NTQ248-25Y型無牙痕套管動力鉗研制

朱明坤，李志剛，楊 毅，馬曉偉，李玉海

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

大慶油田經(jīng)過60多a的高效開發(fā)，常規(guī)油氣資源已經(jīng)進(jìn)入開發(fā)的中后期。隨著油氣田開發(fā)逐漸深入，為應(yīng)對井下硫化氫腐蝕套管的問題，油田已陸續(xù)將氣井、頁巖油井和高含硫油井中的普通低碳合金鋼套管更換為耐蝕合金(CRA)套管或雙防硫套管。這些防腐蝕的合金套管的材質(zhì)較軟，且表面鍍有防腐層，常規(guī)套管動力鉗在進(jìn)行套管單根連接時，套管連接處被啃上深深的咬痕，表面防腐層被完全破壞，加速了硫化氫對套管的腐蝕，縮短了套管的使用壽命[1]。通過分析修井現(xiàn)場套管表面的腐蝕坑分布，能夠明顯地發(fā)現(xiàn)套管上腐蝕最嚴(yán)重的點(diǎn)呈現(xiàn)有規(guī)律的分布，恰好和套管動力鉗的咬痕相吻合[2]。針對這一問題，有必要研制無牙痕套管動力鉗，消除套管動力鉗對套管的損傷，減緩硫化氫對套管的腐蝕，增加套管的使用壽命，為大慶油田實(shí)現(xiàn)降本增效提供技術(shù)支持。

1 無牙痕鉗牙的設(shè)計(jì)

套管動力鉗大多采用內(nèi)曲線爬坡滾子式的鉗頭夾緊機(jī)構(gòu)，利用斜面增壓的原理對套管動力鉗鉗頭施加壓力，從而卡緊套管。保證套管動力鉗正常工作的關(guān)鍵是提高套管動力鉗鉗頭夾緊機(jī)構(gòu)的可靠性，通常的做法是采用硬度大、牙板齒較尖的金屬鉗牙，牙板齒越尖，金屬鉗牙與套管間的靜摩擦因數(shù)越大[3]，產(chǎn)生的摩擦力也就越大。常規(guī)套管動力鉗的每個鉗頭上配有2塊寬3 cm左右的條形金屬鉗牙，齒型一般為楔形或錐形。在坡板推動鉗頭夾緊套管的過程中，鉗牙吃入并咬緊套管，在套管表面形成咬痕[4]，進(jìn)而損傷套管。

近年來，部分生產(chǎn)廠家研制出各種微牙痕鉗牙，其基本原理是采用硬度較低20Cr(硬度44 HRC[5])代替T8碳素鋼(硬度最小為56 HRC)作為鉗牙材料，將條形鉗牙改為圓弧形鉗牙，將常規(guī)的楔形齒、錐形齒改為金字塔形細(xì)齒，增加鉗牙與套管的接觸面積，可以減輕鉗牙對套管的咬痕，但當(dāng)鉗牙出現(xiàn)磨損，或鉗頭與套管間有一定錯位時，微牙痕鉗牙也會在套管表面留下較深的咬痕。

嘗試改變鉗牙材料，使用非金屬彈性材料作為鉗牙材料，在保證套管上卸扣能力的前提下，最大限度地保護(hù)套管表面，同時提高鉗牙的使用性能。

1.1 無牙痕鉗牙的材料優(yōu)選

常規(guī)套管動力鉗使用的金屬鉗牙普遍采用硬度高的碳素鋼或低合金鋼制作而成，為提升鉗牙壽命指標(biāo)，在生產(chǎn)制作時還會采用滲氮的方式來進(jìn)一步提高鉗牙的表面硬度。目前各大油田常用的套管中，耐蝕合金C110套管的硬度最大為30 HRC[6]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這些金屬材料鉗牙的硬度?，F(xiàn)場應(yīng)用也表明，在鉗牙壽命指標(biāo)(套管動力鉗鉗牙為500次[6])內(nèi)上卸扣時，隨著上扣轉(zhuǎn)矩的增大，金屬鉗牙對套管表面的破壞也逐漸增大。上扣轉(zhuǎn)矩較小時，套管表面的損傷呈現(xiàn)出與鉗牙齒型相應(yīng)的點(diǎn)狀分布，上扣轉(zhuǎn)矩增大到一定值后，套管表面的損傷呈現(xiàn)為片狀或帶狀，若在上扣時鉗頭打滑，套管表面甚至?xí)霈F(xiàn)環(huán)形損傷，如圖1所示。

