鉆分級箍抗反扭矩工具的設計

劉玉洲，王方祥，李道松，劉康樂，李海濤

(中國石油集團渤海鉆探工程有限公司井下技術服務分公司，天津 300283)

在深井和超深井的長水泥封固段、易滲透地層及低壓油氣井易漏失段、多層壓力體系或上下溫差較大的井段固井時，通常采用分級注水泥技術，即利用連接在套管串上的分級箍將固井段分成多段，分多次完成注水泥作業[1～7]。水泥凝固后，為保持井筒暢通，需使用油管連接螺桿鉆具+六棱鉆頭下至分級箍位置，將分級箍內部的關閉塞、重力塞等鉆磨掉[8～10]。鉆頭鉆磨金屬材質的關閉塞、重力塞時，入井管柱受到鉆頭的支反力，產生反向扭矩而反轉，減小了傳遞到鉆頭的有效扭矩，導致鉆頭進尺慢，鉆分級箍難度大、效率低，嚴重影響了施工進度[11～13]。目前，井下作業的常規做法是采用管鉗或纏懸繩將管柱固定，抵消鉆進時的反向扭矩，但該方法存在安全隱患且效果不明顯。為安全有效地解決鉆分級箍時管柱反轉的問題，筆者設計了一種操作簡單的抗反扭矩工具，利用數值模擬方法對關鍵部件的結構進行了優選，并通過現場應用驗證了工具設計的合理性和有效性。

1 抗反扭矩工具的總體結構

為防止入井管柱反轉，在井口安裝抗反扭矩工具，如圖1所示。抗反扭矩工具主要包括工具支架、力臂環、工具短節和短節套，工具支架是由圓柱滑軌和半月形鋼板底座(見圖2)焊接而成，利用加強筋加固。力臂環與短節套通過六方鋼柱焊接，組成抗反扭矩工具傳遞反向扭矩的橋梁。工具短節為多面柱體，與短節套的多面孔配合(見圖3)，常用傳遞扭矩結構主要包括四方、六方、八方和花鍵結構。

圖1 抗反扭矩工具及管柱結構示意圖 圖2 工具支架示意圖

圖3 六方配合力臂環與短節套示意圖

抗反扭矩工具的工作原理如下：在鉆分級箍時，工具支架下端的半月型鋼板底座與自封封井器下法蘭的螺栓孔眼對齊，使用250螺栓牢固固定，而自封封井器與雙閘板防噴器緊固，相當于將工具支架固定于地面上。安裝時，將工具短節連入鉆分級箍管柱上，與之配合的短節套套入工具短節，同時將力臂環套入圓柱滑軌，并在工具短節的上端連接水龍帶。鉆進過程中，開泵正循環動力液使螺桿鉆具帶動六棱鉆頭鉆磨分級箍，如果產生反向扭矩，入井管柱和工具短節帶動與之配合的短節套有反轉的趨勢，此時，短節套在力臂環和工具支架的限制下，反向扭矩傳遞至工具支架，而工具支架與自封封井器固定連接，從而有效抵抗反向扭矩的作用，防止入井管柱反向轉動。力臂環在圓柱滑軌上隨著鉆頭鉆進向下滑動，不影響正常鉆進過程。

2 工具短節結構優選

工具短節是抗反扭矩工具的關鍵部件，是井底反向扭矩與井口抵抗力的直接作用點，其剛度和強度條件直接影響了抗反扭矩工具的施工效果。工具短節的四方、六方、八方和花鍵結構如圖4所示。由于工具短節不僅受到反向扭矩的作用，還受到工具內腔中高壓流體的表面壓力、入井管柱和吊卡的拉力，受力情況復雜，不適合利用解析法求解。所以，筆者采用數值模擬方法，以工具短節在反向扭矩作用下同時滿足剛度和強度條件為原則，優選其結構。

2.1 物理模型

工具短節的物理模型建立時，忽略螺紋等對剛度、強度影響不大的因素。將入井管柱簡化為長100mm、外徑80mm的軸套，給工具短節施加反向扭矩。工具短節另一端施加固定約束，自由度為零，即為反扭矩工具對反向扭矩的抵抗作用，防止管柱反轉。與?2in油管連接，工具短節長度l為600mm，外接圓直徑D為73mm，內徑d為62mm。施加約束和載荷后建立的物理模型如圖5所示。

由于工具短節與軸套均為規則的薄環形實體，因此采用掃掠網格法劃分網格[14]，如圖6所示。四方結構共劃分36316個節點和10800個單元，六方結構共劃分33822個節點和10380個單元，八方結構共劃分42460個節點和13460個單元，花鍵結構共劃分54944個節點和17400個單元。

