鉆分級(jí)箍管柱防反轉(zhuǎn)工具設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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(中國石油渤海鉆探工程有限公司 井下技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300283)

在深井和超深井的長水泥封固段、易滲透地層及低壓油氣井易漏失段、多層壓力體系或上下溫差較大的井段固井時(shí)，通常采用分級(jí)注水泥技術(shù)，即利用連接在套管串上的分級(jí)箍將固井段分成多段，分多次完成注水泥作業(yè)[1-6]。水泥凝固后，為保持井筒暢通，需使用油管連接螺桿鉆具+六棱鉆頭下至分級(jí)箍位置，將分級(jí)箍鉆磨掉[7-11]。鉆頭鉆磨金屬材質(zhì)的分級(jí)箍時(shí)，入井管柱受到鉆頭的支反力產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩而反轉(zhuǎn)，減小了傳遞到鉆頭的有效轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致鉆頭進(jìn)尺慢，鉆分級(jí)箍難度大、效率低，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度[12-14]。目前，井下作業(yè)的常規(guī)做法有2種，一是采用管鉗或纏懸繩將管柱固定，抵消鉆進(jìn)時(shí)的反向轉(zhuǎn)矩，該方法存在安全隱患且效果不明顯；二是采用簡(jiǎn)易頂驅(qū)固定管柱，但簡(jiǎn)易頂驅(qū)成本消耗大，拆裝調(diào)試等過程復(fù)雜，延長了施工周期。為了安全有效地解決鉆分級(jí)箍時(shí)管柱反轉(zhuǎn)的問題，設(shè)計(jì)了一種操作簡(jiǎn)單的管柱防反轉(zhuǎn)工具，并通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，驗(yàn)證該工具的合理性和有效性。

1 防反轉(zhuǎn)工具設(shè)計(jì)

為了防止入井管柱反轉(zhuǎn)，在井口安裝防反轉(zhuǎn)工具。該工具主要包括工具支架、力臂環(huán)和夾緊裝置，如圖1所示。工具支架是由圓柱滑軌和半月形鋼板底座(如圖2)焊接而成，利用加強(qiáng)筋加固；力臂環(huán)與夾緊裝置通過圓柱鋼焊接，組成防反轉(zhuǎn)工具，傳遞反向轉(zhuǎn)矩。

1—圓柱滑軌；2—力臂環(huán)；3—半月形鋼板底座；4—夾緊裝置。

圖2 工具支架

夾緊裝置主要包括左右本體、緊固螺母、螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)銷、轉(zhuǎn)動(dòng)連接銷、端蓋、固定螺栓、鉗牙和鉗牙固定塊等，如圖3所示。鉗牙固定塊上焊接鉗牙，插入左右本體上，上下通過端蓋壓緊，分體結(jié)構(gòu)利于鉗牙簡(jiǎn)單方便的更換。轉(zhuǎn)動(dòng)連接銷鉸接左右本體的背面，可使夾緊裝置本體旋轉(zhuǎn)，利于夾緊裝置靈活打開和扣合。螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)銷鉸接固定在右本體上，利用緊固螺母將合并后的左右本體緊固，從而使鉗牙咬合井口管柱，如圖4所示。

圖3 夾緊裝置與力臂環(huán)示意

圖4 咬合井口管柱示意

防反轉(zhuǎn)工具的工作原理為：在鉆分級(jí)箍時(shí)，工具支架下端的半月型鋼板底座與自封封井器下法蘭的螺栓孔眼對(duì)齊，使用螺栓牢固固定，而自封封井器與雙閘板防噴器緊固，相當(dāng)于將工具支架固定于地面上。安裝防反轉(zhuǎn)工具時(shí)，將力臂環(huán)套入圓柱滑軌，夾緊裝置的左右本體套入鉆分級(jí)箍的井口管柱，擰緊緊固螺母使鉗牙夾緊井口管柱，并在井口管柱的上端連接水龍帶。鉆進(jìn)過程中，開泵正循環(huán)動(dòng)力液，使螺桿鉆具帶動(dòng)六棱鉆頭鉆磨分級(jí)箍，如果產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，入井管柱帶動(dòng)井口管柱和與之配合的夾緊裝置，有反轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，此時(shí)，夾緊裝置在力臂環(huán)和工具支架的限制下，反向轉(zhuǎn)矩傳遞至工具支架，而工具支架與自封封井器固定連接，從而有效抵抗反向轉(zhuǎn)矩的作用，防止入井管柱反向轉(zhuǎn)動(dòng)。力臂環(huán)在圓柱滑軌上，在鉆頭鉆進(jìn)時(shí)可向下滑動(dòng)，不影響正常鉆進(jìn)過程。

2 鉗牙結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

鉗牙是防反轉(zhuǎn)工具的關(guān)鍵部件，是井底反向轉(zhuǎn)矩與井口抵抗力的直接作用點(diǎn)。鉗牙結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣直接影響了防反轉(zhuǎn)工具的施工效果[15]，首先要保證鉗牙的強(qiáng)度，避免鉗牙磨損或斷裂；其次要保證鉗牙與井口管柱間的摩擦力，避免反轉(zhuǎn)矩作用時(shí)井口管柱打滑，起不到防反轉(zhuǎn)的作用；最后要保證井口管柱的外壁不被鉗牙咬傷。

2.1 牙型設(shè)計(jì)

普通液壓鉗的鉗牙粗大、鋒利且稀疏，與管柱線接觸，接觸面積較小，一般通過提高徑向力的方法增大鉗牙與管柱的摩擦力，容易造成管柱劃傷甚至變形[16]。在徑向力一定的情況下，為了提高鉗牙與管柱的摩擦力，且不損傷管柱，可以采用增加鉗牙與管柱的接觸面積的方法。

