一種新型分支井液壓旋轉工具的設計與實驗

蔣暢，劉兆年，陳杰，劉禹銘，武廣璦，葉芳平

（1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452；2.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028）

0 引言

分支井鉆完井技術因能解決海上油氣田開發中槽口緊張的問題，所以在國內外備受重視，該技術被認為是21世紀石油工業領域的重大技術之一。為了保證分支井下尾管作業的順利完成，需要設計一種液壓旋轉工具[1]。在分支井下尾管作業時，液壓旋轉工具安裝于尾管管柱連接器以下，尾管進入分支井眼遇阻時液壓旋轉工具靠上下接頭的鎖定槽與活塞上的鍵把上下管柱鎖定在一起可傳遞轉矩，保證作業時可以旋轉管柱順利通過遇阻點。尾管到位后液壓旋轉工具可以通過泥漿泵打壓剪切銷釘，銷釘剪切后水壓推動工具內部活塞繼續下行，鍵從上接頭的槽中間脫出解鎖，實現上部管柱旋轉時不再把轉矩傳遞給下部管柱，保證連接器與空心斜向器順利配合座掛[2]。

液壓旋轉工具的設計關鍵在于在其內部設計一種活塞腔，可以利用泥漿泵進行打壓，然后在一定壓力下可以推動活塞下移剪切銷釘。剪切銷釘后活塞腔里面的壓力可以繼續推著活塞上的鍵下移解除限位，以實現在上下部管柱不脫離的情況下上部管柱可以自由周向旋轉而不再傳遞轉矩給下部管柱。因此孔眼處的壓降與銷釘設計及剪切力是本工具設計的關鍵。因此，本文重點是從理論上證明液壓旋轉工具的可行性并通過現場試驗對工具的性能進行評價。

1 工具設計原理

根據分支井下尾管現場作業的基本情況分析，為了保證工具在作業過程中能順利通過開窗窗口，新設計的液壓旋轉工具的外徑應不大于φ196 mm，為了保證工具內部能通過防砂管柱，內徑不小于φ157 mm。故設計液壓旋轉工具外徑為φ196 mm，內徑為φ157 mm。為了保證尾管下入到位作業過程的安全性，不推薦使用傳統旋轉工具下壓解鎖的方式，因下壓旋轉存在尾管下入不到位的風險，所以液壓解鎖是一種理想的解鎖方式。

依據材料力學、機械設計手冊和相關標準初步形成了液壓旋轉工具的總體設計方案。液壓旋轉工具的內部結構主要由本體內部的活塞腔與起傳遞轉矩的活塞上的鍵組成，如圖1所示。工具最初為鎖定狀態，上下接頭內部有鎖定槽靠活塞上的鍵鎖定在一起，在作業中可傳遞轉矩。需要解鎖時通過泥漿泵打壓剪切銷釘，銷釘剪切后活塞下行，活塞上的鍵從上接頭的槽中間脫出，上下管柱解鎖失去約束實現自由旋轉，不再傳遞轉矩給下部管柱，而上下接頭的外層管柱通過螺紋連接仍然保持連接不脫落。此工具可以通過調整銷釘的型號與數量可實現自由調整解鎖時所需要的液壓力[3]。此液壓旋轉工具特點是液壓解鎖、結構簡單、操作簡單、安全性高。

圖1 旋轉接頭三維模型

由于液壓旋轉工具外徑與內徑的限制導致各個零件厚度較薄，為了保證作業安全，液壓旋轉工具對制造材料有高強度、高韌性的要求。經過論證，液壓旋轉工具制造材料選用40CrNiMoA合金鋼[4]。此種合金鋼是在優質碳素結構鋼的基礎上，適當地加入一種或數種合金元素（總含量不超過5%）而制成的鋼種，最小抗拉強度為980 MPa，最小屈服強度為835 MPa。由于液壓旋轉工具內部在作業時有活塞運動，故采用具有液壓動密封的O形密封圈作為主要密封件。O形密封圈應選用具有較好的耐磨性和抗撕裂性能的材料。本工具設計采用丁腈橡膠（NBR），此種材料最高溫可達130℃，具有良好的力學性能，耐礦物基潤滑油和油脂，可滿足工具內部的活塞在運動時的密封性與耐磨性要求[5]。

根據上述設計思路在計算機上做出三維模型并做出圖樣，模擬作業過程中的受力情況，經過分析，液壓旋轉工具中的下接頭螺紋退刀槽處在作業過程中承受拉力作用，且最為薄弱，根據分支井下尾管時的作業要求，工具抗拉900 kN。根據理論公式計算：

式中：F為設計最大承載拉力，取F=900 kN；D1為退刀槽處外徑，取D1=196 mm；D2為退刀槽處內徑，取D2=183 mm；σs1為設計屈服強度，MPa；σs為40CrNiMoA屈服強度，σs=980 MPa。

根據理論計算可得出，工具材料選用40CrNiMoA合金鋼，屈服強度σs1=272 MPa≤σs=980 MPa，故液壓旋轉工具強度滿足設計要求。

經過分析，液壓旋轉工具作業中需要承受轉矩時，活塞鍵傳遞轉矩最為薄弱，設計最大承受轉矩為30 kN·m，根據理論公式計算：

式中：T為設計最大承扭，kN·m，取T=30 kN·m；D3為活塞鍵外徑，取D2=180 mm；D3為活塞鍵內徑，取D3=173.5 mm；ω為設計屈服強度，MPa；τb1為設計剪切強度，MPa；τb為40CrNiMoA剪切強度，τb=686 MPa。

