?127mm鉆桿防磨套設(shè)計(jì)及有限元力學(xué)分析

劉超平，陳森強(qiáng)

（1.新疆石油工程設(shè)計(jì)有限公司，新疆克拉瑪依834000；2.中國石油西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834000）

國內(nèi)外鉆具服務(wù)公司為了避免鉆桿磨損，最初采取了鉆桿接頭敷焊硬質(zhì)合金耐磨帶的措施，但隨著此類鉆桿的廣泛應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)這種方式存在較大弊端：雖然硬質(zhì)合金耐磨帶保護(hù)了鉆桿，但對套管的磨損較大。尤其是在深井、超深井的鉆探過程當(dāng)中，由于地質(zhì)情況復(fù)雜、鉆井時(shí)間長等使得套管磨損嚴(yán)重，這一情況的發(fā)生和發(fā)展引發(fā)了嚴(yán)重的井下事故，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。為了避免鉆桿接頭磨損套管，鉆井研究人員及相關(guān)公司研制了一系列新型抗磨材料來替代硬質(zhì)合金耐磨帶[1-5]。其主要目的是利用新型材料和套管的減磨性來防止套管磨損，并降低扭矩，其主要特點(diǎn)有以下幾方面：（1）對井下套管的磨損明顯減??；（2）敷焊耐磨帶沒有龜裂現(xiàn)象；（3）對鉆桿接頭和套管同時(shí)起到保護(hù)作用；（4）能有效地延長鉆桿壽命。

從套管磨損的模式研究可以看出，側(cè)向力和井眼軌跡是引起套管磨損的主要因素，那么降低鉆桿和套管之間的摩擦接觸或摩擦系數(shù)是防止套管磨損的核心和關(guān)鍵。在井眼軌跡、井深、鉆井周期、泥漿體系一定的情況下，研制套管減磨裝置來降低鉆桿和套管之間的摩擦接觸或摩擦系數(shù)成為解決套管磨損的技術(shù)方案之一。

針對前面討論的鉆桿接頭補(bǔ)焊耐磨合金帶、加裝鉆桿膠皮護(hù)箍和分體式套管防磨襯套等防磨措施存在的不足，近些年許多工具公司開始研制鉆柱式套管防磨裝置，在鉆井過程中可以將這種防磨裝置直接連接在鉆柱中，由于這種裝置的外徑大于鉆桿接頭一定的尺寸，可以在裝置位置形成支撐，避免鉆桿接頭直接磨損套管，并通過外滑套和心軸間的軸承轉(zhuǎn)動來防止套管磨損，并降低鉆井扭矩。設(shè)計(jì)過程中可采用不同的軸承設(shè)計(jì)(滾動和滑動)，相應(yīng)使用不同的潤滑方式(開式和閉式)[6-11]。

1 防磨套工具設(shè)計(jì)

根據(jù)鉆井施工過程中，井下工況復(fù)雜、工作時(shí)間長及國內(nèi)具備的現(xiàn)有生產(chǎn)工藝技術(shù)水平、能力等綜合條件考慮(生產(chǎn)螺桿鉆具TC軸承工藝和胎體鉆頭燒結(jié)技術(shù)比較成熟)，防磨裝置設(shè)計(jì)采用滑動摩擦副，開式潤滑方式。

該裝置主要由隨鉆柱一起轉(zhuǎn)動的心軸，上、下?lián)醐h(huán)和外部相對不轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)防磨套等部分組成，心軸和外部不旋轉(zhuǎn)防磨套之間、外部不旋轉(zhuǎn)防磨套和上、下?lián)醐h(huán)之間設(shè)計(jì)有軸承摩擦副。鉆井過程中，根據(jù)井下工況選擇合適的數(shù)量和安放位置連接在鉆柱之中，鉆柱和外部不旋轉(zhuǎn)防磨套之間相互轉(zhuǎn)動，外部不旋轉(zhuǎn)防磨套和套管之間沒有高速的相對轉(zhuǎn)動，從而避免了鉆柱旋轉(zhuǎn)磨損套管；另外，由于軸承摩擦副的摩擦系數(shù)非常低，同時(shí)也大幅度地降低了鉆井扭矩。

