論套銑作業(yè)銑鞋銑削模型的建立及應用

張寶和，賴俊丞，李曉升，王進成，滿新寶

論套銑作業(yè)銑鞋銑削模型的建立及應用

張寶和，賴俊丞，李曉升，王進成，滿新寶

（海洋石油工程股份有限公司，天津 塘沽300451）

針對事故井套銑作業(yè)銑鞋銑削模型探究少、管柱扭矩鉆壓選擇難的問題，通過參考銑床銑削加工模型建立了銑鞋銑削力學模型，進而計算出管柱套銑扭矩和套銑允許的最大鉆壓，收到了良好的效果。實踐證明，其計算結果可以為打撈施工中合理的鉆壓參數(shù)選擇提供理論參考，為井下安全施工提供技術保證，進一步提高打撈作業(yè)效率。

套銑作業(yè)；銑鞋；銑削模型；理論參考；技術保證；井下施工

在油氣水井發(fā)生卡鉆事故后，對鉆具采取活動、轉動、震擊和浸泡解卡劑等措施均無效果時，就只能采取將卡點以上鉆具起出后，對卡點以下鉆具和工具進行套銑［1］。套銑作業(yè)過程中，為防止發(fā)生管柱斷裂等意外復雜事故，現(xiàn)場施工人員必須掌握整個打撈管柱的受力狀態(tài)，控制施工參數(shù)，這就很有必要從力學角度對井下管柱進行詳細理論分析，建立管柱的軸向和扭矩力學模型［2］。然而，目前鮮有文獻對管柱扭矩計算中的銑鞋銑削模型進行探究。本文通過建立銑鞋銑削力學模型，進而得出管柱扭矩及允許最大鉆壓計算方法。

1 套銑管柱正常套銑時扭矩計算

在套銑作業(yè)時，整個管柱都受有扭矩作用，因此在管柱橫截面上都產生剪應力。正常套銑時，鉆柱所受扭矩取決于鉆壓、井身結構、泥漿液性能等因素，它在數(shù)值上為銑鞋切削扭矩與管柱空轉扭矩之和。

式中，M—井口轉盤所受的扭矩，N·m；Ms—鉆柱空轉所需扭矩，N·m；Mb—旋轉銑鞋套銑魚頸所需的扭矩，N·m。

式中，Ns—鉆柱空轉所需功率，w。

正常套銑時，功率Ns的大小與鉆柱尺寸、井身結構、轉速、泥漿性能等因素有關，可以使用根據(jù)實驗結果修正的經驗公式進行確定。因此，鉆柱空轉所需功率推薦使用以下公式（轉速n＜230轉／分）［3］：

把式（3）代入公式（2），得：

式中，rm— 泥漿重度，N／m3；de— 鉆柱的外徑，cm；L—鉆柱長度，m；n— 轉速，r／min；C— 與井斜角有關的系數(shù)。

直井時C＝18.8×10－5；井斜角：25°時C＝48×10－5，15°時C＝38.5×10－5，6°時C＝31×10－5。

2 銑鞋銑削力學模型建立

在套銑管柱扭矩計算中，需要再計算套銑鞋套銑魚頸所需的扭矩Mb。目前，還沒有一個通用的銑鞋套銑的力學計算公式。以下參考銑床銑削加工所需切削力的計算方法［4］，建立銑鞋銑削模型，粗略計算在套銑作業(yè)中銑鞋銑削魚頸所需的扭矩。

銑床銑刀切削時，作用在銑刀刀齒上的力來自兩個方面（見圖1）：一是銑刀切線方向的圓周切削力P切，另一個是沿銑刀半徑方向的切削力P徑。

對于銑鞋的銑削，可以看作是鑲嵌在銑鞋內部的硬質合金塊進行切削，每一個硬質合金塊都可以看做一個銑刀齒。套銑過程可以近似的認為是與魚頸接觸的所有硬質合金塊的切削過程。針對每個硬質合金塊，即：切削刃也會受到兩個力，一個是切削齒切線方向的圓周切削力P切，另一個是沿銑鞋半徑方向的徑向切削力P徑。

