全系列鉆桿用隨鉆剪銷過濾器設計及試驗

(中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)

圖1 常規的井下泥漿過濾器

筆者設計了2種泥漿過濾器，對其結構原理進行闡述。通過對比分析，優選設計方案。對隨鉆剪銷過濾器的外筒、剪切銷釘進行結構設計和計算，分析工具的壓降。研究結果有利于指導隨鉆剪銷過濾器的設計與研究，推動其在鉆井作業中應用。

1 結構及原理

1.1 固定式過濾器

固定式過濾器的結構如圖2所示，主要由雙公接頭、墊環、密封墊、外筒、過濾筒及底座組成。墊環、密封墊過濾筒及底座位于外筒之內；密封墊和底座與過濾筒之間采用螺紋連接，雙公接頭和墊環限制過濾筒軸向移動。當井下精密儀器需要對泥漿進行過濾時，在井口將固定式過濾器安裝在鉆柱中，無需工人爬二樓臺，降低了工人勞動強度并確保鉆井安全。鉆井液沿著箭頭方向，從雙公接頭流向過濾筒，泥漿有害固相留在過濾筒內，其余從過濾孔流向外筒與過濾筒形成的環空，繼而流出。

圖2 固定式過濾器結構示意

1.2 隨鉆剪銷過濾器

隨鉆剪銷過濾器的結構如圖3所示，主要包括外筒和過濾器總成2個部分。過濾器總成安裝在外筒內部，其由卡簧、剪切銷釘、掛套、限位套及過濾筒組成。過濾筒和掛套之間通過剪切銷釘連接，孔用彈性擋圈和限位套共同配合限制掛套的軸向位移。外筒上下端設有螺紋，與鉆桿連接。

正常鉆井時，泥漿中有害固相被隨鉆剪銷過濾器中過濾筒過濾，從而保證了井下精密儀器的安全穩定工作，滿足海上作業需求。隨著鉆井時間往后推移，隨鉆剪銷過濾器中過濾體內部有害固相持續堆積，當泥漿中有害固相填滿整個過濾筒后，流道會變窄，泵壓會變高，造成隨鉆剪銷過濾器中壓力增加。隨著壓力持續增加，剪切銷釘被剪斷，從而使得過濾筒(如圖4)向下移動。此時，過濾筒和筒體之間的環空增加，泥漿從過濾體上部泄壓孔處流至環空，確保泵壓穩定，保證井下工具作業安全穩定。隨鉆剪銷過濾器可以提前連接在鉆桿上，不需安排專人到二層臺值班，可以減輕工人工作強度。

圖3 隨鉆剪銷過濾器結構示意[5]

圖4 隨鉆剪銷過濾器剪切狀態

1.3 對比分析

對比2種過濾器可知：固定式過濾器可以降低工人勞動強度，但過濾能力有限，當過濾量過大，容易堵鉆桿流道，從而造成井下安全事故；隨鉆剪銷過濾器是在固定式過濾器基礎上加一個環空旁通，當過濾的固相累積量大時，剪切銷釘被剪斷，過濾筒下移，環空流道還可以流通，鉆桿流道不易堵塞。本文選用隨鉆剪銷過濾器，對其進行結構設計和計算，并進行試驗分析。

2 隨鉆剪銷過濾器技術參數及特點

表1 隨鉆剪銷過濾器技術參數

隨鉆剪銷過濾器的技術特點:

1) 濾除泥漿中有害固相，保證井下精密儀器的安全穩定，滿足海上作業需求。

2) 降低井架工的工作強度，減少不必要的作業程序。

3) 隨鉆剪銷過濾器外筒內壁采用等離子噴涂陶瓷涂層(Al2O3-TiO2)[6-9]，提高其耐沖蝕性能及密封性能。

4) 有害固相收滿后，剪切銷釘達到設定載荷值而自動剪斷，形成環空，不易堵鉆桿，減少起下鉆趟數。

5) 根據現場情況，鉆柱中可以加多個隨鉆剪銷過濾器，并通過設置過濾筒空隙大小，梯度配置隨鉆剪銷過濾器，以期達到最佳效果。

6) 隨鉆剪銷過濾器在鉆柱中的位置多變，可以滿足多種作業要求。

3 關鍵零件設計及分析

3.1 外筒結構設計及分析

不論直井還是復雜結構井，鉆柱將承受軸向力、轉矩及彎矩等載荷[10-11]。隨鉆剪銷過濾器作為鉆柱的一部分，受力和鉆柱基本相同。通過分析可知，隨鉆剪銷過濾器最薄弱部分為外筒壁厚最小處。由文獻[12]知，最大拉/壓力計算式為：