設(shè)計(jì)了一種四棱臺(tái)形鉗牙，如圖5所示。圓弧面上離散均布著細(xì)致緊密的四棱臺(tái)形牙齒，將與管柱的線接觸升級(jí)為面接觸。牙齒圍繞管柱周向均勻貼合，緊密抱緊管柱，不僅可獲得足夠抵抗管柱反轉(zhuǎn)的摩擦力，而且點(diǎn)狀分布的牙齒可將徑向力均勻分散到管柱上，減少井口管柱上與牙齒接觸處的應(yīng)力集中，使得受力更加均勻，井口管柱和牙齒的應(yīng)力、應(yīng)變均減小，從而避免牙齒和管柱的損害。

圖5 鉗牙示意

2.2 材料優(yōu)選

為了延長鉗牙的使用壽命，優(yōu)選碳素鋼T8作為牙齒的加工材料，表面滲碳處理，并在鉗牙表面噴涂硬質(zhì)合金涂層，使牙齒具有足夠的韌性和較高的硬度。牙齒材料的屈服強(qiáng)度930 MPa，彈性模量223 GPa，泊松比0.277。牙板經(jīng)過多次冷擠壓后內(nèi)部組織增強(qiáng)，為高韌性的結(jié)構(gòu)鋼件。牙齒和牙板通過擴(kuò)散焊復(fù)合，進(jìn)一步處理后使鉗牙壽命大幅提高。利用科爾馬諾熔焊作為鑲焊料將鉗牙焊接到鉗牙固定塊上，保證在使用過程中不開裂。

2.3 布置方式優(yōu)化

為了改善牙板的受力情況，最大限度地增加牙齒與管柱的接觸面積，采用六牙板周向交接全封閉式布置方式，如圖6所示。六塊牙板60°周向均勻布置，完全抱緊管柱，對(duì)稱性的布置方式使每個(gè)牙板受力均衡，使牙齒對(duì)管柱的作用力更均勻。

牙板設(shè)計(jì)為內(nèi)凹弧形，根據(jù)管柱的外徑設(shè)計(jì)牙板的角度。鉆分級(jí)箍時(shí)的管柱為73 mm(2英寸)加厚油管，設(shè)計(jì)牙板的圓周角為49°，牙板圓弧內(nèi)徑為29 mm，如圖7所示?？杀ＷC牙板與管柱曲面全切貼合，使管柱不易打滑。

圖6 牙板布置方式示意

圖7 牙板尺寸

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該防反轉(zhuǎn)工具已在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用10余口井。以大港油田羊3H35井為例，該井使用?139.7 mm油層套管，造斜點(diǎn)264.89 m，完鉆井深1 766 m，井斜角93.10°/1 662.53 m；分級(jí)箍所在井深1 599 m，長度0.84 m。完井管柱結(jié)構(gòu)自下而上為：?139.7 mm雙閥式引鞋(1 750 m)+?139.7 mm短套管+礫石充填工具(1 748 m)+?139.7 mm短套管+?139.7 mm精密復(fù)合濾砂管串(1 745～1 625 m)+?139.7 mm套管串+?139.7 mm盲板(1 614 m)+?139.7 mm短套管+?190 mm裸眼封隔器2套(兩端加?210 mm扶正器，1 611～1 602 m)+?139.7 mm短套管+?168 mm分級(jí)箍(1 599 m)+?139.7 mm套管串(至井口)，如圖8。

圖8 羊3H35井完井管柱示意

在井口安裝防反轉(zhuǎn)工具，在相同施工參數(shù)下繼續(xù)鉆進(jìn)，如圖9所示?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用顯示，防反轉(zhuǎn)工具成功抑制了入井管柱的反轉(zhuǎn)，繼續(xù)施工4 h，鉆穿分級(jí)箍，鉆頭進(jìn)尺0.60 m，機(jī)械鉆速0.15 m/h，鉆速提高了5.25倍，提速效果顯著。施工過程中，無需人員在井口進(jìn)行操作，保證了施工的安全進(jìn)行，且整個(gè)工具工作穩(wěn)定，無任何受力薄弱環(huán)節(jié)。施工后井口管柱無明顯牙痕。由此可見，該防反轉(zhuǎn)工具安全有效，可提高鉆分級(jí)箍的工作效率，縮短施工周期，不損傷井口管柱，解決了鉆分級(jí)箍時(shí)出現(xiàn)的管柱反轉(zhuǎn)問題。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了一種防反轉(zhuǎn)工具，通過夾緊裝置抱緊井口管柱，在力臂環(huán)和工具支架的限制下，有效抵抗反向轉(zhuǎn)矩的作用，防止入井管柱反向轉(zhuǎn)動(dòng)。解決鉆分級(jí)箍時(shí)管柱反轉(zhuǎn)問題。

2) 設(shè)計(jì)的四棱臺(tái)形鉗牙，優(yōu)選牙齒材料為碳素鋼T8；六牙板周向交接，全封閉式布置，使夾緊裝置緊密咬合井口管柱，且對(duì)鉗牙和井口管柱不造成損害。

3) 防反轉(zhuǎn)工具可提高機(jī)械鉆速5.25倍，施工過程中無任何受力薄弱環(huán)節(jié)，施工后井口管柱無明顯牙痕。

4) 該工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全有效，可提高鉆分級(jí)箍的工作效率，縮短施工周期，不損傷鉗牙和井口管柱，可徹底解決鉆分級(jí)箍時(shí)出現(xiàn)的管柱反轉(zhuǎn)問題。