算，室內(nèi)試驗和在渤中34-5油田的兩口井中使用表明，該安全接頭具有安全可靠、操作簡單、處理事故快等特點。
關(guān)鍵詞：深井；超深井；卡鉆；隨鉆安全接頭；強度；深水鉆井
0 引言
隨著世界各國對能源的需求，進軍海洋深水已經(jīng)成為全球油氣資源開發(fā)的戰(zhàn)略制高點[1]。但是，目前海洋深水鉆井技術(shù)是制約我國深海油氣勘探開發(fā)的主要因素，主要是因為海洋深水鉆井的高技術(shù)、高風險和高投資的限制，半潛式鉆井平臺的平均日費從2005年4月的11.65萬美元上漲到2008年4月的31.11萬美元，最高達50萬美元[2]。從Husky能源公司在我國南海LW31的深水氣田鉆井表明平均日費均在90萬美元以上，如果一旦發(fā)生井下卡鉆事故而又能有效迅速地處理的話，將會帶來巨大的損失，而且有時候又受到臺風的威脅，要求必須能夠迅速處理事故，及時撤離。我們知道嚴重的卡鉆事故其處理程序，一般都需經(jīng)歷通井、套銑、倒扣三道環(huán)節(jié)，即用反扣鉆桿倒扣、通井、套銑等[3～4]。處理時間短則一個月，長則可達一年乃至更長，費用少則幾十萬元，多則數(shù)百萬元。更有嚴重者可導(dǎo)致該井報廢，其損失更大，1997年埃克森石油公司在美國墨西哥灣深水鉆井時就發(fā)生過因卡鉆不能有效地處理而不得不側(cè)鉆的事故。因此，探尋迅速解除卡鉆事故，降低事故損失，是深水鉆井工作者的當務(wù)之急，其發(fā)展趨勢就是不斷研制和完善更加經(jīng)濟合理，更加科學(xué)的先進工具。筆者在對鉆井事故處理不斷探索和總結(jié)的基礎(chǔ)上，根據(jù)鉆井卡鉆特點，研制了一種能很好地處理卡鉆事故的新型液壓滑套式隨鉆安全接頭，其在未來的深水鉆井中應(yīng)用前景十分廣闊。
1 新型安全接頭工作原理
常用的安全接頭有剪釘式和反扣式兩種[3]。剪釘式安全接頭結(jié)構(gòu)簡單、剪切力可控，使用時因下管柱過程中的頓鉆、溜鉆等原因產(chǎn)生的縱向振動往往使得它在下入管柱中途斷開；若剪釘過多又會在后續(xù)的打撈作業(yè)中不起作用。因此，效果不理想。反扣式安全接頭局限性在于：當管柱被沉砂固住，封隔器不能解封時，管柱不能轉(zhuǎn)動，安全接頭也就不能發(fā)揮作用。為了解決常規(guī)安全接頭的不可靠問題，研制新型隨鉆安全接頭是十分必要的。新型隨鉆安全接頭如圖1所示，它主要由上、下接頭、滑套、銷釘和鋼球組成，上、下接頭為反扣連結(jié)。其工作原理為：在正常鉆井作業(yè)中，它連結(jié)在鉆具的易卡部分的上端，當遇卡鉆事故時，停鉆、停泵，拆下回壓凡爾以上工具(鉆具內(nèi)水眼需暢通)向鉆具內(nèi)投入鋼球，接上方鉆桿，開泵憋壓使鋼球入座滑套上端，由于泵壓的上升，推動中心滑套剪斷定壓定位螺釘，使中心滑套上月牙鍵脫離鍵槽，當泵壓下降后停泵，然后正轉(zhuǎn)鉆具，使上下反扣接頭處分開，提升、取出鉆具。再進行下一步套銑、打撈工作。在鉆井過程中，一旦發(fā)生活動鉆具無法解除的卡鉆事故，可利用該產(chǎn)品的獨特優(yōu)勢，迅速從卡點處將卡點上部鉆具倒出，降低鉆井風險，縮短事故處理的時間，從而提高鉆井時效，節(jié)約鉆井成本。
 
