球掛式液壓丟手工具失效原因及解決措施

鄭瑞強(qiáng)

(大慶鉆探工程公司 鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413)

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球掛式液壓丟手工具失效原因及解決措施

鄭瑞強(qiáng)

(大慶鉆探工程公司 鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413)

球掛式液壓丟手工具通過(guò)憋壓的方式進(jìn)行丟手，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)了懸掛鋼球卡死，丟手失敗的問(wèn)題。通過(guò)受力分析找到了其失敗的原因并提出了2套解決方案，分別是增加懸掛鋼球數(shù)量方案和將懸掛球設(shè)計(jì)為懸掛塊方案。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)合理，方案可行，為今后重載條件下的丟手施工作業(yè)提供參考。

丟手工具；結(jié)構(gòu)；液壓

球掛式液壓丟手工具克服了機(jī)械式J型槽丟手工具只能通過(guò)懸重力來(lái)判斷丟手接頭是否脫開(kāi)的缺點(diǎn)，并于2011年應(yīng)用于4口井氮?dú)馇菲胶忏@井井段完井管柱的丟手施工中，丟手成功率100%[1](結(jié)構(gòu)如圖1所示)。但是，2014年在芳16-斜48井施工中卻出現(xiàn)了懸掛鋼球卡住，丟手工具未脫開(kāi)的現(xiàn)象。本文通過(guò)對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行對(duì)比及對(duì)球掛機(jī)構(gòu)受力分析，找到了球掛式液壓丟手工具失效的原因，并有針對(duì)性地提出了增加鋼球數(shù)量和將懸掛鋼球改為懸掛塊2套解決方案。增加鋼球數(shù)量方案加工相對(duì)簡(jiǎn)單，但接觸方式仍為點(diǎn)面接觸；懸掛鋼球改為懸掛塊方案將原來(lái)的點(diǎn)面接觸改進(jìn)為了面面接觸，更適合于重載條件下的丟手施工作業(yè)。兩套方案均進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，為今后重載條件下的丟手施工作業(yè)提供了參考。

1—上接頭；2—鋼球；3—絲堵、銷(xiāo)釘；4—球座；5—懸掛鋼球；6—下接頭；7—擋板。

1　施工過(guò)程對(duì)比

圖2　未脫開(kāi)的球掛式液壓丟手工具現(xiàn)場(chǎng)照片

井號(hào)井型完井管柱長(zhǎng)度/m完井管柱數(shù)量/根完井管柱質(zhì)量/kg丟手工具下深/m丟手是否脫開(kāi)州54-1定向井556752.951444脫開(kāi)州54-2定向井556752.951454脫開(kāi)701-1直井556752.951460脫開(kāi)701-2直井455616.051457脫開(kāi)芳16-斜48定向井83.591143.121457未脫開(kāi)

2　球掛機(jī)構(gòu)受力分析

鋼球懸掛機(jī)構(gòu)共涉及4個(gè)零件，分別是上丟手接頭、下丟手接頭、球座以及鋼球，如圖3所示。以單個(gè)鋼球?yàn)檠芯繉?duì)象對(duì)其進(jìn)行受力分析，忽略鋼球本身的重力，鋼球受下丟手接頭溝槽斜面對(duì)其產(chǎn)生的壓力F1，上丟手接頭球孔對(duì)其產(chǎn)生的支撐力F2，以及球座外表面對(duì)其產(chǎn)生的支撐力F3。另外，以下丟手接頭為研究對(duì)象分析其受力，下丟手接頭受完井管柱的拉力G(忽略完井管柱的浮力，拉力G即為完井管柱的重力)，以及單個(gè)鋼球?qū)ζ錅喜坌泵娴闹瘟[2]。

圖3　球掛機(jī)構(gòu)受力分析示意

下丟手接頭溝槽斜面角度為30°，即F與F3的夾角為30°。各力之間的大小關(guān)系為：

F=G/(sin30°·n)=F1(式中n為鋼球數(shù)量)

F2=F1sin30°，F(xiàn)3=F1cos30°。

在擠壓狀態(tài)下計(jì)算上丟手接頭、下丟手接頭與鋼球接觸處的變形即為鋼球壓入深度(由于球座在施工時(shí)脫落至設(shè)計(jì)位置，未影響丟手脫開(kāi)，故不進(jìn)行分析)。

根據(jù)布氏硬度WHB的計(jì)算公式：

WHB=P/(πDh)

式中：P為載荷值，即鋼球?qū)χ蚊娴恼龎毫?，N；D為鋼球直徑，mm；h為壓痕深度，mm。

丟手工具的連接鋼球直徑為15 mm，周向均布4個(gè)，上、下丟手接頭材質(zhì)為42CrMo，硬度為290 HB。

帶入已知數(shù)據(jù)得：當(dāng)完井管柱數(shù)量為6根，質(zhì)量為752.95 kg時(shí)(即G=7 529.5N)，在單個(gè)鋼球?qū)ο聛G手接頭溝槽支撐面的正壓力F的作用下(即P=F)，下丟手接頭上的壓痕深度為0.28 mm。同理，在F2的作用下，上丟手接頭上的壓痕為0.14 mm；當(dāng)完井管柱數(shù)量為9根，質(zhì)量為1 143.12 kg時(shí)，鋼球在下丟手接頭上的壓痕深度為0.42 mm，在上丟手接頭上的壓痕深度為0.21 mm。

由上可得，隨著完井管柱數(shù)量增多，鋼球?qū)ι?、下丟手接頭的壓痕深度明顯增大，且成正比關(guān)系。另外，在下鉆過(guò)程剎車(chē)時(shí)將產(chǎn)生激動(dòng)壓力，從而使作用在鋼球上的擠壓力更大，壓痕更深，從而導(dǎo)致鋼球脫落困難，甚至卡死，無(wú)法脫落，這也正是芳16-斜48丟手未脫開(kāi)，鋼球未脫落的主要原因。

