II型鉆柱式偏心微擴眼工具強度校核及現場應用研究

聶云飛，何育光，張 銳

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257000）

II型鉆柱式偏心微擴眼工具強度校核及現場應用研究

聶云飛，何育光，張 銳

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257000）

采用有限元方法開展Ⅱ型鉆柱式隨鉆微擴眼工具強度校核研究，采用有限軟件分別對工具本體和刀翼進行強度校核，分析結果表明，所設計Ⅱ型鉆柱式隨鉆微擴眼工具最大許用拉力6 525.4 kN，最大許用扭矩27 kN·m.最終制造工具樣機并開展現場應用研究，所設計的Ⅱ型鉆柱式隨鉆微擴眼工具有效地提高了應用井起下鉆的通暢程度和電測、下套管作業一次成功率，節約鉆井時間約200天，為我國石油行業隨鉆擴眼技術提供了有效的設備支持。

隨鉆擴眼；有限元；強度校核；現場應用

鉆井過程中泥頁巖吸水晶格增大導致的巖石膨脹及高滲透性的砂巖形成的厚泥餅導致的縮徑等造成的井眼直徑小于鉆頭直徑，易導致起下鉆困難、井眼漏失、劃眼、卡鉆等復雜鉆井故障。擴眼技術在鉆井作業中通常認為是一種非常規的鉆井技術，在石油工業中常被采用解決復雜底層縮徑卡鉆等復雜情況[1]。其中隨鉆擴眼技術采用隨鉆擴眼工具和常規鉆頭，在全面鉆進的同時擴大裸眼段尺寸，使其大于上部套管串內徑的一種鉆井技術，在處理井下復雜情況、降低鉆井綜合成本、提高建井質量和安全性等方面具有顯著的優勢，隨鉆擴眼工具也正逐漸成為一種重要的鉆井配套工具[2-3]。

隨鉆擴眼鉆井工具從結構上分為兩大類，一是鉆頭型隨鉆擴眼工具，主要包括雙心鉆頭（單獨式偏心鉆頭）、雙體式偏心鉆頭、近鉆頭隨鉆擴眼工具；二是具有獨立結構的隨鉆擴眼工具，主要包括兩類，即偏心結構和同心結構的隨鉆擴眼器[2]。2014年上半年，初步開展了相關研究工作，研制出了I型8-1/2″和9-1/2″井眼用鉆柱式隨鉆微擴眼工具如圖1所示，該工具具有微偏心結構，可接到鉆柱中實現隨鉆微擴眼，工具具有上、下兩組螺旋擴眼刀翼，下刀翼組負責鉆進期間的隨鉆擴眼或下鉆過程中的正劃眼，上刀翼組負責起鉆過程中的倒劃眼[5]。

圖1 I型鉆柱式隨鉆微擴眼工具

研究課題組在I隨鉆微擴眼工具基礎上借鑒雙心鉆頭設計理論和流體動力學設計如圖2所示具有微偏心（雙心）結構的II型鉆柱式隨鉆微擴眼工具[4]。

圖2 II型鉆柱式隨鉆微擴眼工具三維結構

為進一步確保II型鉆柱式隨鉆微擴眼工具在井下工作時具有較高的強度，本文采用有限元方法開展II型鉆柱式隨鉆微擴眼工具強度校核研究。同時為體現II型工具的現場應用效果，將工具投入實際生產中開展II型鉆柱式隨鉆微擴眼工具現場應用研究，希望能為我國鉆井隨鉆擴眼技術提供關鍵設備支持[6]。

1 強度校核

為保障隨鉆擴眼工具在井下工作時具有足夠的強度，本節開展II型鉆柱式隨鉆微擴眼工具強度校核研究。如圖2所示II型鉆柱式隨鉆微擴眼工具三維結構圖，其接頭部分外徑為168mm，內徑為85 mm，本體外徑為150mm，內徑為85 mm，其抗拉、抗扭強度薄弱位置在本體上。

1.1 本體抗拉、抗扭理論分析

工具采用40GrMnMo材料制造，其抗拉強度為980 MPa，屈服極限為785 MPa.最大抗扭為：

式中：Qb為本體許用抗扭強度（N·m）；σs為本體材料屈服極限（Pa）；IP為工具本體相對軸向的慣性矩（m4）；Rmax為本體外徑（m）。

式中：Fm為本體許用拉力（N）；Am為截面積（m2）；σb為抗拉強度（MPa）.

