NTQ248-25Y型無牙痕套管動力鉗研制

朱明坤，李志剛，楊 毅，馬曉偉，李玉海

(大慶油田鉆探工程公司 鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413)

大慶油田經過60多a的高效開發，常規油氣資源已經進入開發的中后期。隨著油氣田開發逐漸深入，為應對井下硫化氫腐蝕套管的問題，油田已陸續將氣井、頁巖油井和高含硫油井中的普通低碳合金鋼套管更換為耐蝕合金(CRA)套管或雙防硫套管。這些防腐蝕的合金套管的材質較軟，且表面鍍有防腐層，常規套管動力鉗在進行套管單根連接時，套管連接處被啃上深深的咬痕，表面防腐層被完全破壞，加速了硫化氫對套管的腐蝕，縮短了套管的使用壽命[1]。通過分析修井現場套管表面的腐蝕坑分布，能夠明顯地發現套管上腐蝕最嚴重的點呈現有規律的分布，恰好和套管動力鉗的咬痕相吻合[2]。針對這一問題，有必要研制無牙痕套管動力鉗，消除套管動力鉗對套管的損傷，減緩硫化氫對套管的腐蝕，增加套管的使用壽命，為大慶油田實現降本增效提供技術支持。

1 無牙痕鉗牙的設計

套管動力鉗大多采用內曲線爬坡滾子式的鉗頭夾緊機構，利用斜面增壓的原理對套管動力鉗鉗頭施加壓力，從而卡緊套管。保證套管動力鉗正常工作的關鍵是提高套管動力鉗鉗頭夾緊機構的可靠性，通常的做法是采用硬度大、牙板齒較尖的金屬鉗牙，牙板齒越尖，金屬鉗牙與套管間的靜摩擦因數越大[3]，產生的摩擦力也就越大。常規套管動力鉗的每個鉗頭上配有2塊寬3 cm左右的條形金屬鉗牙，齒型一般為楔形或錐形。在坡板推動鉗頭夾緊套管的過程中，鉗牙吃入并咬緊套管，在套管表面形成咬痕[4]，進而損傷套管。

近年來，部分生產廠家研制出各種微牙痕鉗牙，其基本原理是采用硬度較低20Cr(硬度44 HRC[5])代替T8碳素鋼(硬度最小為56 HRC)作為鉗牙材料，將條形鉗牙改為圓弧形鉗牙，將常規的楔形齒、錐形齒改為金字塔形細齒，增加鉗牙與套管的接觸面積，可以減輕鉗牙對套管的咬痕，但當鉗牙出現磨損，或鉗頭與套管間有一定錯位時，微牙痕鉗牙也會在套管表面留下較深的咬痕。

嘗試改變鉗牙材料，使用非金屬彈性材料作為鉗牙材料，在保證套管上卸扣能力的前提下，最大限度地保護套管表面，同時提高鉗牙的使用性能。

1.1 無牙痕鉗牙的材料優選

常規套管動力鉗使用的金屬鉗牙普遍采用硬度高的碳素鋼或低合金鋼制作而成，為提升鉗牙壽命指標，在生產制作時還會采用滲氮的方式來進一步提高鉗牙的表面硬度。目前各大油田常用的套管中，耐蝕合金C110套管的硬度最大為30 HRC[6]，遠遠低于這些金屬材料鉗牙的硬度?，F場應用也表明，在鉗牙壽命指標(套管動力鉗鉗牙為500次[6])內上卸扣時，隨著上扣轉矩的增大，金屬鉗牙對套管表面的破壞也逐漸增大。上扣轉矩較小時，套管表面的損傷呈現出與鉗牙齒型相應的點狀分布，上扣轉矩增大到一定值后，套管表面的損傷呈現為片狀或帶狀，若在上扣時鉗頭打滑，套管表面甚至會出現環形損傷，如圖1所示。

圖1 常規套管動力鉗上扣完成后套管表面破損情況

為最大限度保護套管表面，應選用硬度更低的非金屬材料制作鉗牙。

綜合考慮鉗牙的工作環境以及工作狀態可知，鉗牙材料需具備耐磨損、耐腐蝕、強度高等特點，此外更關鍵的是，鉗牙材料與套管間還應具有較大的靜摩擦因數。在常見的非金屬材料中，橡膠與各種金屬的靜摩擦因數均較大，且橡膠的性能可調節，經過塑煉、混煉、硫化處理后的復合橡膠具有非常好的綜合性能。優選復合橡膠作為鉗牙的材料，并通過調整復合橡膠配方和制作工藝+室內試驗的方式篩選出最符合要求的鉗牙材料。室內試驗共測試了10多種鉗牙材料，這里只列舉其中3種做對比分析，如圖2所示。

