鉆井用滾輪式高效減扭防磨工具研究

劉少胡　(長江大學機械工程學院,湖北 荊州 434023)

鄒家焱　(中石化石油工程機械公司第四石油機械廠，湖北 荊州 434023)

談波　(中石油長城鉆探工程分公司工程技術研究院，遼寧 盤錦 124010)

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鉆井用滾輪式高效減扭防磨工具研究

劉少胡(長江大學機械工程學院,湖北 荊州 434023)

鄒家焱(中石化石油工程機械公司第四石油機械廠，湖北 荊州 434023)

談波(中石油長城鉆探工程分公司工程技術研究院，遼寧 盤錦 124010)

[摘要]隨著高斜度井、大位移井以及水平井的廣泛鉆探，鉆具在井下所遇的摩阻越來越嚴重。使用減扭防磨工具能夠有效降磨減阻，提高鉆進效率。為此設計了鉆井用高效減扭防磨工具，使用solidworks軟件繪制了工具三維圖，并利用ANSYS有限元軟件對工具關鍵零部件(本體、滾輪和銷軸)進行了有限元校核。根據工具的工作原理，鉆井用高效減扭防磨工具將鉆柱接頭與套管的滑動摩擦轉化為滾輪與套管間的滾動摩擦，從而有效減小扭矩和摩阻。數值計算結果顯示，鉆井用高效減扭防磨工具在正常工作載荷下安全可靠，可以提高減扭防磨工具使用壽命，降低鉆井成本，減少經濟損失。

[關鍵詞]減扭防磨工具；摩阻；扭矩；應力；有限元

隨著高斜度井、大位移井以及水平井的廣泛鉆探，鉆具在井下鉆遇的摩阻越來越受到關注。過高的摩阻和扭矩不但會對鉆柱的受力造成威脅，而且對鉆井平臺上力和扭矩的輸出設備提出了更高的要求，從而制約完成預期的鉆井或完井目標。摩擦阻力妨礙了驅動扭矩和鉆壓的有效傳遞，扭矩超過鉆柱承受能力將會導致鉆具斷裂失效，致使無法鉆進。同時，旋轉鉆柱與下井壁套管發生接觸摩擦直接導致套管和鉆柱的磨損，摩擦阻力越大，狗腿度越嚴重，側向載荷越大及轉速越高，則磨損越快。因此，研究高效的減扭防磨工具具有積極意義[1～3]。

國內目前常用的防磨工具主要有防磨襯套為純橡膠式和鋼套式2種：橡膠式防磨工具的主要優點是防磨效果好，缺點是壽命短，易撕裂，且壓耗大；鋼套式防磨工具的主要優點是壽命長，缺點是防磨效果差，且容易卡死。與常規防磨工具相比，鉆井用高效減扭防磨工具由本體、內襯套筒、分體式外殼、卡箍及滾輪組成。作業時,內套筒作為“犧牲品”與本體相接處,從而將原鉆桿接頭與井眼或套管的高摩阻的相對轉動轉換為本體與內套筒的光滑的相對轉動[4,5]。這種工具對鉆井鉆柱減扭防磨具有積極的作用，同時也防止套管磨損，對降低鉆井風險和提高鉆井時效具有積極的意義。

1工具結構及工作原理

鉆井用高效減扭防磨工具包括本體，半開擋圈，徑向滾輪，軸向滾輪，固定軸銷，半開內襯套和半開旋轉套[6]。本體中部加工有凹槽，用于安裝半開內襯套，半開旋轉套和半開擋圈。半開旋轉套外部加工有3個軸向突出棱，在突出棱上加工有3個通孔，用于安裝徑向滾輪和軸向滾輪，并在突出棱通孔上開有用于安裝固定軸銷的孔，半開旋轉套兩端加工有用于安裝半開擋圈的凹槽，半開內襯套安裝在半開旋轉套內部。圖1和圖2所示分別為減扭防磨工具二維圖和三維圖。分體式外殼上裝有高強度的滾輪及軸銷，突出的外殼撐起滾輪與井壁或套管直接接觸，將原有的鉆桿接頭懸空，從而將鉆具軸向運動時的接頭與井壁或套管的摩擦力轉變為減扭防磨工具滾輪與套管或井壁的摩擦力，減少了摩阻系數，即減小了軸向所受阻力和扭矩。

注：　1—本體，2—固定螺栓，3—半開擋圈，4—徑向滾輪，5—軸向滾輪，　6—固定軸銷，7—突出棱，8—半開內襯套，9—半開旋轉套。　　圖1　減扭防磨工具二維圖　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2　減扭防磨工具三維圖

2關鍵部件安全校核

2.1工具本體安全性校核

工具本體是減扭防磨工具的重要零部件之一，在工作過程與鉆柱通過螺紋連接，本體承受鉆柱作用的軸向載荷和起到傳遞扭矩的作用。本體中部加工有凹槽，用于安裝半開擋圈、半開內襯套和半開旋轉套。本體凹槽部位直徑明顯變小，而在工作過程承受軸向載荷、扭矩和側向載荷的耦合作用，所以非常有必要對本體進行安全性校核[7～9]。