F=σsA

(1)

式中：F為最大拉/壓力，N；σs為材料的屈服強度，MPa ；A是工具橫截面積，mm2。

最大轉矩計算式為：

T=τW

(2)

式中：T為轉矩值，N·m；τ為許用剪切應力，MPa ；W為抗彎截面系數，與鉆柱的截面形狀和尺寸相關。

圓環的抗彎截面系數計算式為：

(3)

式中：D為圓環截面外徑，mm ；d為截面處內徑，mm。

通常，井下工具的材料為40CrMnMo/4145H ,其力抗拉強度為965 MPa,屈服強度為785 MPa。以203.2 mm規格隨鉆剪銷過濾器為例，經過計算，其可承受的最大拉力為8 500 kN，最大轉矩8 000 kN·m。查閱海洋石油鉆井手冊[13]，對比139.7 mm(5英寸)鉆桿的抗拉抗扭性能參數可知，該隨鉆剪銷過濾器的外筒強度滿足設計要求。

3.2 剪切銷釘設計及分析

隨鉆剪銷過濾器是在固定式過濾器基礎上改進而來，剪切銷釘的剪切力大小決定著該工具的使用性能，剪切力太大，則如同固定式過濾器，剪切力太小，則過濾不干凈。因此，剪切銷釘的計算尤為重要。查閱文獻[12]，工具承受的最大壓力計算式為：

Fs=pA

(4)

式中：Fs為工具承受的最大壓力，N；p為鉆井液壓力，MPa。

剪切銷釘的截面積計算式為：

(5)

式中：A1為剪切銷釘截面積，mm2；τ1為材料的許用剪切應力，MPa。

剪切銷釘的直徑計算式為：

(6)

式中：d為剪切銷釘的直徑，mm。

由表1知，203.2 mm規格隨鉆剪銷過濾器的銷釘在壓差為2～3 MPa時被剪斷，設計計算時取壓差為3 MPa。由圖5可知，過濾筒內徑為76 mm，選取剪切銷釘的材料為黃銅，材料的剪切強度為330 MPa。通過式(4)、(5)及(6)計算，可得知剪切銷釘直徑為7.24 mm。為了便于加工和裝配，本文選取2個直徑為3.5 mm的黃銅剪切銷釘，對稱裝配。

3.3 工具壓降計算及分析

在滿足鉆井功能前提下，井下鉆柱越簡單越好。當井下精密儀器對泥漿固相含量有要求時，就必須安裝泥漿過濾器。對于深井，為了返屑和井下安全，鉆柱中輔助工具的壓降最好為零。因此，有必要計算該工具的壓降。

圖5 隨鉆剪銷過濾器局部放大圖

查閱文獻[14]，隨鉆剪切過濾器的壓降計算為：

(7)

式中：pb為工具壓降，MPa；ρ為泥漿密度，g/cm3；Q為排量，L/s；C為流量系數，無因次,取C=0.95～0.98；de為當量直徑，mm。

當量直徑計算式為：

(8)

式中：dn為孔的直徑，mm。

渤海油田常見鉆遇的地層自上而下有：第四系平原組、新近系明化鎮組和館陶組、古近系東營組和沙河街組[15]。目前，在鉆沙河街組時泥漿密度為1.40～1.42 g/cm3，采用215.9 mm(8英寸)井眼完鉆，排量50～60 L/s。為了計算該工具的最大壓降，取泥漿的密度為1.42 g/cm3，排量為60 L/s，C為0.98,6個?30 mm的孔。通過式(7)和(8)計算，可得隨鉆剪銷過濾器的壓降為0.1 MPa，故對返屑影響不大，可以忽略不計。