鉆桿接頭式旋轉(zhuǎn)防磨裝置示意圖見圖1。該工具主要由防磨本體、復(fù)合材料防磨套和擋圈組成。防磨本體兩端分別為API螺紋,可連接在鉆柱上。鉆柱和防磨本體一起旋轉(zhuǎn),復(fù)合材料防磨套與防磨本體之間存在相對轉(zhuǎn)動。

工作原理及技術(shù)參數(shù)：非旋轉(zhuǎn)鉆桿防磨套由本體、防磨套組件、防松頂塊等部件組成（如圖1所示），防磨套組件材料為較軟的樹脂復(fù)合材料。工具的本體，左端為公扣，右端為母扣，兩端分別連接鉆桿，本體中間部分加工有環(huán)形凹槽。防磨套組件為2個(gè)半環(huán)結(jié)構(gòu)，將防磨套安裝在本體凹槽位置，防磨套與本體之間有一定間隙，保證之間能夠相對滑動，使用時(shí)，防磨套靠在套管內(nèi)壁，相對靜止不動，由于防磨套外徑略大于鉆桿接頭的外徑，這樣起到支撐作用，而本體隨著鉆柱一起轉(zhuǎn)動，避免了鉆桿接頭和套管直接接觸。在常規(guī)鉆井情況下，該結(jié)構(gòu)將鉆桿與套管的鋼-鋼硬摩擦變?yōu)榕c防護(hù)套與鉆桿之間的軟摩擦（防磨套不旋轉(zhuǎn)），由于防磨套材料的摩擦系數(shù)和硬度遠(yuǎn)低于鋼材，且具有良好的耐磨性，因此，使用這種鉆桿防磨套可以大幅度降低鉆桿和套管的磨損。防磨套組件外環(huán)上設(shè)計(jì)有鉆井液流流動通道，鉆井液可通過防磨套外流動，而不會出現(xiàn)井下鉆井液流動不暢的情況。當(dāng)防磨套組件損壞到一定程度時(shí)，可用新的防磨套組件更換替代，從而繼續(xù)使用。該工具主要的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 防磨套結(jié)構(gòu)示意圖

表1 工具技術(shù)參數(shù)

2 有限元力學(xué)分析

鉆井作業(yè)時(shí)，套管將不可避免地受到鉆桿對套管柱內(nèi)壁的摩擦作用，造成套管的磨損。一般對套管產(chǎn)生磨損作用的是鉆桿接頭和鉆桿本體兩部分，其中起著主要影響的是鉆桿接頭，而且接頭與套管間接觸正壓力越大，對套管的磨損程度就越顯著。為了研究鉆桿安裝防磨套后對套管產(chǎn)生的影響作用，需要對套管內(nèi)壁未發(fā)生磨損、套管內(nèi)壁發(fā)生偏磨、防磨套與套管內(nèi)壁的相互作用以及防磨套組件與本體相互作用進(jìn)行對比有限元力學(xué)分析。

2.1 套管未發(fā)生磨損

本文采用平面應(yīng)變單元的力學(xué)模型來代替空間模型，可以大大減少計(jì)算工作量，又能通過加密網(wǎng)格保證計(jì)算精性。針對接觸這樣的復(fù)雜非線性問題，這一點(diǎn)顯得更加重要。采用四分之一模型代替整個(gè)模型，對其進(jìn)行了簡化。套管內(nèi)外均受力，內(nèi)壓力為套管內(nèi)的液柱壓力25MPa，外力為均勻的水平地應(yīng)力45MPa。單元類型為CPEG4R，即4節(jié)點(diǎn)的雙線性平面應(yīng)變減縮積分單元。

圖2 套管未發(fā)生磨損時(shí)的分析結(jié)果

從分析結(jié)果看出(圖2)，在套管未發(fā)生磨損的情況下，套管在受內(nèi)外壓力作用下，產(chǎn)生的應(yīng)力很均勻，不存在應(yīng)力集中的地方。最大應(yīng)力為241MPa,位于套管的內(nèi)壁，對于常用的N80套管來說，屈服強(qiáng)度為550MPa，所以套管不會發(fā)生屈服變形和破壞。