采用有限元法對本體在不同的軸向載荷和扭矩耦合作用下的安全性進行校核。圖3所示為工具本體應力云圖，圖4所示為在不同軸向載荷下，扭矩對本體最大應力影響曲線；由圖4可以看出，在軸向載荷為100、200、300kN作用下，隨著扭矩的增加，本體的最大應力隨之增加，但最大應力值均未超過835MPa，本體材料35CrMo的屈服強度為835MPa。同時可以看出扭矩對本體應力的影響較大，建議鉆井過程控制高扭矩的輸出。

圖3　工具本體計算圖

圖5所示為本體在不同扭矩下，軸向載荷對本體最大應力影響曲線。由圖5可以看出，隨著軸向載荷的增加，本體的最大應力也在增加，與扭矩對本體的應力影響相比，軸向載荷對本體應力的影響較小。數值計算時最大扭矩為50kN·m，最大軸向載荷為500kN，這時本體的應力載荷較大，但在工具正常工作過程中這種極限載荷是比較少見的，所以工具在服役過程本體是可滿足強度要求。

圖4　本體最大應力隨扭矩變化圖　　　　　　　　　　　　　圖5　本體最大應力隨軸向載荷變化圖

2.2工具滾輪抗擠性能分析

滾輪是減扭防磨工具實現減扭防磨的關鍵零件，滾輪分為軸向滾輪和徑向滾輪，通過固定軸銷固定，并安裝在旋轉套上。在井下作業時，主要通過滾輪與井壁或套管的直接接觸，將原本的滑動摩擦轉化為滾動摩擦，從而起到減小扭矩和阻力的作用。圖6所示為滾輪有限元計算應力云圖。

圖6　工具滾輪計算圖

圖7　滾輪最大應力隨側向載荷變化圖

圖7所示為滾輪最大應力隨側向載荷變化曲線圖，根據工具工作過程受力情況，滾輪受到的側向載荷一般為2～6kN。在側向載荷為6kN時，滾輪的最大應力為607MPa，此時滾輪最大應力小于材料屈服強度(滾輪材料為20CrMnTi，其屈服強度大于835MPa)。因此，在常見的側向力工作范圍內，滾輪的安全性可以滿足使用要求。

2.3工具固定軸銷抗剪性能分析

工具固定軸銷也是減扭防磨工具的重要零件之一，材料為20CrMnTi，主要用來固定滾輪，所以固定軸銷必須具有足夠的強度和硬度，以確保在井下作業時減扭防磨工具的安全性。圖8所示為固定軸銷的有限元計算應力云圖，從云圖可以看出固定軸銷最大應力區域出現在中部與滾輪接觸部位和兩端固定部位，計算結果與實際情況相符。

圖8　工具固定軸銷計算圖

圖9　固定軸銷最大應力隨剪切載荷變化圖

從圖9的應力云圖可以看出，固定軸銷所受的側向載荷從2～8kN變化，固定軸銷應力小于材料的屈服強度(固定軸銷材料為20CrMnTi,屈服強度為835MPa)。固定軸銷承受一定的側向載荷，在井下工作時，固定軸銷受側向力引起剪切作用。由圖可以看出，在常見的側向力的工作范圍內，固定軸銷的安全性可以滿足工作要求。

3結論

1)鉆井用高效減扭防磨工具通過滾輪與井壁或套管的直接接觸，將鉆柱接頭與套管的滑動摩擦轉化為滾輪與套管間的滾動摩擦，從而有效減小扭矩和阻力，工具結構方案可行。

2)利用有限元方法校核了工具本體在軸向載荷和扭矩耦合作用下的強度，滾輪在側向載荷下的擠壓強度及固定軸銷在剪切載荷下的剪切強度。數值計算結果顯示工具在正常工作載荷下是安全可靠的，進一步論證該工具方案是可行的。

[參考文獻]

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[5] John E M, German O, Jorge A,et al.Adjustable Gauge Stabilizer and Torque and Drag Reduction Tools Reduce Overall Drilling Times by at Least 20%: A Case Study [J].SPE 141673, 2011.

[6] 柳鶴.射流式水力振蕩器理論分析與試驗研究[D].長春：吉林大學,2014.

[7] 廖前華,祝效華,劉少胡，等.分體軸承式減扭防磨工具設計與安全性分析[J].石油礦場機械，2010,39(5):30～32.

[8] 張紅生，郭永賓.套管防磨保護措施[J].石油鉆采工藝,2007，29(6)：116～118.

[9] 祝效華，劉少胡，聶榮國,等.KWQ-216型地面可控井下變徑穩定器[J].石油鉆采工藝,2011，33(1)：120～123.

[編輯]洪云飛

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)01-0053-04

[中圖分類號]TE921

[作者簡介]劉少胡(1984-)，男，博士，講師，現主要從事鉆完井工具、計算流體動力學及管柱力學的教學與研究工作；E-mail：liushaoh@126.com。

[基金項目]國家自然科學基金項目(51405032)；流體及動力機械教育部重點實驗室開放課題(szjj2015-041)；長江大學青年基金項目(2015cqn44)；長江大學人才引進啟動基金和長江大學油氣鉆完井工具研究中心資助項目(OGT201502)。

[收稿日期]2015-10-28

[引著格式]劉少胡，鄒家焱，談波.鉆井用滾輪式高效減扭防磨工具研究[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(1)：53～56.