4 模擬井試驗

4.1 試驗條件

為了驗證剪切銷釘設計的剪切力值，在中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司的試驗井場JJSY-4井對隨鉆剪銷過濾器進行銷釘剪切力試驗，試驗器材主要有ZJ50DBS鉆機、井場設備、棉紗等雜物、隨鉆剪銷過濾器、變扣及水等。泥漿泵的缸套尺寸為165.1 mm，每沖的液量為19.58 L，通過增加泵的沖次來增加泵壓。

4.2 試驗過程

試驗鉆柱組合：203.2 mm規格隨鉆剪銷過濾器(其過濾筒內塞棉紗布，如圖6)+變扣(631×410)+短鉆桿。短鉆桿與頂驅連接，泵的沖次增加到20 min-1，有清水返出，泵壓為0；泵的沖次由20 min-1增加至90 min-1，泵壓仍無明顯變化，仍有清水返出。停泵，卸開頂驅與短鉆桿，繼續向隨鉆剪銷過濾器中添加棉紗布等雜物，然后繼續接頂驅進行試驗。第2次開泵，逐步增加泵的沖次，沖次增加到100 min-1時，泵壓出現輕微波動，繼續增加泵的沖次，泵壓增加至2 MPa后回落。繼續增加泵的沖次到130 min-1時，泵壓增加到3 MPa。再繼續增加泵的沖次到140 min-1，泵壓突然降為0，并有清水返出。

圖6 隨鉆剪銷過濾器過濾筒塞棉紗布情況

4.3 結果分析

試驗結束后，拆開隨鉆剪銷過濾器，其過濾筒內部被棉紗布等雜物堵滿，剪切銷釘被剪斷，如圖7所示。第1次試驗未成功，主要是棉紗布太少，無法堆滿過濾筒。第2次試驗，剪切銷釘在泵壓3 MPa時斷裂，從而證實了剪切銷釘設計的合理性。

圖7 試驗后的隨鉆剪銷過濾器過濾筒

5 現場試驗

隨鉆剪銷過濾器于2020年在渤海油田BZ34-9區塊試用4井次，現場使用效果非常好。現場統計數據如表2。

表2 隨鉆剪銷過濾器的現場試驗數據

由表2可知，雖然隨鉆剪銷過濾器在使用過程中剪切銷釘都未剪斷，但鉆進過程中，井下精密儀器信號非常好；以A8井為例，總計漏失泥漿2 400 m3，鉆進過程多次進行堵漏作業，堵漏漿顆粒非常大(棉籽殼)，多次出現堵塞馬達和井下精密儀器情況，耽誤鉆井工期20 d。此后，在鉆柱組合中連接隨鉆剪銷過濾器，有效解決堵鉆柱水眼問題。起鉆檢查馬達和井下精密儀器，都十分干凈。檢查隨鉆剪銷過濾器，在過濾筒中有很多堵漏顆粒和有害固相。

6 結論

1) 針對井下精密儀器對泥漿固相含量要求非常高，而常規扣型鉆桿需工人從二層臺安裝泥漿過濾器和非常規扣型鉆桿無位置安裝泥漿過濾器的問題，研發了一種隨鉆剪銷過濾器，不僅能滿足所有新舊鉆井平臺要求，而且降低井架工勞動強度。

2) 對隨鉆剪銷過濾器的外筒、剪切銷釘進行結構設計和計算，并分析工具的壓降。203.2 mm規格的隨鉆剪銷過濾器，外筒的抗拉和抗扭強度遠高于139.7 mm(5英寸)鉆桿的強度，其剪切銷釘在壓降為3 MPa時被剪斷；165.1 mm規格隨鉆剪銷過濾器，其剪切銷釘在壓降為2 MPa時被剪斷； 88.9 mm規格隨鉆剪銷過濾器，其剪切銷釘在壓降為1 MPa時被剪斷。該工具的壓降幾乎可以忽略不計。

3) 現場應用4井次，隨鉆剪銷過濾器能有效過濾泥漿中的有害固相，避免了鉆井馬達和精密儀器被泥漿中的固相堵塞，減少了起下鉆作業，保證了海洋石油鉆井安全和鉆井時效。該工具具有先進性和良好的市場推廣價值。