圖1 常規(guī)套管動力鉗上扣完成后套管表面破損情況

為最大限度保護(hù)套管表面，應(yīng)選用硬度更低的非金屬材料制作鉗牙。

綜合考慮鉗牙的工作環(huán)境以及工作狀態(tài)可知，鉗牙材料需具備耐磨損、耐腐蝕、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，此外更關(guān)鍵的是，鉗牙材料與套管間還應(yīng)具有較大的靜摩擦因數(shù)。在常見的非金屬材料中，橡膠與各種金屬的靜摩擦因數(shù)均較大，且橡膠的性能可調(diào)節(jié)，經(jīng)過塑煉、混煉、硫化處理后的復(fù)合橡膠具有非常好的綜合性能。優(yōu)選復(fù)合橡膠作為鉗牙的材料，并通過調(diào)整復(fù)合橡膠配方和制作工藝+室內(nèi)試驗(yàn)的方式篩選出最符合要求的鉗牙材料。室內(nèi)試驗(yàn)共測試了10多種鉗牙材料，這里只列舉其中3種做對比分析，如圖2所示。

圖2 3種非金屬材料制造的無牙痕鉗牙

試驗(yàn)前先將制作好的橡膠板按照設(shè)計(jì)的尺寸裁剪，安裝在新設(shè)計(jì)的顎板總成上。接通液壓站，操作套管動力鉗進(jìn)行套管上扣，通過轉(zhuǎn)矩儀實(shí)時讀取上扣轉(zhuǎn)矩值，如圖3所示。

圖3 無牙痕鉗牙測試現(xiàn)場

無牙痕套管動力鉗工作時，無牙痕鉗牙與套管間是彈性接觸，橡膠牙板在摩擦接觸面產(chǎn)生彈性形變，使摩擦現(xiàn)象復(fù)雜化，其摩擦因數(shù)與環(huán)境溫度、濕度等環(huán)境條件和滑動速度、接觸面積、載荷、摩擦對偶材料的材質(zhì)和摩擦面的狀態(tài)等相關(guān)[7]。因此需對試驗(yàn)時的環(huán)境條件、加載情況、接觸面積一一記錄，再對比分析。

在室內(nèi)溫度為25 ℃、干燥條件下，使用裝有無牙痕顎板總成的常規(guī)套管鉗對規(guī)格為139.7 mm的耐蝕合金套管進(jìn)行50次上卸扣，用轉(zhuǎn)矩儀記錄顎板總成打滑時的上扣轉(zhuǎn)矩，并觀察套管表面牙痕和無牙痕鉗牙的磨損情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，鉗牙材料的硬度、鉗牙與套管接觸面的面積對上扣轉(zhuǎn)矩的影響十分明顯，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 無牙痕鉗牙室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.2 無牙痕鉗牙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉗牙設(shè)計(jì)成與套管同心的圓弧型，設(shè)計(jì)有一定的過盈量，保證鉗牙與套管充分接觸；增加鉗牙的軸向長度以提高鉗牙與套管間的接觸面積；鉗牙的背部設(shè)計(jì)梯形棱條，以提高鉗牙的傳扭能力，圖4為無牙痕鉗牙的結(jié)構(gòu)示意圖。

L-鉗牙長度；R-鉗牙曲率半徑；δ-鉗牙厚度；θ-鉗牙弧度。圖4 無牙痕鉗牙結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 鉗牙最小接觸面積計(jì)算

作業(yè)時套管表面不發(fā)生塑性形變，鉗牙與套管間的壓力要低于套管的彈性極限，鉗牙與套管間的靜摩擦力矩要大于等于上扣轉(zhuǎn)矩，由此可計(jì)算出鉗牙的最小包絡(luò)面積S。

(1)

式中：p為套管表面壓壓應(yīng)力；Nmax為套管鉗輸出的最大徑向力；σ1為套管的彈性極限；Mf為靜摩擦力矩；M為上扣轉(zhuǎn)矩；σ2為鉗牙橫向抗拉強(qiáng)度；S為鉗牙與套管的最小接觸面積。

