單彎螺桿鉆具下入套管可行性分析

祝效華 高 原 劉少胡 許建民

（1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610500；2.中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司，北京 100011）

彎外殼螺桿鉆具下入井口段套管的過(guò)程中，由于鉆具與套管環(huán)空空間較小，而螺桿鉆具結(jié)構(gòu)彎角較大，彎螺桿鉆具初始下入困難。目前井隊(duì)基本都未配備專(zhuān)用的壓入裝置，因此預(yù)先評(píng)估設(shè)計(jì)的彎殼體螺桿鉆具組合的可下入性就非常重要。

彎外殼螺桿鉆具能否順利下入套管主要取決于鉆具組合和井壁間摩擦力的大小。對(duì)于彎外殼螺桿鉆具下入性研究，本質(zhì)上是研究彎外殼螺桿鉆具依靠自重在套管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)、受力與變形。采用有限元仿真技術(shù)，以1~2.75°共8種不同結(jié)構(gòu)彎角的?172 mm單彎螺桿鉆具下入?244 mm套管為例，分析了單彎螺桿鉆具在下入套管時(shí)的應(yīng)力分布規(guī)律及不同結(jié)構(gòu)彎角大小對(duì)單彎螺桿鉆具下入性的影響。

1 計(jì)算模型

1.1 單彎螺桿鉆具結(jié)構(gòu)

圖1所示為單彎螺桿鉆具的幾何結(jié)構(gòu)。L1為鉆頭到螺桿鉆具殼體彎點(diǎn)的距離，L2為螺桿鉆具殼體彎角到鉆具組合頂部的距離。根據(jù)不同的造斜要求，結(jié)構(gòu)彎角γ的大小可選擇不同的數(shù)值。

圖1 單彎螺桿鉆具組合模型

1.2 有限元計(jì)算模型

單彎螺桿鉆具下入套管前，套管軸線與Y軸重合，螺桿鉆具結(jié)構(gòu)彎角以上部分軸線平行于Y軸。鉆頭端面中點(diǎn)與套管中軸重合，見(jiàn)圖2。

圖2 單彎螺桿鉆具組合下入套管前模型（部分）

1.3 單彎螺桿鉆具下入性判斷準(zhǔn)則

自由狀態(tài)的單彎螺桿鉆具在下入套管時(shí)受到套管內(nèi)徑的限制會(huì)發(fā)生變形，變形產(chǎn)生的支反力和摩擦力可能導(dǎo)致下入困難。單彎螺桿鉆具下入時(shí)應(yīng)遵循下入準(zhǔn)則和安全準(zhǔn)則。

（1）下入準(zhǔn)則。鉆具組合依靠鉆具本身自重應(yīng)能夠克服摩擦力下入套管。下入準(zhǔn)則計(jì)算公式

式中，f為摩擦力，N；μ為摩擦因數(shù)；∑Fi為下部鉆具與套管接觸點(diǎn)處的接觸力，N。該模型中摩擦因數(shù)選取0.25。

（2）安全準(zhǔn)則。螺桿鉆具組合的工作應(yīng)力要小于許用應(yīng)力，不會(huì)發(fā)生斷裂破壞，滿(mǎn)足鉆具組合的后續(xù)作業(yè)要求。

2 實(shí)例計(jì)算及結(jié)果分析

分析中采用的鉆具組合結(jié)構(gòu)為：?216 mm鉆頭+?172 mm單彎螺桿馬達(dá)+?216 mm扶正器+?165 mm鉆鋌+?165 mm浮閥接頭+?165 mm撓性接頭+（?165 mm震擊器）+?127 mm加重鉆桿，下入?244 mm套管。鉆頭到彎點(diǎn)距離L1為2330 mm，彎點(diǎn)到螺桿鉆具組合頂部距離L2為27070 mm。單彎螺桿鉆具結(jié)構(gòu)彎角計(jì)算選取區(qū)間為：1~2.75°。

2.1 結(jié)構(gòu)彎角對(duì)單彎螺桿鉆具下入性影響

圖3、圖4為結(jié)構(gòu)彎角1~2.75°的?172 mm單彎螺桿鉆具下入?244 mm套管過(guò)程中產(chǎn)生的總支反力，即多個(gè)支點(diǎn)支反力絕對(duì)值的和。

圖3 結(jié)構(gòu)彎角為1~1.5°時(shí)的支反力

圖4 結(jié)構(gòu)彎角為1.75~2.75°時(shí)的支反力

由圖3、圖4可以看出：彎外殼螺桿鉆具在下入套管過(guò)程中，總支反力的幅值是變化的，這與彎螺桿組合受迫狀態(tài)和接觸支點(diǎn)個(gè)數(shù)的變化密切相關(guān)，整個(gè)下入過(guò)程中的支反力峰值及彎螺桿組合重力的軸向分量決定了彎螺桿鉆具組合能否順利下入；總支反力峰值與結(jié)構(gòu)彎角基本上呈正比關(guān)系。

根據(jù)ABAQUS仿真結(jié)果，結(jié)合圖3、圖4，當(dāng)?172 mm螺桿彎角小于等于2.5°時(shí)，下入過(guò)程中彎螺桿組合重力的軸向分量始終大于總支反力形成的摩擦力，彎螺桿組合可以順利下入；當(dāng)螺桿彎角等于2.75°時(shí)彎螺桿組合支反力曲線在出現(xiàn)一個(gè)波動(dòng)后趨于平直，此時(shí)只有部分彎螺桿組合下入套管，彎螺桿組合重力的有效軸向分量小于支反力形成的摩擦阻力，彎螺桿組合卡在井口，不能繼續(xù)下入。不同結(jié)構(gòu)彎角螺桿組合下入過(guò)程中的最大支反力和摩擦阻力見(jiàn)表1。

表1 不同彎角螺桿組合下入套管時(shí)的計(jì)算結(jié)果

2.2 應(yīng)力分布規(guī)律

由仿真結(jié)果可知：?jiǎn)螐澛輻U鉆具通過(guò)套管時(shí)，螺桿鉆具結(jié)構(gòu)彎角殼體處的應(yīng)力是整個(gè)螺桿鉆具組合應(yīng)力最高的地方，見(jiàn)圖5。不同結(jié)構(gòu)彎角螺桿組合下入過(guò)程中的最大應(yīng)力見(jiàn)表1，由表1可知2.5°彎螺桿組合下入過(guò)程中的最大應(yīng)力約為屈服強(qiáng)度的四分之一，從靜力學(xué)的角度該組合是安全的。

圖5 2.5°彎螺桿鉆具結(jié)構(gòu)彎角處應(yīng)力云圖

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）研究表明，單彎螺桿鉆具組合下入過(guò)程中的總支反力，摩擦力以及結(jié)構(gòu)彎角處最大應(yīng)力都隨著螺桿鉆具結(jié)構(gòu)彎角的增大而增大。當(dāng)結(jié)構(gòu)彎角小于等于2.5°時(shí)，?172 mm單彎螺桿鉆具可以依靠本身自重在?244 mm套管內(nèi)順利下入；當(dāng)結(jié)構(gòu)彎角等于2.75°時(shí)，螺桿鉆具無(wú)法依靠自身重力順利下入，需要附加外力強(qiáng)行將螺桿鉆具壓入套管。

（2）螺桿鉆具常在大修后多次入井使用，殼體難免出現(xiàn)疲勞裂紋或材料退化，大角度的殼體在重復(fù)下井時(shí)應(yīng)對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行預(yù)估，以減少殼體井下斷裂機(jī)率，確保安全鉆井。

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