根據理論計算可得出，工具材料選用40CrNiMoA合金鋼，剪切強度τb1=453 MPa＜τb，故液壓旋轉工具強度滿足設計要求。

為了進一步驗證設計中工具的強度，在計算機上進行有限元分析。以900 kN軸向載荷驗證中心管強度。下連接套模型如圖2所示。在下連接套一端固定，另一端施加900 kN軸向拉力，利用有限元軟件分析了該部件的受力情況，如圖2計算結果可知，中心管最大應力為620 MPa，小于材料屈服強度，滿足強度要求[6]。

圖2 下連接套承受900 kN拉力應力云圖

由于在作業中有其他液壓解鎖工具，所以此旋轉工具的解鎖壓力要控制在一定范圍內。工具最大外徑為φ196 mm，最小內徑為φ157 mm，設定液壓解鎖，剪切壓力700 psi。通過孔眼處壓降計算公式為

再根據壓強公式計算出在700 psi活塞的推力F=PS=1711220×0.0078=13347.52 N。

選擇2個1/4 in-20unc-2A型號黃銅剪切銷釘，材質剪切值為330 MPa，單個剪切力為6068 N,單個銷釘剪切有效面積S2=18.389 mm2。銷釘被剪斷的總剪切力為

式中：Q為銷釘被剪斷的總剪切力，N；τb為銷釘材料抗剪強度，MPa。

通過理論計算在剪切壓力700 psi時，2個黃銅銷釘能被剪斷，此時液壓壓力可以推動活塞上的鍵解鎖，完成工具解鎖設計要求。

通過前期的理論推導與模型設計模擬，驗證了液壓旋轉工具采用40CrNiMoA合金鋼時的抗拉抗扭強度，以及在設計壓力下液壓旋轉工具能順利剪切銷釘以實現鎖定鍵下移，初步推導出液壓旋轉工具的可行性[7]。為了進一步驗證工具的可靠性，下一步根據液壓旋轉工具設計圖樣進行加工試制，然后用實體工具進行進一步驗證。

2 工具試驗

2.1 液壓旋轉工具試驗

為了進一步驗證液壓旋轉工具的性能及可靠性，根據圖樣要求加工好工具的各個部分，工具材料選用40CrNiMoA合金鋼，裝配2個1/4 in-20unc-2A型號黃銅剪切銷釘，整體組裝完成后運送到專業實驗室進行現場測試[8]。本次測試主要針對液壓旋轉工具是否按照既定壓力剪切以及銷釘剪切后的管體旋轉功能。

1）液壓旋轉接頭銷釘剪切測試。

液壓旋轉工具根據圖樣加工完成后進行組裝完成后，放在測試臺面上。上端連接打壓變扣，下端連接堵頭（堵頭上好轉矩保證密封性），連接試驗接頭和打壓管線，如圖3所示。確定密封之后開啟打壓泵緩慢打水壓0～700 psi，直到觀察到銷釘被剪切并記錄銷釘剪切時的壓力。銷釘剪切后穩定泵壓到700 psi觀察銷釘剪切后活塞運行狀態。當工具內活塞下行到位后泄壓完成測試。

圖3 工具打壓測試中

2）液壓旋轉接頭功能測試。

液壓旋轉工具完成銷釘剪切測試后，拆除打壓管線和試壓接頭，將里面殘余的水清除后，將工具置于臺鉗上。用游標卡尺丈量活塞是否移動到位，設計活塞向下移動59 mm活塞上的鍵能脫離鍵槽。實際上活塞移動60 mm可以確定活塞上的鍵向下位移到脫離槽的位置，已經解除鎖定狀態。接下來用臺鉗鉗牙夾工具上的接箍部分，另一端用管鉗夾住下連接套，標記初始相對位置，旋轉管鉗觀察接箍與下連接套周向方向是否有相對位移并記錄數據。

2.2 試驗結果分析

1）旋轉工具功能測試結果。

液壓旋轉工具的設計銷釘剪切壓力為700 psi，在液壓旋轉工具測試中，經過打壓泵打水壓液壓旋轉工具在壓力為4.6 MPa（667 psi）時觀察到銷釘剪切，測試數據如表1所示。銷釘剪切后觀察活塞向下移動，通過測量活塞向下位移60 mm，可以確定鎖定的鍵與槽完全脫開。拿管鉗旋轉觀察接箍與下連接套周向方向可自由移動，在做周向移動的過程中無阻力。

表1 試驗結果

圖4 銷釘剪切活塞移動到位

2）通過對旋轉接頭的地面測試，可得到如下結論：液壓旋轉工具在設計壓力下能完成銷釘剪切，并且在設計壓力下活塞鍵能移動到位，并且管體可以周向移動沒有卡阻，說明液壓旋轉工具功能性能達到設計要求，可以進行現場應用[9]。

3 結論

1）針對分支井下尾管作業時的要求，重新設計一種液壓旋轉工具，作業初期此工具上下接頭通過活塞上的鍵與槽鎖定傳遞轉矩，保證尾管順利進入分支井眼，液壓解鎖后可以使上部鉆具自由旋轉不受下部鉆具的影響，保證連接器與空心斜向器順利座掛。

2）本文參考分支井下尾管現場作業時管柱所承受的拉力及轉矩，通過工具材質的選擇以及理論計算表明，新設計的液壓旋轉工具性能可以滿足作業要求。根據現場作業時的條件限制調整銷釘的數量以及剪切所需的泵壓，通過計算表明設計的工具能滿足現場作業的要求。

3）通過設計圖樣對液壓旋轉工具進行加工試制，用實體工具進行實驗室性能測試。測試結果表明，工具能在設計壓力下能完成銷釘剪切，剪切銷釘后活塞可下移到位解鎖，上下管體可以旋轉無卡阻，由此說明此工具性能滿足設計要求。新型分支井液壓旋轉工具結構簡單、密封可靠、性能穩定，可以推廣使用。