球掛式液壓丟手工具失效原因及解決措施

鄭瑞強

(大慶鉆探工程公司 鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413)

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球掛式液壓丟手工具失效原因及解決措施

鄭瑞強

(大慶鉆探工程公司 鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413)

球掛式液壓丟手工具通過憋壓的方式進行丟手，在現場應用過程中出現了懸掛鋼球卡死，丟手失敗的問題。通過受力分析找到了其失敗的原因并提出了2套解決方案，分別是增加懸掛鋼球數量方案和將懸掛球設計為懸掛塊方案。經現場驗證，設計合理，方案可行，為今后重載條件下的丟手施工作業提供參考。

丟手工具；結構；液壓

球掛式液壓丟手工具克服了機械式J型槽丟手工具只能通過懸重力來判斷丟手接頭是否脫開的缺點，并于2011年應用于4口井氮氣欠平衡鉆井井段完井管柱的丟手施工中，丟手成功率100%[1](結構如圖1所示)。但是，2014年在芳16-斜48井施工中卻出現了懸掛鋼球卡住，丟手工具未脫開的現象。本文通過對施工過程進行對比及對球掛機構受力分析，找到了球掛式液壓丟手工具失效的原因，并有針對性地提出了增加鋼球數量和將懸掛鋼球改為懸掛塊2套解決方案。增加鋼球數量方案加工相對簡單，但接觸方式仍為點面接觸；懸掛鋼球改為懸掛塊方案將原來的點面接觸改進為了面面接觸，更適合于重載條件下的丟手施工作業。兩套方案均進行了現場驗證，為今后重載條件下的丟手施工作業提供了參考。

1—上接頭；2—鋼球；3—絲堵、銷釘；4—球座；5—懸掛鋼球；6—下接頭；7—擋板。

1　施工過程對比

圖2　未脫開的球掛式液壓丟手工具現場照片

井號井型完井管柱長度/m完井管柱數量/根完井管柱質量/kg丟手工具下深/m丟手是否脫開州54-1定向井556752.951444脫開州54-2定向井556752.951454脫開701-1直井556752.951460脫開701-2直井455616.051457脫開芳16-斜48定向井83.591143.121457未脫開

2　球掛機構受力分析

鋼球懸掛機構共涉及4個零件，分別是上丟手接頭、下丟手接頭、球座以及鋼球，如圖3所示。以單個鋼球為研究對象對其進行受力分析，忽略鋼球本身的重力，鋼球受下丟手接頭溝槽斜面對其產生的壓力F1，上丟手接頭球孔對其產生的支撐力F2，以及球座外表面對其產生的支撐力F3。另外，以下丟手接頭為研究對象分析其受力，下丟手接頭受完井管柱的拉力G(忽略完井管柱的浮力，拉力G即為完井管柱的重力)，以及單個鋼球對其溝槽斜面的支撐力F[2]。

圖3　球掛機構受力分析示意

下丟手接頭溝槽斜面角度為30°，即F與F3的夾角為30°。各力之間的大小關系為：

F=G/(sin30°·n)=F1(式中n為鋼球數量)

F2=F1sin30°，F3=F1cos30°。

在擠壓狀態下計算上丟手接頭、下丟手接頭與鋼球接觸處的變形即為鋼球壓入深度(由于球座在施工時脫落至設計位置，未影響丟手脫開，故不進行分析)。

根據布氏硬度WHB的計算公式：

WHB=P/(πDh)

式中：P為載荷值，即鋼球對支撐面的正壓力，N；D為鋼球直徑，mm；h為壓痕深度，mm。

丟手工具的連接鋼球直徑為15 mm，周向均布4個，上、下丟手接頭材質為42CrMo，硬度為290 HB。

帶入已知數據得：當完井管柱數量為6根，質量為752.95 kg時(即G=7 529.5N)，在單個鋼球對下丟手接頭溝槽支撐面的正壓力F的作用下(即P=F)，下丟手接頭上的壓痕深度為0.28 mm。同理，在F2的作用下，上丟手接頭上的壓痕為0.14 mm；當完井管柱數量為9根，質量為1 143.12 kg時，鋼球在下丟手接頭上的壓痕深度為0.42 mm，在上丟手接頭上的壓痕深度為0.21 mm。

由上可得，隨著完井管柱數量增多，鋼球對上、下丟手接頭的壓痕深度明顯增大，且成正比關系。另外，在下鉆過程剎車時將產生激動壓力，從而使作用在鋼球上的擠壓力更大，壓痕更深，從而導致鋼球脫落困難，甚至卡死，無法脫落，這也正是芳16-斜48丟手未脫開，鋼球未脫落的主要原因。

