新型水平井固井下套管牵引工具的研制

摘 要

摘要：水平油气井尤其是大位移水平油气井固井时套管下入困难，单纯依靠垂直井段套管的自重难以下入套管至预定位置。在分析总结已有资料及相关经验的基础上，针对现有下套管工具压
摘要：水平油气井尤其是大位移水平油气井固井时套管下入困难，单纯依靠垂直井段套管的自重难以下入套管至预定位置。在分析总结已有资料及相关经验的基础上，针对现有下套管工具压迫式驱动套管下入传统方法的缺陷及结构的局限性，研制了一种能促使套管在水平井段顺利前行的新型工具。其工作原理为：在下套管固井作业中，它连接于下入套管的最前端，首先对套管内的低密度钻井液加压，促使活塞右行，当活塞停止前进时，增大加在低密度钻井液上的压力，以克服作用于球阀上的弹簧预紧力而推开球阀，低密度钻井液进入卡盘，推动卡齿伸出、卡紧井壁，而后卸去作用在低密度钻井液上的压力，由高、低密度钻井液之间的压力差在套管前端产生牵引力，牵引套管前行直至预定深度。该工具结构简单、易于操作，只需控制地面钻井液泵泵压的大小即可，解决了水平井套管下入难的问题。
关键词：深井；超深井；水平井；完井；固井；套管牵引工具；研制；强度校核
0 引言
    水平井固井、完井的困难在于套管如何顺利下入水平井段[1～3]。目前，国内外普遍采用的增加套管附加力的工具[4～7]都是压迫式驱动的，这种压迫式驱动力驱使套管下入的水平长度有限，难以到达预定深度，尤其是垂直井深较小的时候。笔者在总结已有经验的基础上，设计了以牵引式驱动为动力的新型下套管工具，以期解决水平井套管下入难的问题。
1 套管牵引工具的结构组成、应用条件与工作过程
套管牵引工具结构总装图如图1所示。
 
    该工具的应用条件为：①适用于下套管完井的水平井、大位移井；②该工具适用于下最后一层套管；③可不取出，直接投球封堵，取代套管鞋；④该工具安装于下入套管柱的最前端；⑤使用时，本体上可安装弹性扶正器，以确保工具居中。
    套管牵引工具的工作过程可分为以下4个阶段：
1) 对套管内的低密度钻井液加压，活塞杆右行。如图2所示，对套管内的低密度钻井液施压，低密度钻井液所产生的压力和泵压共同作用在活塞1的左侧面上，同时通过活塞杆上的通道和孔2作用在活塞2的左侧面上，共同产生向右的推力，克服高密度钻井液作用在活塞1、2右侧面上的阻力和密封摩擦阻力，推动活塞和卡盘向右运动。
 
2) 低密度钻井液继续加压，卡齿伸出卡紧井壁。如图3所示，活塞2右行接触到缸盖后停止前进，施加在套管内低密度钻井液上的泵压升高，当球阀两端压力差大于弹簧的弹力时，球阀被推开，低密度钻井液经空心活塞杆进入卡盘，推动卡齿活塞，使卡齿伸出并卡紧井壁。
    3) 低密度钻井液泄压，高密度钻井液推动套管右行。如图4所示，卡齿固定在井壁上，活塞不能移动，加在低密度钻井液上的压力继续上升，当压力达到限定值后，卸去加在低密度钻井液上的泵压，球阀关闭。环空中的高密度钻井液经孔1和孔3进入活塞缸的A腔和C腔，作用在隔板左侧和缸盖左侧面上的力大于B腔内低密度钻井液作用在隔板右侧面上的力和密封摩擦阻力，于是活塞缸在高密度钻井液的推动下向右运动，牵引套管右行。
   4) 泄压孔与泄压槽相连通，卡齿泄压缩回。如图5所示，当隔板接近活塞2时，活塞2上的泄压孔4与活塞缸上的泄压槽连通，活塞杆右段及卡盘内的低密度钻井液经泄压孔4、泄压槽、孔2、活塞杆左段的内孔与套管内的低密度钻井液连通而泄压，卡齿受到碟簧的弹力而收回，整个水平井套管牵引工具回复到初始状态。
    通过对套管内的低密度钻井液交替加压，使水平井套管牵引工具产生上述的循环运动，直至套管下到预定深度为止。
2 重要零部件的强度校核
2.1 活塞杆的稳定性校核
    在轴向压力作用下，细长杆件可能发生突然弯曲而损坏，故必须对活塞杆的稳定性进行校核。该工具活塞的直径为Ø120mm，活塞上受到的最大压强p=62.4MPa，活塞杆的直径为30mm，活塞杆的长度为2000mm，材料为35CrMo，强度极限为σb=980MPa，安全系数(nst)取2。
    为了进行稳定性校核，需先算出临界力(Fi)，而选择何种公式计算临界力，则需先算出活塞杆的柔度才能决定。根据该工具的工作原理(考虑安装扶正器)，活塞杆简化模型如图6所示。
 

