基于CAD的注水管內壁除垢鉆頭設計

任紅偉

摘 要： 針對注水管線長期使用后內壁結垢現象嚴重，導致工作管徑大幅縮小，注水效率降低等問題，對注水管內壁結垢物特點和鉆削除垢方法進行了分析，并研究了鉆頭破碎垢物機理和切屑形成過程。選用多刃錯齒鉆頭為鉆型基礎進行了結構分析；針對加工對象改進了鉆頭結構和刀齒分布規律，得到了除垢鉆頭結構方案。以注水管內壁和垢物為研究對象，建立有限元模型進行靜態應力分析，得到了應力云圖和路徑曲線圖，顯示了鉆削過程管壁應力狀態。

關鍵詞： 注水管內壁； 除垢鉆頭； 應力曲線圖； 有限元分析

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）02-25-03

0 引言

注水管是重要的采油管具，由于所注水多為污水，注水管線經長時間使用，結垢與沉砂雙重作用使得內壁結垢現象嚴重，導致工作管徑縮小，井下注水壓力下降，注水效率降低，因此需要定期將注水管取出清洗后繼續下井使用[1]。機械鉆通清洗是一種經濟安全的清洗方法，鉆通清洗從注水管內壁結垢形態分析，屬于深孔加工擴孔鉆削，從結垢性質分析，類似水平鉆井破巖過程。由于結垢物情況復雜，現有鉆通清洗鉆頭針對性較差，鉆進過程易出現堵鉆、卡鉆現象，除垢效果不明顯。大量結垢嚴重的注水管由于無法進行鉆通處理不能回收再利用，增加了生產成本，因此需要研究垢物特點，分析鉆通清洗過程注水管內壁及垢物受力情況，針對鉆削對象對現有鉆頭進行優化設計，提高除垢能力。

1 注水管結垢特點分析

油田注水采油所用水多為污水，以孤東采油廠的一號到四號聯合站以及KD521大站進行水質分析，用離子測定方法分析不同的結垢情況[2]，水中含Ca2+、Mg2+、Ba（Sr）2+等較為嚴重。

運用物相分析理論針對垢物成分、結垢部位進行分析，從結垢管線多處解剖情況來看，管線結垢呈現兩種狀況：

⑴ 注水管內壁堅硬致密的結垢物，主要成分是CaCO3；

⑵ 與致密結構物混合附著在注水管內壁的雜質，成分為松軟油泥、砂土等。

根據分析結果，結垢情況不是單純的水結垢，而是結垢和沉砂的雙重作用。相對致密堅硬的結垢物產生原因是所注污水含鈣量高，松軟泥砂產生原因是供污水循環利用的沉淀罐體積小，污水沉淀時間短，所含泥砂沒有得到徹底沉淀清除。

依據石油天然行業標準SY/T0600-1997《油田水結垢趨勢預測》，對結垢物進行分析，分析結果見表1，可以看出垢樣主要是碳酸鈣，同時原油等有機物含量均較高。

2 鉆削除垢設計

2.1 切屑形成

注水管內結垢物屬于脆性材料，切屑形態無法像金屬等塑性材料一樣可以控制，因此可將除垢鉆削類比于鉆削破巖過程進行分析。

鉆頭破碎垢物的機理如圖1所示，圖1中箭頭為鉆進方向，當鉆頭在注水管內以一定進給量在垢物表面作切割運動時，鉆頭刀齒給垢物一個剪切力，垢物在剪切力作用下誘發出拉伸應力，當拉伸應力超過垢物的抗拉強度時，垢物產生微小裂縫，在鉆頭刀齒的共同作用下，裂縫增大，垢物形成碎塊，達到去除的目的。垢物這樣形成碎塊而脫離注水管內壁的過程，就是鉆頭刀齒不斷鉆削除垢的過程，鉆削除垢過程可能產生兩次或三次小的破裂，再出現碎塊，是躍進式的，整個過程一般分為四個階段[3]。

⑴ 變形階段。按赫茲剪應力分布理論，在刀具與垢物的接觸點剪應力為零，從該點到垢物內某一點剪應力達到極值，超過此極值后，剪應力不斷下降，剪應力最大值出現在接觸邊界附近的點上。