圖2 3種非金屬材料制造的無牙痕鉗牙

試驗前先將制作好的橡膠板按照設計的尺寸裁剪，安裝在新設計的顎板總成上。接通液壓站，操作套管動力鉗進行套管上扣，通過轉矩儀實時讀取上扣轉矩值，如圖3所示。

圖3 無牙痕鉗牙測試現場

無牙痕套管動力鉗工作時，無牙痕鉗牙與套管間是彈性接觸，橡膠牙板在摩擦接觸面產生彈性形變，使摩擦現象復雜化，其摩擦因數與環境溫度、濕度等環境條件和滑動速度、接觸面積、載荷、摩擦對偶材料的材質和摩擦面的狀態等相關[7]。因此需對試驗時的環境條件、加載情況、接觸面積一一記錄，再對比分析。

在室內溫度為25 ℃、干燥條件下，使用裝有無牙痕顎板總成的常規套管鉗對規格為139.7 mm的耐蝕合金套管進行50次上卸扣，用轉矩儀記錄顎板總成打滑時的上扣轉矩，并觀察套管表面牙痕和無牙痕鉗牙的磨損情況。試驗結果表明，鉗牙材料的硬度、鉗牙與套管接觸面的面積對上扣轉矩的影響十分明顯，試驗數據如表1所示。

表1 無牙痕鉗牙室內試驗數據

1.2 無牙痕鉗牙的結構設計

鉗牙設計成與套管同心的圓弧型，設計有一定的過盈量，保證鉗牙與套管充分接觸；增加鉗牙的軸向長度以提高鉗牙與套管間的接觸面積；鉗牙的背部設計梯形棱條，以提高鉗牙的傳扭能力，圖4為無牙痕鉗牙的結構示意圖。

L-鉗牙長度；R-鉗牙曲率半徑；δ-鉗牙厚度；θ-鉗牙弧度。圖4 無牙痕鉗牙結構示意圖

1.3 鉗牙最小接觸面積計算

作業時套管表面不發生塑性形變，鉗牙與套管間的壓力要低于套管的彈性極限，鉗牙與套管間的靜摩擦力矩要大于等于上扣轉矩，由此可計算出鉗牙的最小包絡面積S。

(1)

式中：p為套管表面壓壓應力；Nmax為套管鉗輸出的最大徑向力；σ1為套管的彈性極限；Mf為靜摩擦力矩；M為上扣轉矩；σ2為鉗牙橫向抗拉強度；S為鉗牙與套管的最小接觸面積。

2 套管動力鉗夾緊機構優化設計

套管動力鉗夾緊機構分為鉗頭機構總成和制動機構[8]。工作時，液壓馬達驅動傳動齒輪組和缺口齒輪轉動，此時制動機構會剎住顎板架和顎板總成，缺口齒輪相對剎住的顎板總成轉動。固定在缺口齒輪內圓柱面上的坡板擠壓顎板總成滾輪，在坡板與滾輪的接觸點，動力分解為一個切向力Fs和一個徑向力N，徑向力N迫使鉗牙吃入并咬緊套管，切向力Fs推動鉗牙和套管旋轉上扣，這2個力都來自同一個動力源，同時又必須按一定的比例增加或減少， 這個比例關系的比值就叫切徑比，用“m”表示。

2.1 鉗頭機構總成優化設計

常規套管動力鉗工作時，由于被牙板咬合的套管發生了塑性變形, 所以牙板與套管間的靜摩擦因數>彈性接觸的摩擦因數[3]。鉗牙材料換為復合橡膠后，無牙痕鉗牙與套管間變為彈性接觸，鉗牙與套管間的靜摩擦因數降低，由第二摩擦力定律可知，摩擦力與兩物體的法向載荷成正比[9]，此時欲獲得較大的摩擦力，需提高徑向力N，降低套管的切徑比m。

圖5為鉗頭機構夾緊套管時的受力分析圖，切徑比的值可以參考如下公式計算[10]：

圖5 鉗頭機構夾緊套管時的受力分析

(2)

切徑比和多種因素有關，影響最大的就是坡板內面的形狀及坡板工作點的坡角[8]。據國內外現場試驗的經驗數據,m值一般取值為在0.3～0.6，而對于無牙痕套管鉗而言,較低的切徑比更有利于夾緊套管，因此m值取0.35～0.40較為合適。設計無牙痕套管鉗頭時，可以通過調整鉗頭的滾輪尺寸、坡板曲線、缺口齒輪內曲線等參數實現切徑比m的數值調整。

圖6 為調整參數后的無牙痕套管鉗的缺口齒輪，采用直接在缺口齒輪內壁銑出漸開線式的坡板曲線，并設計更長的坡板曲線，較小的工作點坡角角度，在降低切徑比的同時，也增大了鉗體內部空間，同時還簡化了爬坡機構，便于現場維護保養。

