新型水平井固井下套管牽引工具的研制

摘 要

摘要：水平油氣井尤其是大位移水平油氣井固井時(shí)套管下入困難，單純依靠垂直井段套管的自重難以下入套管至預(yù)定位置。在分析總結(jié)已有資料及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有下套管工具壓
摘要：水平油氣井尤其是大位移水平油氣井固井時(shí)套管下入困難，單純依靠垂直井段套管的自重難以下入套管至預(yù)定位置。在分析總結(jié)已有資料及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有下套管工具壓迫式驅(qū)動(dòng)套管下入傳統(tǒng)方法的缺陷及結(jié)構(gòu)的局限性，研制了一種能促使套管在水平井段順利前行的新型工具。其工作原理為：在下套管固井作業(yè)中，它連接于下入套管的最前端，首先對(duì)套管內(nèi)的低密度鉆井液加壓，促使活塞右行，當(dāng)活塞停止前進(jìn)時(shí)，增大加在低密度鉆井液上的壓力，以克服作用于球閥上的彈簧預(yù)緊力而推開球閥，低密度鉆井液進(jìn)入卡盤，推動(dòng)卡齒伸出、卡緊井壁，而后卸去作用在低密度鉆井液上的壓力，由高、低密度鉆井液之間的壓力差在套管前端產(chǎn)生牽引力，牽引套管前行直至預(yù)定深度。該工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作，只需控制地面鉆井液泵泵壓的大小即可，解決了水平井套管下入難的問題。
關(guān)鍵詞：深井；超深井；水平井；完井；固井；套管牽引工具；研制；強(qiáng)度校核
0 引言
    水平井固井、完井的困難在于套管如何順利下入水平井段[1～3]。目前，國內(nèi)外普遍采用的增加套管附加力的工具[4～7]都是壓迫式驅(qū)動(dòng)的，這種壓迫式驅(qū)動(dòng)力驅(qū)使套管下入的水平長(zhǎng)度有限，難以到達(dá)預(yù)定深度，尤其是垂直井深較小的時(shí)候。筆者在總結(jié)已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以牽引式驅(qū)動(dòng)為動(dòng)力的新型下套管工具，以期解決水平井套管下入難的問題。
1 套管牽引工具的結(jié)構(gòu)組成、應(yīng)用條件與工作過程
套管牽引工具結(jié)構(gòu)總裝圖如圖1所示。
 
    該工具的應(yīng)用條件為：①適用于下套管完井的水平井、大位移井；②該工具適用于下最后一層套管；③可不取出，直接投球封堵，取代套管鞋；④該工具安裝于下入套管柱的最前端；⑤使用時(shí)，本體上可安裝彈性扶正器，以確保工具居中。
    套管牽引工具的工作過程可分為以下4個(gè)階段：
1) 對(duì)套管內(nèi)的低密度鉆井液加壓，活塞桿右行。如圖2所示，對(duì)套管內(nèi)的低密度鉆井液施壓，低密度鉆井液所產(chǎn)生的壓力和泵壓共同作用在活塞1的左側(cè)面上，同時(shí)通過活塞桿上的通道和孔2作用在活塞2的左側(cè)面上，共同產(chǎn)生向右的推力，克服高密度鉆井液作用在活塞1、2右側(cè)面上的阻力和密封摩擦阻力，推動(dòng)活塞和卡盤向右運(yùn)動(dòng)。
 