套銑時，圓周切削力P切作用于硬質合金切削齒上，這個力的大小主要決定于切削的截面積和落魚材料的硬度。對于徑向切削力P徑，因銑鞋作圓周運動，P徑的合力為零。在銑削過程中，每平方毫米切削壓力或叫每平方毫米的切削橫截面積上所需要的力P用下式計算：

圖1 作用在銑刀齒上的力

又

所以

式中，P切—圓周切削力，N；P— 單位面積切削壓力，MPa；F平均— 切削的平均橫截面積，mm2；B— 銑削弧長，mm；t— 銑削深度，mm；Sz— 每齒進給量，可取Sz＝0.05mm～0.1mm；z—硬質合金切削刃個數(shù)；D—銑鞋直徑，mm。

單位面積上的切削力P的大小，決定于落魚管材的硬度與切削厚度a，切削越薄，單位面積切削壓力愈大；反之切削愈厚，則單位面積切削壓力愈小。

則，銑鞋的切削扭矩 Mb＝P切·R（8）

由此可計算出，管柱所受總扭矩M＝Ms＋Mb。

3 正常套銑時套銑鞋允許的最大鉆壓計算

建立扭矩計算模型的目的就是能通過模型找出合理選擇鉆壓的依據(jù)。一般銑鞋強度足夠，根據(jù)以上模型，參照鉆桿的允許扭矩，可以計算出套銑魚頸作業(yè)時允許施加在銑鞋上的最大鉆壓。最大鉆壓計算公式推導如下：

由公式（1），左邊代入管柱許用扭矩，得：

式中，［M］—管柱允許的最大扭矩，N·m。

把公式（8）代入式（9），得：P切·R＝ ［M］－Ms

把公式（5）代入上式，得：P·F平均·10·R＝ ［M］－Ms

即

4 現(xiàn)場案例分析

4.1 參數(shù)選取

沙南1井是塔里木盆地北部坳陷阿瓦提凹陷沙南構造帶沙南1號構造上的一口預探井，設計井深6200m，實際鉆深深度6480m。該井調配測試管柱，準備解封起鉆時發(fā)生斷鉆具事故，經過多次處理，井下剩余落魚57.37m，魚頂深度6096.63m。再次處理，套銑打撈鉆具組合：Φ104.8mm銑鞋（內徑79.4mm）＋2A30×2A10＋Φ88.9mm鉆鋌×6根＋Φ60.3mm鉆桿×82根＋2A11×310＋Φ88.9mm鉆桿×206根＋Φ127mm鉆桿（見圖2）。套銑參數(shù)：鉆壓20k N，鉆井液密度1.05g／c m3。

4.2 套銑管柱鉆壓選取合理性評價

4.2.1 管柱空轉所需要的扭矩計算

設空轉L1、L2、L3、L4段自身所需扭矩分別為M1、M2、M3、M4，由公 式（4）進行 計算。根據(jù)扭矩計算模型可知：

圖2 套銑管柱結構圖

由M1＝43925.4Cγmd21L1×10－4，代入數(shù)據(jù)，得：

由M2＝43925.4Cγmd22L2×10－4，代入數(shù)據(jù)，得：

由M3＝43925.4Cγmd23L3×10－4，代入數(shù)據(jù)，得

由M4＝43925.4Cγmd24L4×10－4，代入數(shù)據(jù)，得

4.2.2 銑鞋套銑時需要的扭矩計算

銑鞋套銑扭矩與鉆壓大小有關，由銑削模型可知在其他條件不變的情況下鉆壓越大，扭矩就越大，因此選取所給鉆壓參數(shù)中的20k N進行計算。

根據(jù)銑削模型，設銑鞋每1c m寬的條帶上分布著20顆硬質合金塊，每個硬質合金塊平均承壓面積為2mm2，切削寬度即為切削周長，切削深度1mm，進給量0.1mm，因此由公式（6）計算：