2 安全接頭強度分析
2.1 有限元模型的建立
    分析中使用的軟件為有限元前后處理軟件MSC.Patran、Mentat，有限元計算分析軟件MARC。Patran及Mentat主要用于建立有限元分析模型并進行后處理，MARC進行計算分析。結(jié)構(gòu)全部采用8節(jié)點6面體單元進行計算。
分析結(jié)構(gòu)為隨鉆安全接頭的中軸受剪模型，分兩種幾何模型分別分析，以討論模型受剪的最優(yōu)方式：①上下滑鍵非對稱模型，扭矩通過外套傳給上滑鍵端部；②上下滑鍵對稱模型，扭矩通過8個銷孔施加，分別見如圖2、3。
 
    計算中采用兩種材料，材料參數(shù)見表1。上下滑鍵非對稱模型僅用材料1計算；上下滑鍵對稱模型則分別用兩種材料計算。對應(yīng)材料1、2分別標記為模型1和模型2。
    計算中考慮了材料的硬化行為，其硬化率為：
表1 計算模型材料參數(shù)表
參數(shù)
E/MPa
μ
σb/MPa
σs/MPa
δ/%
材料1
2.1×105
0.3
1078
950
12.5
材料2
2.1×105
0.3
1472
1340
7.5
注：E為彈性模量；μ為泊松比；σb為強度極限；σs為屈服強度；δ為延伸率。
2.2 結(jié)果分析
    表2給出了兩種模型的主要結(jié)果數(shù)據(jù)。從表2中可以看出：對于上下滑鍵非對稱模型，其高應(yīng)力主要集中在上滑鍵與外套的連接處，軸上最大應(yīng)力只有389.4MPa，遠沒有達到受剪軸的承載極限，而外套和上滑鍵的連接處其局部應(yīng)力均已超過材料的極限承載能力。也即是說，外套和上滑鍵已經(jīng)破壞，整個結(jié)構(gòu)已經(jīng)失效，而此時受剪軸還處于完全彈性狀態(tài)，整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形很不協(xié)調(diào)；對于上下滑鍵對稱模型，由于材料選取的不同，導(dǎo)致兩種模型的應(yīng)力值差別較大，模型2的材料屈服應(yīng)力高，得到的應(yīng)力分布結(jié)果也較大；但是其應(yīng)力分布無明顯差別，中軸的受剪效果均很明顯。
   
圖4和圖5給出了兩種模型軸向位移分布圖，從圖中可以看出：對稱結(jié)構(gòu)的中軸受剪效果明顯優(yōu)于非對稱結(jié)構(gòu)，各部分位移分布也更合理，在隨鉆安全接頭的設(shè)計中宜用對稱結(jié)構(gòu)。
 
3 安全接頭主要技術(shù)參數(shù)
    基于以上分析，我們研制了兩種型號的新型液壓滑套式隨鉆安全接頭AJl27和AJl40，其技術(shù)參數(shù)見表3。
表3 新型液壓滑套式隨鉆安全接頭主要技術(shù)參數(shù)表
規(guī)格
AJ127
AJ140
長度/mm
530
571
外徑/mm
127
140
通徑/mm
88
103
耐壓/MPa
45
45
溫度/℃
125
125
4 結(jié)論
    研制了一種新型液壓滑套式隨鉆安全接頭，該安全接頭結(jié)構(gòu)合理、安裝方便、操作簡單、安全可靠，可更加快速有效地處理卡鉆事故，能夠滿足海洋鉆井的要求，在渤中34-5油田的兩口井使用中都得到了很好的效果，在未來的深水鉆井中應(yīng)用前景十分廣闊。
參考文獻
[1] PETTINGILL H S，WEIMER P，HENRY S P，et al. World-wide deepwater exploration and production：past，present and future[M].Offshore Technology Conference，OTC14024.
[2] HARDING，BARRY W.1999 worldwide survey of deepwater drilling rigs[J].Offshore Magazine，July，1999.
[3] 程桂華，李升高，潘紅政，等.新型安全接頭的研制與應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2001，29(2)：67-71.
[4] 劉景三，徐孟策.側(cè)鉆井作業(yè)施工及井下事故的處理[J].鉆采工藝，2002，25(11)：99-101.
 
(本文作者：陳穎杰1 羅俊豐2 曾欣3 張杰3 袁建波1 魏武4 許期聰4 1.中國石油大學(xué) 北京；2.中海石油深訓(xùn)分公司鉆井部；3.西南石油大學(xué)；4.中國石油天然氣集團公司川慶鉆探工程公司)