2 套管動力鉗夾緊機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

套管動力鉗夾緊機(jī)構(gòu)分為鉗頭機(jī)構(gòu)總成和制動機(jī)構(gòu)[8]。工作時，液壓馬達(dá)驅(qū)動傳動齒輪組和缺口齒輪轉(zhuǎn)動，此時制動機(jī)構(gòu)會剎住顎板架和顎板總成，缺口齒輪相對剎住的顎板總成轉(zhuǎn)動。固定在缺口齒輪內(nèi)圓柱面上的坡板擠壓顎板總成滾輪，在坡板與滾輪的接觸點(diǎn)，動力分解為一個切向力Fs和一個徑向力N，徑向力N迫使鉗牙吃入并咬緊套管，切向力Fs推動鉗牙和套管旋轉(zhuǎn)上扣，這2個力都來自同一個動力源，同時又必須按一定的比例增加或減少， 這個比例關(guān)系的比值就叫切徑比，用“m”表示。

2.1 鉗頭機(jī)構(gòu)總成優(yōu)化設(shè)計(jì)

常規(guī)套管動力鉗工作時，由于被牙板咬合的套管發(fā)生了塑性變形, 所以牙板與套管間的靜摩擦因數(shù)>彈性接觸的摩擦因數(shù)[3]。鉗牙材料換為復(fù)合橡膠后，無牙痕鉗牙與套管間變?yōu)閺椥越佑|，鉗牙與套管間的靜摩擦因數(shù)降低，由第二摩擦力定律可知，摩擦力與兩物體的法向載荷成正比[9]，此時欲獲得較大的摩擦力，需提高徑向力N，降低套管的切徑比m。

圖5為鉗頭機(jī)構(gòu)夾緊套管時的受力分析圖，切徑比的值可以參考如下公式計(jì)算[10]：

圖5 鉗頭機(jī)構(gòu)夾緊套管時的受力分析

(2)

切徑比和多種因素有關(guān)，影響最大的就是坡板內(nèi)面的形狀及坡板工作點(diǎn)的坡角[8]。據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)場試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),m值一般取值為在0.3～0.6，而對于無牙痕套管鉗而言,較低的切徑比更有利于夾緊套管，因此m值取0.35～0.40較為合適。設(shè)計(jì)無牙痕套管鉗頭時，可以通過調(diào)整鉗頭的滾輪尺寸、坡板曲線、缺口齒輪內(nèi)曲線等參數(shù)實(shí)現(xiàn)切徑比m的數(shù)值調(diào)整。

圖6 為調(diào)整參數(shù)后的無牙痕套管鉗的缺口齒輪，采用直接在缺口齒輪內(nèi)壁銑出漸開線式的坡板曲線，并設(shè)計(jì)更長的坡板曲線，較小的工作點(diǎn)坡角角度，在降低切徑比的同時，也增大了鉗體內(nèi)部空間，同時還簡化了爬坡機(jī)構(gòu)，便于現(xiàn)場維護(hù)保養(yǎng)。

圖6 無牙痕套管鉗缺口齒輪

2.2 制動機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

制動機(jī)構(gòu)主要由剎帶、固定鋼板、固定塊、調(diào)節(jié)螺栓構(gòu)成。其工作原理是，通過緊固調(diào)節(jié)螺栓，使固定鋼板壓迫剎車帶貼緊顎板架，使剎車帶與顎板架間產(chǎn)生摩擦力，在鉗頭機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動時，給顎板架提供一個制動力矩。在鉗頭機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動的過程中，制動力矩的大小決定了鉗頭機(jī)構(gòu)夾緊工作角的大小。如果制動力矩太小，使得動力鉗傳遞的轉(zhuǎn)矩?zé)o法到達(dá)上卸管具所需要的轉(zhuǎn)矩，也會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象[11]。現(xiàn)有的液壓動力鉗一般只有上顎板架配有1套帶式剎車機(jī)構(gòu)，鉗頭機(jī)構(gòu)在軸向上的受力不對稱。從加大制動力矩和平衡受力方面考慮，設(shè)計(jì)一種新型的制動機(jī)構(gòu)，如圖7所示。

1—?dú)んw ；2—缺口齒輪；3—上顎板架；4—下顎板架；5—顎板總成；6—剎帶調(diào)節(jié)螺栓；7—剎帶固定塊；8—剎帶固定鋼板；9—剎帶。圖7 無牙痕套管鉗鉗頭結(jié)構(gòu)示意

該機(jī)構(gòu)有上、下2套帶式剎車機(jī)構(gòu)，一方面可提供原來單套剎車機(jī)構(gòu)的2倍的制動力矩，為夾緊套管提供足夠的制動力矩；另一方面可以使夾緊機(jī)構(gòu)上下受力對稱，有效減小缺口齒輪因受力不均而造成的變形。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