⑵ 發生裂紋階段。當切削力超過垢物的抗拉強度時，接觸點附近的垢物被拉開，產生赫茲裂紋。

⑶ 形成切削核階段。隨著切削載荷繼續增加，剪切裂紋擴展到赫茲裂紋與自由面相交處，己破碎的垢物將被不斷前進的鉆頭刀齒擠壓成致密的切削核，并向附著有切屑的注水管內壁施加壓力，其中一部分垢物切屑高速進入鉆頭前端內排屑孔，另一部分在切削液作用下排出。

⑷ 塊體崩裂階段。載荷繼續增加，當壓力超過許用剪應力臨界值時，垢物突然崩裂，鉆頭刀齒切入，載荷瞬間下降，完成一次躍進式切削破碎過程。

2.2 鉆削除垢原理及除垢鉆頭設計

常規鉆削加工中加工對象為金屬實體，與除垢加工有很多不同之處，歸納總結為以下兩點。

第一，鉆削對象材料不同，常規鉆削加工切削對象為金屬，屬于塑性材料，而除垢鉆削對象為CaCO3沉淀、泥沙、粘土等的混合物，屬于脆性材料，與金屬相比其物理性質不同，鉆削過程鉆頭受力、鉆進速度、切屑形成方式及排屑情況均不同。與金屬鉆削相比，鉆削除垢過程更類似于鉆井破巖過程[4]。

第二，鉆削對象結構不同，注水管本身并未完全被垢物堵死，留有10～40mm不等直徑的孔，并且孔壁凹凸起伏，不平滑，鉆削除垢應屬于擴孔鉆。

多刃錯齒內排屑深孔鉆是內排屑深孔鉆的典型結構[5]，設計中選擇此鉆型為基礎進行分析設計，其鉆削除垢工作原理為，切削液在較高的壓力下（約2-6MPa），由注水管孔壁與鉆桿外表面之間的空隙進入鉆頭工作區，冷卻、潤滑鉆頭，并將切屑經鉆頭前端的排屑孔帶入鉆桿內部，向后排出。內排屑方式可以防止切屑劃傷注水管內壁，負壓排屑裝置可以加速排屑，解決堵屑問題。設計中鉆頭直徑應與注水管直徑間留出盈余量，以避免鉆頭工作過程中劃傷管壁。

針對加工對象對鉆頭進行改進設計，通過改進鉆頭體結構和刀齒排列方式來改善鉆頭的切削狀況，降低切削力。具體改進措施如下。

⑴ 將原結構的3個切削齒改進為4個，由內而外分別是：內尖齒、中間平齒、中間尖齒和外齒，其中內尖齒和中間尖齒分布在軸線一側，中間平齒和外齒分布在軸線另一側，如圖2所示。通過增加一個刀齒，可以分散鉆頭受到的切向力和軸向力，改善內齒受力情況。

⑵ 去除原結構的偏心量，來減小作用在內齒上的徑向力。內尖齒和中間尖齒為尖齒形，鉆削過程中內尖齒會在垢物上形成切削反錐和環形凹槽，有利于鉆銷定位，起穩定鉆削的作用。

⑶ 在鉆頭體上增加4個切屑液輸送槽，其中兩個在鉆頭體側面上，另外兩個由側面延伸到鉆頭前錐面，保證了冷卻效果和切屑的順暢排出。凹槽結構同時減小了鉆削過程受到的摩擦力，減小磨損。

3 注水管內壁應力分析

3.1 模型建立

為保證研究結果的可比性，建立了注水管內壁垢物層的模型，使其已鉆削部分輪廓與鉆頭形狀相同。注水管柱開鉆實體模型由兩部分組成，一部分為結垢注水管管壁的實體模型部分，即在開鉆前管柱內未鉆出的原狀，另一部分為開鉆部分，模型如圖3所示。鉆削除垢加工中為避免加工過程傷及管壁，鉆頭外沿與管壁之前有一部分切削余量，形成了圖3中所示的殘余垢物。