3　丟手工具改進(jìn)方案

通過(guò)受力分析發(fā)現(xiàn)，減少鋼球受力或增加擠壓面面積是解決問(wèn)題的關(guān)鍵，從這兩個(gè)方面入手，設(shè)計(jì)了2套改進(jìn)方案。

3.1增加鋼球數(shù)量

增加鋼球數(shù)量方案，即將原來(lái)周向均布、4個(gè)鋼球改進(jìn)為周向均布多個(gè)鋼球，如圖4所示，從而減少單個(gè)鋼球的受力，確保順利脫開(kāi)。

圖4　增加鋼球數(shù)量方案示意圖

1—上接頭；2—鋼球；3—球座；4—懸掛鋼球；5—銷(xiāo)釘；6—下接頭。

圖6　改進(jìn)后的球掛式液壓丟手工具上丟手起出井口

3.2懸掛鋼球改為懸掛塊

懸掛鋼球改為懸掛塊方案，即將原來(lái)周向均布的鋼球改進(jìn)為周向均布多個(gè)懸掛塊，如圖7所示，將原來(lái)鋼球的點(diǎn)面接觸變?yōu)槊婷娼佑|，增加擠壓面面積，從而減少擠壓變形，確保順利脫開(kāi)。

1—上接頭；2—鋼球；3—球座；4—懸掛塊；5—銷(xiāo)釘；6—擋板；7—下接頭。

懸掛塊式液壓丟手工具包括上接頭、鋼球、球座、懸掛塊、銷(xiāo)釘、擋板、下接頭，該方案結(jié)構(gòu)原理與原球掛式液壓丟手工具相似，不同之處有兩點(diǎn)：一是懸掛機(jī)構(gòu)是懸掛塊，接觸方式有點(diǎn)面接觸改進(jìn)為面面接觸，接觸面積變大，結(jié)構(gòu)更加安全可靠；二是脫開(kāi)力來(lái)源是活塞缸內(nèi)的液體壓力，該結(jié)構(gòu)與改進(jìn)后的球掛式液壓丟手工具相似。室內(nèi)試驗(yàn)證明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，各個(gè)動(dòng)作均能按設(shè)計(jì)完成。在朝146-斜73井常規(guī)丟手未脫開(kāi)后，采取了該方案進(jìn)行丟手施工，并獲得成功。

4　方案對(duì)比

兩套方案分別從增加鋼球數(shù)量和增加接觸面積入手進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并均采用了通過(guò)液壓活塞腔提供脫開(kāi)動(dòng)力的方法，原理可行，結(jié)構(gòu)合理。增加鋼球數(shù)量方案加工相對(duì)簡(jiǎn)單，但接觸方式仍為點(diǎn)面接觸，重載條件下依舊會(huì)出現(xiàn)懸掛鋼球卡住，工具不能脫開(kāi)現(xiàn)象。懸掛塊方案徹底將原來(lái)的點(diǎn)面接觸改進(jìn)為面面接觸，接觸面積大幅增加，可滿足重載條件下的丟手施工作業(yè)需要。

5　結(jié)論

1)球掛式液壓丟手工具在芳16-斜48井施工失敗的原因?yàn)橥昃苤^長(zhǎng)，懸掛鋼球?qū)ι?、下丟手接頭的壓痕深度較深，導(dǎo)致懸掛鋼球卡住，丟手施工失敗。

2)改進(jìn)后的懸掛塊式液壓丟手工具，其懸掛塊與丟手上下、下接頭之間為面面接觸，相對(duì)于鋼球懸掛結(jié)構(gòu)接觸面積大幅增加，并且采用了通過(guò)液壓活塞腔提供脫開(kāi)動(dòng)力的方法，可完成重載及管柱懸空條件下的丟手作業(yè)。

3)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了懸掛塊懸掛結(jié)構(gòu)，與原球懸掛結(jié)構(gòu)相比，設(shè)計(jì)合理，性能可靠，可應(yīng)用于液壓丟手工具中，更適合重載條件下的丟手施工作業(yè)。

4)懸掛塊式液壓丟手工具解決了球掛式液壓丟手工具在重載條件下懸掛鋼球卡住、丟手失敗的問(wèn)題，在輕載和重載條件均可替代球掛式液壓丟手工具，應(yīng)用前景廣闊。

[1]李玉海.球掛式液壓丟手工具研制[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41(2)：71-73.

[2]吳姬昊.石油工程用丟手機(jī)構(gòu)的分析與研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，33(2)：63-65.

[3]王禾丁，谷開(kāi)昭，朱愛(ài)萍.液壓丟手工具丟手壓差的設(shè)計(jì)計(jì)算[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2002，31(2)：41-43.

Failure Causes and Solutions of Ball Hanging Type Hydraulic Releasing Tool

ZHENG Ruiqiang

(Drilling Engineering Technology Research Institute，Daqing Drilling and Exploration Engineering Company，Daqing 163413，China)

The ball hanging type hydraulic releasing tool by a pressure to release，and in the field of application appeared failure by the suspension ball stuck.This cause of the failure by force analysis was found and two solutions were put forward，adding suspension ball number scheme and designing the hanging block schemes.The design is reasonable and feasible，and provides the reference in case of heavy load releasing construction.

releasing tool；structure；hydraulic

1001-3482(2016)05-0072-04

2015-11-03

鄭瑞強(qiáng)(1983-)，男，河北饒陽(yáng)人，工程師，2007年畢業(yè)于東北電力大學(xué)機(jī)械專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事鉆完井工具的研發(fā)工作，E-mail：zhengrq@cnpc.com.cn。

TE934.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.016