從上面對微擴眼本體的抗拉抗扭強度計算可以看出，考慮安全系數其本體許用抗扭強度為186.7 kN·m，許用拉力為6 525.4 kN.

1.2 有限元強度校核

為進一步分析工具形狀引起的應力集中和刀翼強度，采用有限元軟件ABAQUS開展工具強度分析。

1.2.1 工具本體強度校核

為簡化計算將如圖3所示三維模型簡化為如圖4所示工具本體簡化模型。模型中采用六面體C3D8R單元并以SWEEP網格劃分方式進行劃分，得到如圖5所示有限元模型。

圖3 三維模型

圖4 工具本體簡化模型

圖5 有限元模型

圖6 所示為施加的邊界條件及載荷圖，在母接頭頂部及內部絲扣面設置為固支邊界，在公接頭外螺紋面設置與點RP-2的coupling全耦合，在點RP-2上直接施加拉力載荷和扭矩。拉力和扭矩大小為1.1節計算得到的允許值和。

圖6 邊界條件及施加載荷

圖7 所示為拉力為6 525.4 kN時工具本體應力分布，由結果可知其最大Mises應力為792.6 MPa出現在內螺紋和外螺紋根處，滿足強度要求。

圖7 拉力6525.4 kN下工具本體應力分布圖

圖8所示為扭矩為186.7 kN·m下，工具本體應力分布。如圖所示其最大Mise應力值為630.1 MPa，最大應力位于內外螺紋根部及接頭過度區域，同時最大應力小于其屈服強度。綜上微擴眼器本體設計強度符合設計要求。

圖8 扭矩186.7 kN·m下工具本體應力分布圖

1.2.2 刀翼有限元強度校核

構建如圖9所示刀翼三維模型，對采用四面體網格劃分方式并在齒部進行加密，同時采用二次縮減積分單元，得到如圖10所示有限元模型。

圖9 擴眼刀翼模型圖

圖10 有限元模型圖

在模型上部端面施加固支邊界條件，對于扭矩作用位置，假設其作用于兩個主刀翼上，受力通過耦合分配到各作用齒上面，載荷及邊界條件如圖11所示。

圖11 載荷及邊界條件圖

如圖12所示為通過施加不同的扭矩，得到工具齒部受力的Mises應力云圖，當扭矩為27 kN·m時，其應力值接近屈服強度，即27 kN·m為極限扭矩。

圖12 刀翼受力分布圖

最終于2015年1月初完成了4套工具樣機，工具照片如圖13所示。

圖13 Ⅱ型微擴眼器實物圖

2 現場應用研究

為驗證新型微擴眼器的工作效果，自2014年底課題開題以來，累計應用628井次，有效地提高了應用井起下鉆的通暢程度和電測、下套管作業一次成功，應用情況如下。

2.1 勝利應用情況

2015年，油田內部先后完成了201口井的現場試驗，其中，勝利某鉆井公司累計應用143口井，所有的井100%使用了微擴眼工具，表1給出了該公司技術部門的工具應用效果對比。

表1 工具應用效果對比

從表1難看出：使用微擴眼器井的比例2014年為69.69%，2015年達到了100%.電測一次成功率比2014年提高了2.36%，比2013年提高了6.62%.下套管遇阻井為零，而沒有使用工具的2012年和2013年分別為3口井和2口井。2015年，143口井均達到了起下鉆暢通的水平，而沒有使用工具的2012年和2013年分別有16口井和9口井遭遇了起下鉆困難問題。

此外，油田內部的其它鉆井公司也不同程度地應用了微擴眼器，均取得了預期的效果。

2.2 勝利外部應用情況

2015年三季度，給勝利外部某公司供應兩套311.2mm大尺寸工具，先在兩口直井上進行了應用，主要為了解決該公司在曹妃甸地區二開裸眼起鉆需要全程倒劃眼的問題，工具在C6-4-4井首次應用，隨后在K10-1-16井二次使用。