    μ=1时，其柔度为：λ=μL/i=1×2000×4/30=267。
    对于35CrMo，可求得，显然有λ＞λp，故该工具活塞杆为细长杆。
    活塞杆的截面形状为圆形，有惯性矩I=πd4/64。
    则活塞杆的临界力为：Fi=π2EI/(μL)2=99862N。
    作用在活塞杆上的轴向力为：F=ps=pπd2/4=49000N。
    故可知工作安全系数为：n=FiF=2.038＞nst，满足稳定性条件，故活塞杆是稳定的。
2.2 卡齿活塞杆的弯曲应力校核
    卡齿卡紧井壁时，活塞杆的受力情况如图7-a所示。
 

    在垂直方向上，卡齿活塞杆受到钻井液产生的力(Fy)、碟簧弹力(Fd)及井壁的反作用力(Fi)的作用，这些力在卡齿活塞杆所产生的压缩应力较小可不校核其压缩强度。故只考虑因工具牵引力而产生的水平作用力(声)对卡齿活塞的影响，且p等于工具产生的牵引力，即p=f=4.9×104N。
    根据剪力和弯矩的计算方法可知，卡齿活塞杆上距活塞为的任意截面处的剪力和弯矩分别是：
    Q(x)=p
    M(x)=-p(l-x)    (O≤x≤l)
其中：l为活塞杆向外伸出的距离，且l=20mm。对应的剪力图与弯矩图见图7-b。
    计算卡齿活塞杆的弯曲切应力时，卡齿活塞杆可等效为圆形截面梁计算。在圆形梁截面上，Sz*是半个圆截面对中性轴的静矩，即
    Sz*=πR2×4R/6π=2R3/3
    此外，b=2R，Iz=πR4/4，且Q=p=4.9×104N，则τmax=QSz*/Izb=Q×2R3×4/(2R×πR4×3)=4Q/3πR2=52N/mm2
    卡齿活塞杆受到的最大剪应力为：
    τmax＜[τ]=540/4=135N/mm2
    由图7-b可以看出，当x=0时，作用在卡齿活塞杆上的最大弯矩为：
   Mmax=pl=4.9×104×0.04=1960N·m2
    对于截面直径为d=40mm的圆形，有抗弯截面系数(W)为：
    W=Iz/(d/2)=πd4×2/64d=πd3/32=50.24×10-6m3
    继而，可求得最大的弯曲正应力为：
    σmax=Mmax/W=39.04N/mm2＜[σ]=σb/4=208.75N/mm2
    故卡齿活塞杆的设计满足要求。
3 ANSYS模拟分析及结构优化设计
    由于该工具工作时所需流体压力较大，故而活塞杆、活塞缸上小孔出口处可能因应力集中而被冲蚀。故此部分着重分析通孔压力分布与孔径的关系，以优化其尺寸。
   活塞杆材料选用35CrMo，屈服极限为835MPa，采用双线性模拟。单元的弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.3。考虑实际工况，设定安全系数，故材料的许用应力约为278.3MPa。
    为提高工具的运行效率，通孔的设计应该满足钻井液流量的最大化。因此活塞杆通孔直径以20mm为上限，以1mm为间距，对不同尺寸的通孔进行ANSYS分析，寻找到合适的通孔尺寸，计算结果如表1所示。
表1 活塞杆通孔直径与最大应力值表
通孔直径/mm
19
18
17
16
15
14
13
12
11
最大应力值/MPa
313
297
283
279
265
248
233
204
150
    由表1可以看出，当通孔直径为15mm时，活塞杆所受应力最大值小于材料许用应力，活塞杆安全。
   此时，活塞杆通孔处的应力分布如图8所示。同理，缸体通孔直径以30mm为上限，以1mm为间距，对不同尺寸的通孔进行ANSYS分析，计算结果如表2所示。
 

表2 缸体通孔直径与最大应力值表
通孔直径/mm
30
29
28
27
26
25
24
23
最大应力值/MPa
351
334
302
283
256
249
235
207
由表2可以看出，当缸体通孔直径为26mm时，缸体最大应力值小于材料许用应力，缸体安全。此时的通孔应力分布如图9所示。
 

4 结论
   1) 该工具改变了以往压迫式驱动套管前行的传统方法，而在套管前端产生牵引力，牵引套管前行。
   2) 该工具结构简单，操作方便，只需控制地面钻井液泵泵压的大小即可对套管提供较大的牵引力。
    3) 该工具可使套管由被动式受压改变为牵引式受拉，消除了套管因受压弯曲而损坏的风险。
参考文献
[1] 王德新，于润桥.套管柱在水平井弯曲段的可下入性[J].石油钻探技术，1997，25(1)：12-13.
[2] 陈浩，刘承杰，刘清友，等.套管柱与钻柱间侧向力的分析[J].天然气工业，2001，21(4)：63-65.
[3] 张东海.TK112H深层水平井固井技术[J].天然气工业，2004，24(8)：45-46.
[4] 宋秀英，赵庆，姚军，等.大位移井下套管技术[J].钻采工艺，2000，27(4)：15-19.
[5] 王辉.可循环式井口加压下套管装置的研究[J].石油机械，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：陈浩1 王长江1 董林2 李悦钦1 苏莹莹1 1.石油天然气装备教育部重点实验室 西南石油大学；2.比亚迪汽车有限公司深圳)