新型水平井固井下套管牽引工具的研制

陳浩王長(zhǎng)江董林李悅欽蘇瑩瑩

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

新型水平井固井下套管牽引工具的研制

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

陳浩等.新型水平井固井下套管牽引工具的研制.天然氣工業(yè),2010,30(4):80-83.

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。

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(guó)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。

圖1 套管牽引工具結(jié)構(gòu)示意圖

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。

圖2 第一階段示意圖

圖3 第二階段示意圖

圖4 第三階段示意圖

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?120mm,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。

圖5 第四階段示意圖

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。

圖6 活塞桿簡(jiǎn)化模型圖

μ=1時(shí),其柔度為:λ=μL/i=1×2000×4/30=267。

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。

圖7 卡齒活塞桿受力示意圖

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(Fj)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(p)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:

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,Sz3是半個(gè)圓截面對(duì)中性軸的靜矩,即

此外,b=2R,Iz=πR4/4,且Q=p=4.9×104N,則

卡齒活塞桿受到的最大剪應(yīng)力為:

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:

對(duì)于截面直徑為 d=40mm的圓形,有抗彎截面系數(shù)(W)為:

繼而,可求得最大的彎曲正應(yīng)力為:

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

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。

圖8 活塞通孔直徑為15mm時(shí)應(yīng)力分布圖

表2 缸體通孔直徑與最大應(yīng)力值表

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。

圖9 缸體通孔直徑為26mm時(shí)的應(yīng)力分布圖

3)該工具可使套管由被動(dòng)式受壓改變?yōu)闋恳绞芾?消除了套管因受壓彎曲而損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

[1]王德新,于潤(rùn)橋.套管柱在水平井彎曲段的可下入性[J].石油鉆探技術(shù),1997,25(1):12-13.

[2]陳浩,劉承杰,劉清友,等.套管柱與鉆柱間側(cè)向力的分析[J].天然氣工業(yè),2001,21(4):63-65.

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(修改回稿日期 2010-01-27 編輯 鐘水清)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE4,pp.80-83,4/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

Development of a newcasing pulling tool for horizontal wells

Chen Hao1,Wang Changjiang1,Dong Lin2,Li Yueqin1,Su Yingying1
(1.Key L aboratory ofPetroleum and N atural Gas Equipment,Ministry ofEducation,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan610500,China;2.B YD A utomobile Co.,L td.,S hengzhen518118,China)

Casing running is always a difficult problem in horizontal,especially high-deviated horizontal wells,because the self weight of the casing in the vertical well section is unreliable for the casing to be located at the predetermined position.Based on an analysis and summary of the collected data and relevant field experiences,a new casing pulling tool is developed for advancing the casing smoothly through the horizontal well sections,which overcomes the defects and limits in the structure of the currently used casing appliances pushing the casing running by the conventional oppressive force.With this new tool,the loading state of the casing in running has been changed from the passive compression to the pull-type force,mitigating the risk of damage due to the compression bending.This new tool is connected to the frontier part of the casings and its working process is divided into four stages:First,the piston-rod is pushed right by the low-density drilling fluids being loaded.Second,the load is kept being added to the low-density drilling fluids until the snap tooth in the piston is stretched out to be clamped at the well wall.Third,the low-density fluids are unloaded after a limit value,and the high-density fluids start to pull the casing forward to the predetermined location.Fourth,the snap tooth is retrieved by the unloaded pressure and this pulling tool is then reinstated.This new pulling tool is simple in structure,easy to operate,and is performed only by controlling the hydraulic pump pressure on the ground surface,thus solving the difficulty in running casing in horizontal wells.

deep well,ultra-deep well,horizontal well,completion,cementing,casing,pulling tool,development,strength check

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.020

book=80,ebook=400

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.020

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)(編號(hào):2007XJZ102)。

陳浩,1963年生,副教授,碩士;1991年畢業(yè)于原西南石油學(xué)院機(jī)械工程專業(yè);現(xiàn)從事教學(xué)與科研工作,研究方向?yàn)楝F(xiàn)代設(shè)計(jì)理論及井下工具。地址:(610500)四川省成都市新都區(qū)西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院。電話:13668181066。E-mail: ch91668@163.com

Chen H ao,associate professor,was born in1963.He holds an M.Sc.degree,being mainly engaged in teaching and research of downhole tools and modern design theories.

Add:No.8,Xindu Avenue,Xindu District,Chengdu,Sichuan610500,P.R.China

Mobile:+86-13668181066 E-mail:ch91668@163.com