因此，P切＝10·P·F平均＝10×500×2＝10000 N（）

那么，L4段（6097.82m～6043.22m）所承受的扭矩為：

L3段（6043.22m～5259.22m）所承受的扭矩為：

L2段（5259.22m～2209.72m）所承受的扭矩為：

L1段（2209.72m～井口）所承受的扭矩為：

根據(jù)以上計算出的數(shù)據(jù)可繪制出井底到井口扭矩載荷傳遞規(guī)律（如圖3）。

圖3 套銑時扭矩隨井深的變化曲線

4.2.3 套銑鞋允許的最大鉆壓計算

根據(jù)最大鉆壓計算模型，代入鉆桿最大抗扭數(shù)據(jù)，可求得允許施加在銑鞋上的最大鉆壓。計算過程如下：

依據(jù)上面參數(shù)，首先計算出銑鞋切削時的切削半徑R、總承壓面積A，即：

我們知道整個管柱L3和L4段最為薄弱。以SY5369－94石油鉆具標準為依據(jù)并以二級鉆桿為例，設安全系數(shù)為2，對于L3段23／8″鉆桿管體、接頭最小抗扭強度和上緊扭矩分別為11139N·m、9403 N·m和4100N·m，管柱空轉本段所承受的扭矩為：Ms＝37＋242＝279 N·m。

則保證L3段安全的最大鉆壓為：

對于L4段，31／2″鉆鋌上緊扭矩為6300 N·m，管柱空轉本段所承受的扭矩為：Ms＝37 N·m。

則保證L4段安全的最大鉆壓為：

綜合L3、L4段所能承受的最大鉆壓情況看，L3段最為薄弱，鉆壓最大不能超過81k N，因此案例選用20k N合適。

5 結論

1）基于銑床銑削加工建立的銑鞋銑削力學模型，可以計算出銑鞋套銑扭矩，進而得出保證管段安全的最大鉆壓，為打撈施工中合理的鉆壓參數(shù)選擇提供理論參考，提高井下施工的安全可靠性。

2）通過套銑時扭矩隨井深的變化曲線可知，在鉆壓作用下，銑鞋扭矩首先從切削開始產生，越是靠近井口，鉆柱截面承受的扭矩越大，在井口處扭矩最大。

3）由銑鞋切削力學模型可知，鉆壓增大，扭矩會增大；井深越深，扭矩損失越大，管柱承受的扭矩越大。

［1］呂瑞典.油氣開采井下作業(yè)及工具［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2008.

［2］楊進，蘇杰等.事故井打撈管柱扭矩分析及其應用［J］.石油鉆采工藝，2004，26（1）：33～34.

［3］劉希圣.鉆井工藝原理（上冊）［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1988.

［4］何建民.銑工計算和常用數(shù)表［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

On Establishment and Application of Milling Shoes Milling Model in Was hover Operation

ZHANG Bao－h(huán)e，LAI Jun－cheng，LI Xiao－sheng，WANG Jin－cheng，MAN Xin－bao
（Offshore Oil Engineering Company Limited，Tanggu，Tianjin，300451，China）

Facing the problems like little research on milling shoes milling model for was hover operation of accident wells and hard choice for string torque drilling pressure，the author has established mechanical model of milling shoes milling by consulting milling operation model of milling machine and further worked out string milling torque and maxi mum bit pressure was hover may accepts.The result is good.Practice proves that the calculated results can guide in theory choosing proper parameters for bit pressure in fishing operation and provide technical assurance for down hole safety operation，further enhancing efficiency of fishing operation.

Was hover Operation；Milling Shoes；Milling Model；Theoretical reference；Technical Assurance；Downhole Operation

［責任編輯 王惠芬］

TE358

B

1009—301X（2012）04—0050—03

2012－01－19

張寶和（1981－），男，內蒙古赤峰人，畢業(yè)于西南石油大學，碩士，工程師，現(xiàn)在中海油海洋石油工程股份有限公司主要從事海洋石油工程及船舶等方面的調試與研究工作。