2) 低密度鉆井液繼續(xù)加壓，卡齒伸出卡緊井壁。如圖3所示，活塞2右行接觸到缸蓋后停止前進(jìn)，施加在套管內(nèi)低密度鉆井液上的泵壓升高，當(dāng)球閥兩端壓力差大于彈簧的彈力時(shí)，球閥被推開，低密度鉆井液經(jīng)空心活塞桿進(jìn)入卡盤，推動(dòng)卡齒活塞，使卡齒伸出并卡緊井壁。
    3) 低密度鉆井液泄壓，高密度鉆井液推動(dòng)套管右行。如圖4所示，卡齒固定在井壁上，活塞不能移動(dòng)，加在低密度鉆井液上的壓力繼續(xù)上升，當(dāng)壓力達(dá)到限定值后，卸去加在低密度鉆井液上的泵壓，球閥關(guān)閉。環(huán)空中的高密度鉆井液經(jīng)孔1和孔3進(jìn)入活塞缸的A腔和C腔，作用在隔板左側(cè)和缸蓋左側(cè)面上的力大于B腔內(nèi)低密度鉆井液作用在隔板右側(cè)面上的力和密封摩擦阻力，于是活塞缸在高密度鉆井液的推動(dòng)下向右運(yùn)動(dòng)，牽引套管右行。
   4) 泄壓孔與泄壓槽相連通，卡齒泄壓縮回。如圖5所示，當(dāng)隔板接近活塞2時(shí)，活塞2上的泄壓孔4與活塞缸上的泄壓槽連通，活塞桿右段及卡盤內(nèi)的低密度鉆井液經(jīng)泄壓孔4、泄壓槽、孔2、活塞桿左段的內(nèi)孔與套管內(nèi)的低密度鉆井液連通而泄壓，卡齒受到碟簧的彈力而收回，整個(gè)水平井套管牽引工具回復(fù)到初始狀態(tài)。
    通過對(duì)套管內(nèi)的低密度鉆井液交替加壓，使水平井套管牽引工具產(chǎn)生上述的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，直至套管下到預(yù)定深度為止。
2 重要零部件的強(qiáng)度校核
2.1 活塞桿的穩(wěn)定性校核
    在軸向壓力作用下，細(xì)長(zhǎng)桿件可能發(fā)生突然彎曲而損壞，故必須對(duì)活塞桿的穩(wěn)定性進(jìn)行校核。該工具活塞的直徑為Ø120mm，活塞上受到的最大壓強(qiáng)p=62.4MPa，活塞桿的直徑為30mm，活塞桿的長(zhǎng)度為2000mm，材料為35CrMo，強(qiáng)度極限為σb=980MPa，安全系數(shù)(nst)取2。
    為了進(jìn)行穩(wěn)定性校核，需先算出臨界力(Fi)，而選擇何種公式計(jì)算臨界力，則需先算出活塞桿的柔度才能決定。根據(jù)該工具的工作原理(考慮安裝扶正器)，活塞桿簡(jiǎn)化模型如圖6所示。
 

    μ=1時(shí)，其柔度為：λ=μL/i=1×2000×4/30=267。
    對(duì)于35CrMo，可求得，顯然有λ＞λp，故該工具活塞桿為細(xì)長(zhǎng)桿。
    活塞桿的截面形狀為圓形，有慣性矩I=πd4/64。
    則活塞桿的臨界力為：Fi=π2EI/(μL)2=99862N。
    作用在活塞桿上的軸向力為：F=ps=pπd2/4=49000N。
    故可知工作安全系數(shù)為：n=FiF=2.038＞nst，滿足穩(wěn)定性條件，故活塞桿是穩(wěn)定的。
2.2 卡齒活塞桿的彎曲應(yīng)力校核
    卡齒卡緊井壁時(shí)，活塞桿的受力情況如圖7-a所示。
 

