全系列鉆桿用隨鉆剪銷過濾器設計及試驗

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)

圖1 常規(guī)的井下泥漿過濾器

筆者設計了2種泥漿過濾器，對其結構原理進行闡述。通過對比分析，優(yōu)選設計方案。對隨鉆剪銷過濾器的外筒、剪切銷釘進行結構設計和計算，分析工具的壓降。研究結果有利于指導隨鉆剪銷過濾器的設計與研究，推動其在鉆井作業(yè)中應用。

1 結構及原理

1.1 固定式過濾器

固定式過濾器的結構如圖2所示，主要由雙公接頭、墊環(huán)、密封墊、外筒、過濾筒及底座組成。墊環(huán)、密封墊過濾筒及底座位于外筒之內(nèi)；密封墊和底座與過濾筒之間采用螺紋連接，雙公接頭和墊環(huán)限制過濾筒軸向移動。當井下精密儀器需要對泥漿進行過濾時，在井口將固定式過濾器安裝在鉆柱中，無需工人爬二樓臺，降低了工人勞動強度并確保鉆井安全。鉆井液沿著箭頭方向，從雙公接頭流向過濾筒，泥漿有害固相留在過濾筒內(nèi)，其余從過濾孔流向外筒與過濾筒形成的環(huán)空，繼而流出。

圖2 固定式過濾器結構示意

1.2 隨鉆剪銷過濾器

隨鉆剪銷過濾器的結構如圖3所示，主要包括外筒和過濾器總成2個部分。過濾器總成安裝在外筒內(nèi)部，其由卡簧、剪切銷釘、掛套、限位套及過濾筒組成。過濾筒和掛套之間通過剪切銷釘連接，孔用彈性擋圈和限位套共同配合限制掛套的軸向位移。外筒上下端設有螺紋，與鉆桿連接。

正常鉆井時，泥漿中有害固相被隨鉆剪銷過濾器中過濾筒過濾，從而保證了井下精密儀器的安全穩(wěn)定工作，滿足海上作業(yè)需求。隨著鉆井時間往后推移，隨鉆剪銷過濾器中過濾體內(nèi)部有害固相持續(xù)堆積，當泥漿中有害固相填滿整個過濾筒后，流道會變窄，泵壓會變高，造成隨鉆剪銷過濾器中壓力增加。隨著壓力持續(xù)增加，剪切銷釘被剪斷，從而使得過濾筒(如圖4)向下移動。此時，過濾筒和筒體之間的環(huán)空增加，泥漿從過濾體上部泄壓孔處流至環(huán)空，確保泵壓穩(wěn)定，保證井下工具作業(yè)安全穩(wěn)定。隨鉆剪銷過濾器可以提前連接在鉆桿上，不需安排專人到二層臺值班，可以減輕工人工作強度。

圖3 隨鉆剪銷過濾器結構示意[5]

圖4 隨鉆剪銷過濾器剪切狀態(tài)

1.3 對比分析

對比2種過濾器可知：固定式過濾器可以降低工人勞動強度，但過濾能力有限，當過濾量過大，容易堵鉆桿流道，從而造成井下安全事故；隨鉆剪銷過濾器是在固定式過濾器基礎上加一個環(huán)空旁通，當過濾的固相累積量大時，剪切銷釘被剪斷，過濾筒下移，環(huán)空流道還可以流通，鉆桿流道不易堵塞。本文選用隨鉆剪銷過濾器，對其進行結構設計和計算，并進行試驗分析。

2 隨鉆剪銷過濾器技術參數(shù)及特點

表1 隨鉆剪銷過濾器技術參數(shù)

隨鉆剪銷過濾器的技術特點:

1) 濾除泥漿中有害固相，保證井下精密儀器的安全穩(wěn)定，滿足海上作業(yè)需求。

2) 降低井架工的工作強度，減少不必要的作業(yè)程序。

3) 隨鉆剪銷過濾器外筒內(nèi)壁采用等離子噴涂陶瓷涂層(Al2O3-TiO2)[6-9]，提高其耐沖蝕性能及密封性能。

4) 有害固相收滿后，剪切銷釘達到設定載荷值而自動剪斷，形成環(huán)空，不易堵鉆桿，減少起下鉆趟數(shù)。

5) 根據(jù)現(xiàn)場情況，鉆柱中可以加多個隨鉆剪銷過濾器，并通過設置過濾筒空隙大小，梯度配置隨鉆剪銷過濾器，以期達到最佳效果。

6) 隨鉆剪銷過濾器在鉆柱中的位置多變，可以滿足多種作業(yè)要求。

3 關鍵零件設計及分析

3.1 外筒結構設計及分析

不論直井還是復雜結構井，鉆柱將承受軸向力、轉(zhuǎn)矩及彎矩等載荷[10-11]。隨鉆剪銷過濾器作為鉆柱的一部分，受力和鉆柱基本相同。通過分析可知，隨鉆剪銷過濾器最薄弱部分為外筒壁厚最小處。由文獻[12]知，最大拉/壓力計算式為：