圖6 無牙痕套管鉗缺口齒輪

2.2 制動機構優化設計

制動機構主要由剎帶、固定鋼板、固定塊、調節螺栓構成。其工作原理是，通過緊固調節螺栓，使固定鋼板壓迫剎車帶貼緊顎板架，使剎車帶與顎板架間產生摩擦力，在鉗頭機構轉動時，給顎板架提供一個制動力矩。在鉗頭機構轉動的過程中，制動力矩的大小決定了鉗頭機構夾緊工作角的大小。如果制動力矩太小，使得動力鉗傳遞的轉矩無法到達上卸管具所需要的轉矩，也會出現打滑現象[11]?，F有的液壓動力鉗一般只有上顎板架配有1套帶式剎車機構，鉗頭機構在軸向上的受力不對稱。從加大制動力矩和平衡受力方面考慮，設計一種新型的制動機構，如圖7所示。

1—殼體 ；2—缺口齒輪；3—上顎板架；4—下顎板架；5—顎板總成；6—剎帶調節螺栓；7—剎帶固定塊；8—剎帶固定鋼板；9—剎帶。圖7 無牙痕套管鉗鉗頭結構示意

該機構有上、下2套帶式剎車機構，一方面可提供原來單套剎車機構的2倍的制動力矩，為夾緊套管提供足夠的制動力矩；另一方面可以使夾緊機構上下受力對稱，有效減小缺口齒輪因受力不均而造成的變形。

3 室內試驗

無牙痕套管鉗主鉗采用液壓馬達和行星輪的方式驅動，背鉗采用液壓油缸和漸開線爬坡滾子驅動。背鉗配備與主鉗結構一樣的無牙痕顎板總成，并配備有RSNY-F型動力鉗轉矩控制儀，可對轉矩進行實時的監控。對整體優化后的無牙痕套管鉗進行室內模擬試驗，模擬工況條件為在室內溫度25 ℃、干燥條件下，分別對大慶油田區塊常用的3種規格耐蝕合金套管進行100次的上、卸扣，觀察套管表面牙痕及鉗牙磨損情況，記錄鉗頭打滑時的上扣轉矩值，如表2所示。

表2 無牙痕套管鉗室內模擬試驗結果

試驗結果表明，NTQ248-25Y型無牙痕套管動力鉗在鉗頭打滑時的上扣轉矩均超過表2中3種套管的最佳上扣轉矩值，且完成上扣后套管表面牙痕深度均小于0.1 mm，該套管鉗可以滿足規格為114.3、139.7、177.8 mm的耐蝕合金套管的無牙痕上卸扣作業。

4 現場應用

目前已累計進行了10余口頁巖油井和天然氣井的現場推廣和應用。在現場試驗過程中，NTQ248-25Y型無牙痕套管動力鉗能完成對應規格耐蝕合金套管的全部下入、起出工作。在背鉗與主鉗的配合下，套管能自動扶正對扣，上扣過程平穩，主鉗、背鉗鉗頭夾緊可靠，操作簡便，工作效率高。圖8為PF208-P1井下入的P110套管的上扣轉矩數據界面。

圖8 PF208-P1井下入P110套管的上扣轉矩數據界面

從圖8中可以看出，RSNY-F型動力鉗轉矩控制儀可實時監控轉矩、轉速和圈數的變化。分析轉矩曲線可知，上扣過程中沒有出現轉矩忽高忽低的現象，說明上扣過程鉗頭沒有出現打滑，而在曲線的最后，轉矩急劇上升出現拐點，說明此時套管已上扣至臺肩處。繼續上緊至最佳轉矩值，當上扣到達最佳轉矩時，系統自動切斷套管鉗動力，曲線直線下降。整個套管上扣過程平穩、迅速，對上扣轉矩實現了全程實時、精確的控制。

圖9為套管牙痕對比，圖9a為美國ECKEL Model 5Hydra-Shift VS Power Tong微牙痕套管鉗對套管產生的牙痕，可以看到大面積點狀分布的牙痕, 雖然在一定程度上減輕了對套管本體的破壞，但個別地方的牙痕深度仍然較深，深度約在0.5～1.0 mm，隨著上扣轉矩的增加，牙痕深度將更加明顯。圖9b為NTQ248-25Y型無牙痕套管動力鉗上扣后的套管，可以看到套管本體表面完好無破損，完全沒有牙痕，真正實現了無牙痕套管上扣作業。

圖9 套管牙痕對比

5 結論

1) 研制的NTQ248-25Y型無牙痕套管動力鉗在選用非金屬材料的鉗牙的前提下，通過對鉗體夾緊機構和制動機構的重新設計，提高套管鉗的徑向力，利用無牙痕鉗牙與套管間的摩擦轉矩，可完成相應規格套管的單根連接。

2) 現場應用表明，該套管鉗能完成規格為114.3～177.8 mm的耐蝕合金套管的上扣作業，且套管表面完全沒有牙痕，最大限度地對套管進行了保護，在高含硫的油氣井中，可以提高套管的使用壽命。

3) 該套管鉗的成功研發為大慶區塊提高固井質量、預防井下套損、降低修井頻次提供了技術手段，具有顯著的經濟效益。