    在垂直方向上，卡齒活塞桿受到鉆井液產(chǎn)生的力(Fy)、碟簧彈力(Fd)及井壁的反作用力(Fi)的作用，這些力在卡齒活塞桿所產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力較小可不校核其壓縮強(qiáng)度。故只考慮因工具牽引力而產(chǎn)生的水平作用力(聲)對(duì)卡齒活塞的影響，且p等于工具產(chǎn)生的牽引力，即p=f=4.9×104N。
    根據(jù)剪力和彎矩的計(jì)算方法可知，卡齒活塞桿上距活塞為的任意截面處的剪力和彎矩分別是：
    Q(x)=p
    M(x)=-p(l-x)    (O≤x≤l)
其中：l為活塞桿向外伸出的距離，且l=20mm。對(duì)應(yīng)的剪力圖與彎矩圖見圖7-b。
    計(jì)算卡齒活塞桿的彎曲切應(yīng)力時(shí)，卡齒活塞桿可等效為圓形截面梁計(jì)算。在圓形梁截面上，Sz*是半個(gè)圓截面對(duì)中性軸的靜矩，即
    Sz*=πR2×4R/6π=2R3/3
    此外，b=2R，Iz=πR4/4，且Q=p=4.9×104N，則τmax=QSz*/Izb=Q×2R3×4/(2R×πR4×3)=4Q/3πR2=52N/mm2
    卡齒活塞桿受到的最大剪應(yīng)力為：
    τmax＜[τ]=540/4=135N/mm2
    由圖7-b可以看出，當(dāng)x=0時(shí)，作用在卡齒活塞桿上的最大彎矩為：
   Mmax=pl=4.9×104×0.04=1960N·m2
    對(duì)于截面直徑為d=40mm的圓形，有抗彎截面系數(shù)(W)為：
    W=Iz/(d/2)=πd4×2/64d=πd3/32=50.24×10-6m3
    繼而，可求得最大的彎曲正應(yīng)力為：
    σmax=Mmax/W=39.04N/mm2＜[σ]=σb/4=208.75N/mm2
    故卡齒活塞桿的設(shè)計(jì)滿足要求。
3 ANSYS模擬分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
    由于該工具工作時(shí)所需流體壓力較大，故而活塞桿、活塞缸上小孔出口處可能因應(yīng)力集中而被沖蝕。故此部分著重分析通孔壓力分布與孔徑的關(guān)系，以優(yōu)化其尺寸。
   活塞桿材料選用35CrMo，屈服極限為835MPa，采用雙線性模擬。單元的彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3?？紤]實(shí)際工況，設(shè)定安全系數(shù)，故材料的許用應(yīng)力約為278.3MPa。
    為提高工具的運(yùn)行效率，通孔的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足鉆井液流量的最大化。因此活塞桿通孔直徑以20mm為上限，以1mm為間距，對(duì)不同尺寸的通孔進(jìn)行ANSYS分析，尋找到合適的通孔尺寸，計(jì)算結(jié)果如表1所示。
表1 活塞桿通孔直徑與最大應(yīng)力值表
通孔直徑/mm
19
18
17
16
15
14
13
12
11
最大應(yīng)力值/MPa
313
297
283
279
265
248
233
204
150
    由表1可以看出，當(dāng)通孔直徑為15mm時(shí)，活塞桿所受應(yīng)力最大值小于材料許用應(yīng)力，活塞桿安全。
   此時(shí)，活塞桿通孔處的應(yīng)力分布如圖8所示。同理，缸體通孔直徑以30mm為上限，以1mm為間距，對(duì)不同尺寸的通孔進(jìn)行ANSYS分析，計(jì)算結(jié)果如表2所示。
 

表2 缸體通孔直徑與最大應(yīng)力值表
通孔直徑/mm
30
29
28
27
26
25
24
23
最大應(yīng)力值/MPa
351
334
302
283
256
249
235
207
由表2可以看出，當(dāng)缸體通孔直徑為26mm時(shí)，缸體最大應(yīng)力值小于材料許用應(yīng)力，缸體安全。此時(shí)的通孔應(yīng)力分布如圖9所示。
 

4 結(jié)論
   1) 該工具改變了以往壓迫式驅(qū)動(dòng)套管前行的傳統(tǒng)方法，而在套管前端產(chǎn)生牽引力，牽引套管前行。
   2) 該工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，只需控制地面鉆井液泵泵壓的大小即可對(duì)套管提供較大的牽引力。
    3) 該工具可使套管由被動(dòng)式受壓改變?yōu)闋恳绞芾颂坠芤蚴軌簭澢鴵p壞的風(fēng)險(xiǎn)。
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(本文作者：陳浩1 王長(zhǎng)江1 董林2 李悅欽1 蘇瑩瑩1 1.石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南石油大學(xué)；2.比亞迪汽車有限公司深圳)