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定位置。在分析總結已有資料及相關經驗的基礎上，針對現有下套管工具壓
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定位置。在分析總結已有資料及相關經驗的基礎上，針對現有下套管工具壓迫式驅動套管下入傳統方法的缺陷及結構的局限性，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：在下套管固井作業中，它連接于下入套管的最前端，首先對套管內的低密度鉆井液加壓，促使活塞右行，當活塞停止前進時，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緊力而推開球閥，低密度鉆井液進入卡盤，推動卡齒伸出、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生牽引力，牽引套管前行直至預定深度。該工具結構簡單、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。
關鍵詞：深井；超深井；水平井；完井；固井；套管牽引工具；研制；強度校核
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，國內外普遍采用的增加套管附加力的工具[4～7]都是壓迫式驅動的，這種壓迫式驅動力驅使套管下入的水平長度有限，難以到達預定深度，尤其是垂直井深較小的時候。筆者在總結已有經驗的基礎上，設計了以牽引式驅動為動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 套管牽引工具的結構組成、應用條件與工作過程
套管牽引工具結構總裝圖如圖1所示。
 
    該工具的應用條件為：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，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個階段：
1) 對套管內的低密度鉆井液加壓，活塞桿右行。如圖2所示，對套管內的低密度鉆井液施壓，低密度鉆井液所產生的壓力和泵壓共同作用在活塞1的左側面上，同時通過活塞桿上的通道和孔2作用在活塞2的左側面上，共同產生向右的推力，克服高密度鉆井液作用在活塞1、2右側面上的阻力和密封摩擦阻力，推動活塞和卡盤向右運動。
 
2) 低密度鉆井液繼續加壓，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，施加在套管內低密度鉆井液上的泵壓升高，當球閥兩端壓力差大于彈簧的彈力時，球閥被推開，低密度鉆井液經空心活塞桿進入卡盤，推動卡齒活塞，使卡齒伸出并卡緊井壁。
    3) 低密度鉆井液泄壓，高密度鉆井液推動套管右行。如圖4所示，卡齒固定在井壁上，活塞不能移動，加在低密度鉆井液上的壓力繼續上升，當壓力達到限定值后，卸去加在低密度鉆井液上的泵壓，球閥關閉。環空中的高密度鉆井液經孔1和孔3進入活塞缸的A腔和C腔，作用在隔板左側和缸蓋左側面上的力大于B腔內低密度鉆井液作用在隔板右側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下向右運動，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，當隔板接近活塞2時，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的低密度鉆井液經泄壓孔4、泄壓槽、孔2、活塞桿左段的內孔與套管內的低密度鉆井液連通而泄壓，卡齒受到碟簧的彈力而收回，整個水平井套管牽引工具回復到初始狀態。
    通過對套管內的低密度鉆井液交替加壓，使水平井套管牽引工具產生上述的循環運動，直至套管下到預定深度為止。
2 重要零部件的強度校核
2.1 活塞桿的穩定性校核
    在軸向壓力作用下，細長桿件可能發生突然彎曲而損壞，故必須對活塞桿的穩定性進行校核。該工具活塞的直徑為Ø120mm，活塞上受到的最大壓強p=62.4MPa，活塞桿的直徑為30mm，活塞桿的長度為2000mm，材料為35CrMo，強度極限為σb=980MPa，安全系數(nst)取2。
    為了進行穩定性校核，需先算出臨界力(Fi)，而選擇何種公式計算臨界力，則需先算出活塞桿的柔度才能決定。根據該工具的工作原理(考慮安裝扶正器)，活塞桿簡化模型如圖6所示。
 

    μ=1時，其柔度為：λ=μL/i=1×2000×4/30=267。
    對于35CrMo，可求得，顯然有λ＞λp，故該工具活塞桿為細長桿。
    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為：n=FiF=2.038＞nst，滿足穩定性條件，故活塞桿是穩定的。
2.2 卡齒活塞桿的彎曲應力校核
    卡齒卡緊井壁時，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生的壓縮應力較小可不校核其壓縮強度。故只考慮因工具牽引力而產生的水平作用力(聲)對卡齒活塞的影響，且p等于工具產生的牽引力，即p=f=4.9×104N。
    根據剪力和彎矩的計算方法可知，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。對應的剪力圖與彎矩圖見圖7-b。
    計算卡齒活塞桿的彎曲切應力時，卡齒活塞桿可等效為圓形截面梁計算。在圓形梁截面上，Sz*是半個圓截面對中性軸的靜矩，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力為：
    τmax＜[τ]=540/4=135N/mm2
    由圖7-b可以看出，當x=0時，作用在卡齒活塞桿上的最大彎矩為：
   Mmax=pl=4.9×104×0.04=1960N·m2
    對于截面直徑為d=40mm的圓形，有抗彎截面系數(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力為：
    σmax=Mmax/W=39.04N/mm2＜[σ]=σb/4=208.75N/mm2
    故卡齒活塞桿的設計滿足要求。
3 ANSYS模擬分析及結構優化設計
    由于該工具工作時所需流體壓力較大，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系，以優化其尺寸。
   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。考慮實際工況，設定安全系數，故材料的許用應力約為278.3MPa。
    為提高工具的運行效率，通孔的設計應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，對不同尺寸的通孔進行ANSYS分析，尋找到合適的通孔尺寸，計算結果如表1所示。
表1 活塞桿通孔直徑與最大應力值表
通孔直徑/mm
19
18
17
16
15
14
13
12
11
最大應力值/MPa
313
297
283
279
265
248
233
204
150
    由表1可以看出，當通孔直徑為15mm時，活塞桿所受應力最大值小于材料許用應力，活塞桿安全。
   此時，活塞桿通孔處的應力分布如圖8所示。同理，缸體通孔直徑以30mm為上限，以1mm為間距，對不同尺寸的通孔進行ANSYS分析，計算結果如表2所示。
 

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

4 結論
   1) 該工具改變了以往壓迫式驅動套管前行的傳統方法，而在套管前端產生牽引力，牽引套管前行。
   2) 該工具結構簡單，操作方便，只需控制地面鉆井液泵泵壓的大小即可對套管提供較大的牽引力。
    3) 該工具可使套管由被動式受壓改變為牽引式受拉，消除了套管因受壓彎曲而損壞的風險。
參考文獻
[1] 王德新，于潤橋.套管柱在水平井彎曲段的可下入性[J].石油鉆探技術，1997，25(1)：12-13.
[2] 陳浩，劉承杰，劉清友，等.套管柱與鉆柱間側向力的分析[J].天然氣工業，2001，21(4)：63-65.
[3] 張東海.TK112H深層水平井固井技術[J].天然氣工業，2004，24(8)：45-46.
[4] 宋秀英，趙慶，姚軍，等.大位移井下套管技術[J].鉆采工藝，2000，27(4)：15-19.
[5] 王輝.可循環式井口加壓下套管裝置的研究[J].石油機械，2008，36(9)：97-98.
[6] EATON SUSAN. Tesco′s casing running system improves speed[J].Efficiency and Safety，New Technology Magazine，2004，(1/4).
[7] DICK HEENAN. Advantages of top drive moving to casing running[J].Drilling Contractor，2003，7：42-43.
 
(本文作者：陳浩1 王長江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實驗室 西南石油大學；2.比亞迪汽車有限公司深圳)