2.2 套管發(fā)生偏磨情況

當(dāng)鉆桿接頭和套管直接接觸時(shí)，由于井眼軌跡的彎曲，鉆柱的連續(xù)旋轉(zhuǎn)會造成套管內(nèi)壁發(fā)生偏磨，本文選擇當(dāng)偏磨量為1.5mm時(shí)進(jìn)行研究，磨損形狀為月牙形，施加的載荷與套管未發(fā)生磨損的情況相同。

從分析結(jié)果看出（圖3），當(dāng)套管內(nèi)壁發(fā)生偏磨時(shí)，會在偏磨位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為327MPa,在相同的載荷情況下，套管上產(chǎn)生的應(yīng)力明顯提高。此次只是選用偏磨量為1.5mm，當(dāng)偏磨量繼續(xù)增加時(shí)，最大等效應(yīng)力值會變得更大。

2.3 防磨套與套管相互作用

鉆桿連接上防磨套后，有前面工作原理所述，工具的防磨套組件會直接與套管內(nèi)壁發(fā)生接觸，能避免鉆桿接頭直接與套管內(nèi)壁接觸，而防磨套組件為較軟的材料，從而有效地防止套管內(nèi)壁的磨損。建立防磨套與套管相互作用的有限元模型時(shí)，為了簡化模型，僅需要將單獨(dú)的防磨套組件取出來，與套管進(jìn)行作用分析。

建立的套管—防磨套模型，依然采用4節(jié)點(diǎn)雙線型平面應(yīng)變單元，在工作過程中，套管固定不動，防磨套的某一外側(cè)區(qū)域壓在套管的內(nèi)壁上。

通過加載不同的壓力來分析套管和防磨套之間的應(yīng)力應(yīng)變。如圖4所示。

圖3 套管發(fā)生偏磨時(shí)的分析結(jié)果

圖4 不同壓力下的套管磨損程度

通過3組不同數(shù)據(jù)：5MPa、10MPa、20MPa的分析，隨著壓力的增大，套管和防磨套之間的應(yīng)力逐漸增大，但最大應(yīng)力仍只有119MPa，比沒有防磨套時(shí)的327MPa小很多（圖4），因此，在鉆井過程中，在鉆桿和套管之間增加防磨套是非常有必要的。

2.4 防磨套組件與本體相互作用

防磨套工具在實(shí)際工作時(shí)，工具的本體是隨著鉆柱一起旋轉(zhuǎn)，而防磨套組件是相對靜止不動的。心軸本體是鉆桿類的金屬材料，防磨套組件為較軟的復(fù)合樹脂材料，在鉆桿旋轉(zhuǎn)過程中，本體也會對防磨套組件產(chǎn)生磨損，由此有必要對防磨套組件與心軸本體的相互作用進(jìn)行有限元力學(xué)分析。防磨套與本體相互作用模型中，心軸本體以60RPM旋轉(zhuǎn)。防磨套組件相對固定，心軸本體內(nèi)承受10MPa的液壓力。在模擬分析中，預(yù)先設(shè)置心軸本體和防磨套在某一區(qū)域接觸。

圖5 防磨套—本體的相互作用分析結(jié)果

從圖5中看出，防磨套與本體之間最大的接觸應(yīng)力14.8MPa,防磨套上產(chǎn)生的等效應(yīng)力為8.9MPa,在此情況下防磨套損壞的可能性很小。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)出一種新的尺寸為?127mm鉆桿用防磨套工具，工具主要由防磨本體、復(fù)合材料防磨套和擋圈組成,該工具將鉆桿與套管的鋼—鋼硬摩擦變?yōu)榕c防護(hù)套與鉆桿之間的軟摩擦。利用有限元軟件分別對套管內(nèi)壁未發(fā)生磨損、套管內(nèi)壁發(fā)生偏磨、防磨套與套管內(nèi)壁的相互作用以及防磨套組件與本體相互作用開展了力學(xué)分析，分析結(jié)果認(rèn)為鉆井過程中使用該防磨套能夠有效地保護(hù)套管，避免過度磨損。

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