無牙痕套管鉗主鉗采用液壓馬達(dá)和行星輪的方式驅(qū)動，背鉗采用液壓油缸和漸開線爬坡滾子驅(qū)動。背鉗配備與主鉗結(jié)構(gòu)一樣的無牙痕顎板總成，并配備有RSNY-F型動力鉗轉(zhuǎn)矩控制儀，可對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控。對整體優(yōu)化后的無牙痕套管鉗進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)，模擬工況條件為在室內(nèi)溫度25 ℃、干燥條件下，分別對大慶油田區(qū)塊常用的3種規(guī)格耐蝕合金套管進(jìn)行100次的上、卸扣，觀察套管表面牙痕及鉗牙磨損情況，記錄鉗頭打滑時的上扣轉(zhuǎn)矩值，如表2所示。

表2 無牙痕套管鉗室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，NTQ248-25Y型無牙痕套管動力鉗在鉗頭打滑時的上扣轉(zhuǎn)矩均超過表2中3種套管的最佳上扣轉(zhuǎn)矩值，且完成上扣后套管表面牙痕深度均小于0.1 mm，該套管鉗可以滿足規(guī)格為114.3、139.7、177.8 mm的耐蝕合金套管的無牙痕上卸扣作業(yè)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

目前已累計(jì)進(jìn)行了10余口頁巖油井和天然氣井的現(xiàn)場推廣和應(yīng)用。在現(xiàn)場試驗(yàn)過程中，NTQ248-25Y型無牙痕套管動力鉗能完成對應(yīng)規(guī)格耐蝕合金套管的全部下入、起出工作。在背鉗與主鉗的配合下，套管能自動扶正對扣，上扣過程平穩(wěn)，主鉗、背鉗鉗頭夾緊可靠，操作簡便，工作效率高。圖8為PF208-P1井下入的P110套管的上扣轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)界面。

圖8 PF208-P1井下入P110套管的上扣轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)界面

從圖8中可以看出，RSNY-F型動力鉗轉(zhuǎn)矩控制儀可實(shí)時監(jiān)控轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和圈數(shù)的變化。分析轉(zhuǎn)矩曲線可知，上扣過程中沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩忽高忽低的現(xiàn)象，說明上扣過程鉗頭沒有出現(xiàn)打滑，而在曲線的最后，轉(zhuǎn)矩急劇上升出現(xiàn)拐點(diǎn)，說明此時套管已上扣至臺肩處。繼續(xù)上緊至最佳轉(zhuǎn)矩值，當(dāng)上扣到達(dá)最佳轉(zhuǎn)矩時，系統(tǒng)自動切斷套管鉗動力，曲線直線下降。整個套管上扣過程平穩(wěn)、迅速，對上扣轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)了全程實(shí)時、精確的控制。

圖9為套管牙痕對比，圖9a為美國ECKEL Model 5Hydra-Shift VS Power Tong微牙痕套管鉗對套管產(chǎn)生的牙痕，可以看到大面積點(diǎn)狀分布的牙痕, 雖然在一定程度上減輕了對套管本體的破壞，但個別地方的牙痕深度仍然較深，深度約在0.5～1.0 mm，隨著上扣轉(zhuǎn)矩的增加，牙痕深度將更加明顯。圖9b為NTQ248-25Y型無牙痕套管動力鉗上扣后的套管，可以看到套管本體表面完好無破損，完全沒有牙痕，真正實(shí)現(xiàn)了無牙痕套管上扣作業(yè)。

圖9 套管牙痕對比

5 結(jié)論

1) 研制的NTQ248-25Y型無牙痕套管動力鉗在選用非金屬材料的鉗牙的前提下，通過對鉗體夾緊機(jī)構(gòu)和制動機(jī)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)，提高套管鉗的徑向力，利用無牙痕鉗牙與套管間的摩擦轉(zhuǎn)矩，可完成相應(yīng)規(guī)格套管的單根連接。

2) 現(xiàn)場應(yīng)用表明，該套管鉗能完成規(guī)格為114.3～177.8 mm的耐蝕合金套管的上扣作業(yè)，且套管表面完全沒有牙痕，最大限度地對套管進(jìn)行了保護(hù)，在高含硫的油氣井中，可以提高套管的使用壽命。

3) 該套管鉗的成功研發(fā)為大慶區(qū)塊提高固井質(zhì)量、預(yù)防井下套損、降低修井頻次提供了技術(shù)手段，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。