以砂巖模擬注水管內壁垢物，選擇Solid65單元，該單元具有八個節點，每個節點有三個自由度，即x、y、z三個方向的線位移，與Solid45單元相似，只是增加了描述開裂與壓碎的性能，可用于含鋼筋或不含鋼筋的三維實體模型，該實體模型可具有拉裂與壓碎的性能，可用于加筋復合材料（如玻璃纖維）及地質材料（如巖石）[6]。本單元最重要的研究在于對材料非線性的處理，其可模擬混凝土的開裂（三個正交方向）、壓碎、塑性變形及徐變。通過上述分析可知，該單元非常適合模擬注水管內壁材料，所以選為分析單元。

⑴ 開鉆前，模型端面固定（即各向自由度為0）。

⑵ 鉆進，模型端面固定（即各向自由度為0）、切削面施加鉆削力。

⑶ 鉆孔形成后，模型端面固定（即各向自由度為0）。

3.2 應力圖分析

使用ANSYS軟件分析注水管內壁模型，得到注水管內壁應力云圖如圖4所示。

軸向應力圖中，垢物內壁的軸向應力呈環狀分布，隨半徑增大而減小，在鉆削面內側有應力集中區域。徑向與切向應力圖中，垢物內壁的徑向應力與切向應力分布情況相似，以主切削刃為中心呈環狀分布，隨半徑增大而增大，即注水管內壁自由面釋放了應力。

3.3 應力曲線圖

垢物應力云圖可以直觀顯示垢物應力的三維分布狀態，應力曲線圖則從量的方面表現應力的變化趨勢和特點。

通過定義路徑得到應力曲線圖進行分析，可以全面反映新型除垢鉆頭鉆削加工中的應力場特征，所以在垢物模型的剖面上定義一條應力路徑way1，如圖5中紅線所示，其作用是顯示鉆削面和內壁三維應力的徑向分布規律，該徑向分布規律用于了解鉆頭鉆削除垢工作中被加工垢物的應力狀態。

路徑應力曲線圖如圖6所示，圖6中應力為負則說明垢物承受壓應力，各曲線的尖角處是鉆頭工作區與管壁的交界點，曲線內側起點為管內壁與鉆頭體接觸點，從管內壁到交界點的應力狀態是鉆頭體的工作區域應力狀態，交界點外側為管內壁的應力狀態。

從圖6中可以看出，隨著半徑的增大，三條應力曲線均先減小再增大，其中軸向應力變化最劇烈，徑向應力次之，切向應力變化幅度最小，三向應力都逐漸變化到原始應力狀態值。在該區域，形成了徑向應力小、切向應力大的二次應力場特征，說明徑向應力釋放較充分，且切向應力方向正是鉆頭的切削方向，軸向應力方向為施加鉆壓的方向，有利于鉆頭提高機械鉆速。

4 結束語

通過分析注水管結垢狀況以及垢物特性，使用計算機軟件模擬了注水管內壁垢物受力狀態，得到應力云圖和路徑曲線圖。模擬結果直觀顯示了鉆削效果和鉆削過程管壁應力狀態，應力曲線圖則從量的方面表現應力的變化趨勢和特點，反映了鉆削過程對管壁的影響，為實驗測量值提供了對比分析的數據參照。

參考文獻：

[1] 陳峰，趙春輝，陳朝林.油田注水系統結垢機理研究[J].油氣田地面工程，2006.25（7）：7-8

[2] 孫志宇，蒲春生，謝麗華.孤東采油廠墾東大站強磁防垢室內實驗評價[J].腐蝕與防護，2006.27（1）：20-22

[3] 徐依吉.超高壓水射流理論與應用基礎研究[D].西南石油學院，2004.

[4] 祝效華，鄧福成，賈彥杰，童華，許建民.PDC鉆頭流場數值仿真與水力結構優化[J].石油機械，2010.38（8）：1-4

[5] 王世清.深孔加工技術[M].西北工業大學出版社，2003.

[6] 華劍，周思柱，黃天成.撓性抗回旋PDC鉆頭的有限元分析[J].石油礦場機械，2007.36（1）：39-41

[7] 彭燁，沈忠厚，樊勝華.基于開挖方法的井底應力場有限元模型[J].石油學報，2006.27（6）：133-136