F=σsA

(1)

式中：F為最大拉/壓力，N；σs為材料的屈服強度，MPa ；A是工具橫截面積，mm2。

最大轉(zhuǎn)矩計算式為：

T=τW

(2)

式中：T為轉(zhuǎn)矩值，N·m；τ為許用剪切應力，MPa ；W為抗彎截面系數(shù)，與鉆柱的截面形狀和尺寸相關。

圓環(huán)的抗彎截面系數(shù)計算式為：

(3)

式中：D為圓環(huán)截面外徑，mm ；d為截面處內(nèi)徑，mm。

通常，井下工具的材料為40CrMnMo/4145H ,其力抗拉強度為965 MPa,屈服強度為785 MPa。以203.2 mm規(guī)格隨鉆剪銷過濾器為例，經(jīng)過計算，其可承受的最大拉力為8 500 kN，最大轉(zhuǎn)矩8 000 kN·m。查閱海洋石油鉆井手冊[13]，對比139.7 mm(5英寸)鉆桿的抗拉抗扭性能參數(shù)可知，該隨鉆剪銷過濾器的外筒強度滿足設計要求。

3.2 剪切銷釘設計及分析

隨鉆剪銷過濾器是在固定式過濾器基礎上改進而來，剪切銷釘?shù)募羟辛Υ笮Q定著該工具的使用性能，剪切力太大，則如同固定式過濾器，剪切力太小，則過濾不干凈。因此，剪切銷釘?shù)挠嬎阌葹橹匾?。查閱文獻[12]，工具承受的最大壓力計算式為：

Fs=pA

(4)

式中：Fs為工具承受的最大壓力，N；p為鉆井液壓力，MPa。

剪切銷釘?shù)慕孛娣e計算式為：

(5)

式中：A1為剪切銷釘截面積，mm2；τ1為材料的許用剪切應力，MPa。

剪切銷釘?shù)闹睆接嬎闶綖椋?/p>

(6)

式中：d為剪切銷釘?shù)闹睆?，mm。

由表1知，203.2 mm規(guī)格隨鉆剪銷過濾器的銷釘在壓差為2～3 MPa時被剪斷，設計計算時取壓差為3 MPa。由圖5可知，過濾筒內(nèi)徑為76 mm，選取剪切銷釘?shù)牟牧蠟辄S銅，材料的剪切強度為330 MPa。通過式(4)、(5)及(6)計算，可得知剪切銷釘直徑為7.24 mm。為了便于加工和裝配，本文選取2個直徑為3.5 mm的黃銅剪切銷釘，對稱裝配。

3.3 工具壓降計算及分析

在滿足鉆井功能前提下，井下鉆柱越簡單越好。當井下精密儀器對泥漿固相含量有要求時，就必須安裝泥漿過濾器。對于深井，為了返屑和井下安全，鉆柱中輔助工具的壓降最好為零。因此，有必要計算該工具的壓降。

圖5 隨鉆剪銷過濾器局部放大圖

查閱文獻[14]，隨鉆剪切過濾器的壓降計算為：

(7)

式中：pb為工具壓降，MPa；ρ為泥漿密度，g/cm3；Q為排量，L/s；C為流量系數(shù)，無因次,取C=0.95～0.98；de為當量直徑，mm。

當量直徑計算式為：

(8)

式中：dn為孔的直徑，mm。

渤海油田常見鉆遇的地層自上而下有：第四系平原組、新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組、古近系東營組和沙河街組[15]。目前，在鉆沙河街組時泥漿密度為1.40～1.42 g/cm3，采用215.9 mm(8英寸)井眼完鉆，排量50～60 L/s。為了計算該工具的最大壓降，取泥漿的密度為1.42 g/cm3，排量為60 L/s，C為0.98,6個?30 mm的孔。通過式(7)和(8)計算，可得隨鉆剪銷過濾器的壓降為0.1 MPa，故對返屑影響不大，可以忽略不計。