C6-4-4井三開入井，入井深度509 m三開鉆進至1 100 m，平均機械鉆速78.8 m/h，全程倒劃眼起鉆，后將擴眼器拆、甩繼續三開鉆進。從參數上看，微擴眼工具對機械鉆速影響不大，在1 100m前該井為海水膨潤土漿鉆進，井徑較大，因此在擴眼方面不容易比較。

K10-1-16井是一口評價井，該井完鉆井深1 515 m，二開應用了鉆柱式雙心隨鉆微擴眼工具，自402m鉆進至1 515m，鉆遇地層為明化鎮組、館陶組（未穿），鉆具組合。起鉆難易程度對比如表2和表3所列。

表2 C6-4-4井與鄰井起鉆難易程度對比表

表3 K10-1-16井與鄰井起鉆難易程度對比表

測試過程中兩口井與對比井所鉆地層相同，鉆井參數相近，鉆井液性能相似。測試后發現鉆柱式雙心隨鉆微擴眼工具具有一定的擴徑作用；與鄰井對比，K10-1-16井減少二開井段起鉆倒劃眼效果明顯，兩口鄰井倒劃眼井段占全裸眼段的85%多，而使用工具的K10-1-16井倒劃眼井段占全裸眼段的33%多一點；鉆柱式雙心隨鉆微擴眼工具在淺井鉆進過程中對機械鉆速影響不大。

綜上所述，所研制兩種結構型式分別適合軟和中硬地層、自118 mm到311.2 mm等6種井眼常用尺寸的系列鉆柱式隨鉆微擴眼工具，單只累計實際工作時間987 h，產品已達到工業化規模應用水平，自定型以來，先后推廣應用到勝利及外部油田。累計應用628井次，有效地提高了應用井起下鉆的通暢程度和電測、下套管作業一次成功率，節約鉆井時間約200 d.

3 結束語

本文采用有限元方法開展Ⅱ型鉆柱式隨鉆微擴眼工具校核研究，分析結果表明所設計Ⅱ型鉆柱式隨鉆微擴眼工具最大許用拉力6 525.4 kN，最大許用扭矩27 kN·m.經現場應用研究，所設計Ⅱ型鉆柱式隨鉆微擴眼工具有效地提高了應用井起下鉆的通暢程度和電測、下套管作業一次成功率，為我國石油行業隨鉆擴眼技術提供了有效的設備支持。

[1]謝濤.隨鉆擴眼技術在墾利3-2油田的應用[J].石化技術，2016，23（6）：176-177.

[2]宋頤，夏宏南，徐超，等.隨鉆擴眼工具的研究與優化[J].裝備制造技術，2012（8）：282-284.

[3]余榮華，袁鵬斌.隨鉆擴眼技術研究進展[J].石油機械，2016，44（8）：6-10.

[4]夏焱.隨鉆擴眼工具結構及與之相匹配的鉆具組合設計方法研究[D].北京：中國石油大學，2007.

[5]馬清明，王瑞和.隨鉆擴眼工具及技術研究[J].天然氣工業，2006，26（3）：71-74.

[6]Sheshtawy A，Howell M.Cut costs with new BHA for re duced clearance casing programs[J].World Oil，1999（Dec）.

Strength Check and App lication Research of the TypeⅡReam ing While Drilling Tool

NIE Yun-fei，HE Yu-guang，ZHANG Rui
（Drilling Technology Research Iinstitute of Sinopec Victory Petroleum Engineering，Dongying Shandong 257000，China）

Strength check of typeⅡreaming while drilling tool is researched by finite elementmethod in this paper.The model of body and blade is built by the FEM software and the strength of them are checked respectively. The results indicate that themaximum allowable tension is 6525.4kN and the maximum allowable torque is 27kN· m.Finally，the prototype of the tool is fabricated and tested in the drilling field.It indicates that the designed tool can effectively improve the unobstructed degree of trip and the success rate of electrical logging and runing casing，which provides equipment support for while drilling technique of oil industry.

reaming while drilling；finite elementmethod；strength check；field application

TH124

A

1672-545X（2017）04-0001-04

2017-01-02

國家重大專項（編號：2016ZX05021005-003）

作者介紹：聶云飛（1975-），男，山東廣饒人，碩士研究生，高級工程師，主要從事鉆井井下工具相關研究工作。