3　丟手工具改進方案

通過受力分析發現，減少鋼球受力或增加擠壓面面積是解決問題的關鍵，從這兩個方面入手，設計了2套改進方案。

3.1增加鋼球數量

增加鋼球數量方案，即將原來周向均布、4個鋼球改進為周向均布多個鋼球，如圖4所示，從而減少單個鋼球的受力，確保順利脫開。

圖4　增加鋼球數量方案示意圖

1—上接頭；2—鋼球；3—球座；4—懸掛鋼球；5—銷釘；6—下接頭。

圖6　改進后的球掛式液壓丟手工具上丟手起出井口

3.2懸掛鋼球改為懸掛塊

懸掛鋼球改為懸掛塊方案，即將原來周向均布的鋼球改進為周向均布多個懸掛塊，如圖7所示，將原來鋼球的點面接觸變為面面接觸，增加擠壓面面積，從而減少擠壓變形，確保順利脫開。

1—上接頭；2—鋼球；3—球座；4—懸掛塊；5—銷釘；6—擋板；7—下接頭。

懸掛塊式液壓丟手工具包括上接頭、鋼球、球座、懸掛塊、銷釘、擋板、下接頭，該方案結構原理與原球掛式液壓丟手工具相似，不同之處有兩點：一是懸掛機構是懸掛塊，接觸方式有點面接觸改進為面面接觸，接觸面積變大，結構更加安全可靠；二是脫開力來源是活塞缸內的液體壓力，該結構與改進后的球掛式液壓丟手工具相似。室內試驗證明該結構設計合理，各個動作均能按設計完成。在朝146-斜73井常規丟手未脫開后，采取了該方案進行丟手施工，并獲得成功。

4　方案對比

兩套方案分別從增加鋼球數量和增加接觸面積入手進行了設計，并均采用了通過液壓活塞腔提供脫開動力的方法，原理可行，結構合理。增加鋼球數量方案加工相對簡單，但接觸方式仍為點面接觸，重載條件下依舊會出現懸掛鋼球卡住，工具不能脫開現象。懸掛塊方案徹底將原來的點面接觸改進為面面接觸，接觸面積大幅增加，可滿足重載條件下的丟手施工作業需要。

5　結論

1)球掛式液壓丟手工具在芳16-斜48井施工失敗的原因為完井管柱較長，懸掛鋼球對上、下丟手接頭的壓痕深度較深，導致懸掛鋼球卡住，丟手施工失敗。

2)改進后的懸掛塊式液壓丟手工具，其懸掛塊與丟手上下、下接頭之間為面面接觸，相對于鋼球懸掛結構接觸面積大幅增加，并且采用了通過液壓活塞腔提供脫開動力的方法，可完成重載及管柱懸空條件下的丟手作業。

3)創新設計了懸掛塊懸掛結構，與原球懸掛結構相比，設計合理，性能可靠，可應用于液壓丟手工具中，更適合重載條件下的丟手施工作業。

4)懸掛塊式液壓丟手工具解決了球掛式液壓丟手工具在重載條件下懸掛鋼球卡住、丟手失敗的問題，在輕載和重載條件均可替代球掛式液壓丟手工具，應用前景廣闊。

[1]李玉海.球掛式液壓丟手工具研制[J].石油礦場機械，2012，41(2)：71-73.

[2]吳姬昊.石油工程用丟手機構的分析與研究[J].石油礦場機械，2004，33(2)：63-65.

[3]王禾丁，谷開昭，朱愛萍.液壓丟手工具丟手壓差的設計計算[J].石油礦場機械，2002，31(2)：41-43.

Failure Causes and Solutions of Ball Hanging Type Hydraulic Releasing Tool

ZHENG Ruiqiang

(Drilling Engineering Technology Research Institute，Daqing Drilling and Exploration Engineering Company，Daqing 163413，China)

The ball hanging type hydraulic releasing tool by a pressure to release，and in the field of application appeared failure by the suspension ball stuck.This cause of the failure by force analysis was found and two solutions were put forward，adding suspension ball number scheme and designing the hanging block schemes.The design is reasonable and feasible，and provides the reference in case of heavy load releasing construction.

releasing tool；structure；hydraulic

1001-3482(2016)05-0072-04

2015-11-03

鄭瑞強(1983-)，男，河北饒陽人，工程師，2007年畢業于東北電力大學機械專業，現主要從事鉆完井工具的研發工作，E-mail：zhengrq@cnpc.com.cn。

TE934.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.016