4 模擬井試驗

4.1 試驗條件

為了驗證剪切銷釘設計的剪切力值，在中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司的試驗井場JJSY-4井對隨鉆剪銷過濾器進行銷釘剪切力試驗，試驗器材主要有ZJ50DBS鉆機、井場設備、棉紗等雜物、隨鉆剪銷過濾器、變扣及水等。泥漿泵的缸套尺寸為165.1 mm，每沖的液量為19.58 L，通過增加泵的沖次來增加泵壓。

4.2 試驗過程

試驗鉆柱組合：203.2 mm規(guī)格隨鉆剪銷過濾器(其過濾筒內(nèi)塞棉紗布，如圖6)+變扣(631×410)+短鉆桿。短鉆桿與頂驅(qū)連接，泵的沖次增加到20 min-1，有清水返出，泵壓為0；泵的沖次由20 min-1增加至90 min-1，泵壓仍無明顯變化，仍有清水返出。停泵，卸開頂驅(qū)與短鉆桿，繼續(xù)向隨鉆剪銷過濾器中添加棉紗布等雜物，然后繼續(xù)接頂驅(qū)進行試驗。第2次開泵，逐步增加泵的沖次，沖次增加到100 min-1時，泵壓出現(xiàn)輕微波動，繼續(xù)增加泵的沖次，泵壓增加至2 MPa后回落。繼續(xù)增加泵的沖次到130 min-1時，泵壓增加到3 MPa。再繼續(xù)增加泵的沖次到140 min-1，泵壓突然降為0，并有清水返出。

圖6 隨鉆剪銷過濾器過濾筒塞棉紗布情況

4.3 結果分析

試驗結束后，拆開隨鉆剪銷過濾器，其過濾筒內(nèi)部被棉紗布等雜物堵滿，剪切銷釘被剪斷，如圖7所示。第1次試驗未成功，主要是棉紗布太少，無法堆滿過濾筒。第2次試驗，剪切銷釘在泵壓3 MPa時斷裂，從而證實了剪切銷釘設計的合理性。

圖7 試驗后的隨鉆剪銷過濾器過濾筒

5 現(xiàn)場試驗

隨鉆剪銷過濾器于2020年在渤海油田BZ34-9區(qū)塊試用4井次，現(xiàn)場使用效果非常好?，F(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2。

表2 隨鉆剪銷過濾器的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)

由表2可知，雖然隨鉆剪銷過濾器在使用過程中剪切銷釘都未剪斷，但鉆進過程中，井下精密儀器信號非常好；以A8井為例，總計漏失泥漿2 400 m3，鉆進過程多次進行堵漏作業(yè)，堵漏漿顆粒非常大(棉籽殼)，多次出現(xiàn)堵塞馬達和井下精密儀器情況，耽誤鉆井工期20 d。此后，在鉆柱組合中連接隨鉆剪銷過濾器，有效解決堵鉆柱水眼問題。起鉆檢查馬達和井下精密儀器，都十分干凈。檢查隨鉆剪銷過濾器，在過濾筒中有很多堵漏顆粒和有害固相。

6 結論

1) 針對井下精密儀器對泥漿固相含量要求非常高，而常規(guī)扣型鉆桿需工人從二層臺安裝泥漿過濾器和非常規(guī)扣型鉆桿無位置安裝泥漿過濾器的問題，研發(fā)了一種隨鉆剪銷過濾器，不僅能滿足所有新舊鉆井平臺要求，而且降低井架工勞動強度。

2) 對隨鉆剪銷過濾器的外筒、剪切銷釘進行結構設計和計算，并分析工具的壓降。203.2 mm規(guī)格的隨鉆剪銷過濾器，外筒的抗拉和抗扭強度遠高于139.7 mm(5英寸)鉆桿的強度，其剪切銷釘在壓降為3 MPa時被剪斷；165.1 mm規(guī)格隨鉆剪銷過濾器，其剪切銷釘在壓降為2 MPa時被剪斷； 88.9 mm規(guī)格隨鉆剪銷過濾器，其剪切銷釘在壓降為1 MPa時被剪斷。該工具的壓降幾乎可以忽略不計。

3) 現(xiàn)場應用4井次，隨鉆剪銷過濾器能有效過濾泥漿中的有害固相，避免了鉆井馬達和精密儀器被泥漿中的固相堵塞，減少了起下鉆作業(yè)，保證了海洋石油鉆井安全和鉆井時效。該工具具有先進性和良好的市場推廣價值。