2.2 計算條件

為模擬工具短節和軸套之間的接觸，采用增強的拉格朗日方法控制兩者間的互相穿透，保證求解結果的精確性。法向剛度設置為1，法向剛度因子設置為1，設置法向剛度在每次迭代求解后自動更新，以保證其收斂性。在模型中笛卡爾坐標系的基礎上建立圓柱坐標系，并添加圓柱坐標系下的切向位移云圖和等效應力云圖等求解項，在ANSYS中進行求解。

圖4 工具短節的結構 圖5 物理模型

圖6 工具短節網格劃分圖

2.3 結果分析

2.3.1 剛度條件

剛度計算即考察工具短節在扭矩作用下發生扭轉變形的大小，以單位長度扭轉角為判斷標準。根據機械設計手冊[15]，工具短節屬于一般傳動軸，選擇其許用單位長度扭轉角為1°。工具短節應滿足剛度條件為：

(1)

式中：θ為單位長度扭轉角，(°)；l為工具短節長度，m；γ為最大切向位移，m；D為外接圓直徑，m;[θ]為許用單位長度扭轉角，(°)。

通過數值模擬獲得四方、六方、八方和花鍵結構工具短節的切向位移云圖，如圖7所示。由圖7可見，四方結構工具短節的最大切向位移為1.194mm，通過式(1)計算得單位長度扭轉角為1.87°，不滿足剛度條件；六方結構工具短節的最大切向位移為0.357mm，通過式(1)計算得單位長度扭轉角為0.56°，滿足剛度條件；八方結構工具短節的最大切向位移為0.457mm，通過式(1)計算得單位長度扭轉角為0.72°，滿足剛度條件；花鍵結構工具短節的最大切向位移為0.387mm，通過式(1)計算得單位長度扭轉角為0.61°，滿足剛度條件。比較六方、八方和花鍵結構工具短節的單位長度扭轉角可知，在工具短節的外接圓半徑和長度相同的條件下，傳遞相同的扭矩時，六方結構工具短節的扭轉變形最小，最安全可靠。

圖7 工具短節切向位移云圖

2.3.2 強度條件

工具短節的加工材料為45#鋼，屈服強度為355MPa，安全系數取2，許用應力為177.5MPa。通過數值模擬獲得工具短節的等效應力云圖，如圖8所示。取云圖中最大等效應力與許用應力對比，若小于許用應力，則滿足強度條件。

由圖8可見，四方結構工具短節的最大等效應力為318.88MPa，不滿足強度條件，不能滿足設計安全需求；六方結構工具短節的最大等效應力為152.06MPa，八方結構工具短節的最大等效應力為170.67MPa，滿足強度條件；花鍵結構工具短節的最大等效應力為254.72MPa，由于花鍵結構的外表面加工出多個溝槽，使得整體強度降低，最大等效應力增大，不能滿足強度條件。由以上分析可知，六方結構和八方結構同時滿足剛度條件和強度條件，但八方結構的單位長度扭轉角和最大等效應力均大于六方結構，在傳遞相同的扭矩時八方結構更易發生扭轉破壞和屈曲變形，并且在加工難度上講，八方結構比六方結構更難加工，因此，確定工具短節為六方結構。

圖8 工具短節等效應力云圖

3 現場應用

該抗反扭矩工具在現場應用10余口井，現以2018年4月在大港油田羊1H11井的現場應用為例。大港油田羊1H11井使用?139.7mm油層套管，造斜點898.57m，完鉆井深1630m，水平段長163m，井斜角90°，分級箍所在井深1506m，長度0.84m。完井管柱結構自下而上為：?139.7mm雙閥式引鞋(1627m)+?139.7mm短套管+?139.7mm多功能洗井閥(1625m)+?139.7mm精密復合濾砂管串(1623～1560m)+?139.7mm短套管+?139.7mm盲板(1521m)+?139.7mm短套管+?190mm裸眼封隔器2套(兩端加?210mm扶正器，1518～1509m)+?139.7mm短套管+?168mm分級箍(1506m)+?139.7mm套管串(至井口)，見圖9。

圖9 完井管柱示意圖 圖10 螺桿鉆具和六棱鉆頭 圖11 現場應用

4 結論

1)設計了一種解決鉆分級箍時管柱反轉問題的抗反扭矩工具，通過工具短節與短節套的配合，在力臂環和工具支架的限制下，有效抵抗反向扭矩的作用，防止入井管柱反向轉動。

2)以工具短節在反向扭矩作用下同時滿足剛度和強度條件為原則，利用數值模擬方法優選工具短節為六方結構。

3)抗反扭矩工具結構簡單、安全有效，現場應用中，可提高機械鉆速126%，施工過程中無任何受力薄弱環節，徹底解決了鉆分級箍時出現的管柱反轉問題。