高強度柔性鉆桿研制及試驗

基金項目：湖北省教育廳重點科學研究項目“不同鉆井工況下溢流識別算法及自動化關井機理研究”（D20201305）。

馬濤，張萬棟，方勝杰，等.高強度柔性鉆桿研制及試驗54-61

Ma Tao，Zhang Wandong，Fang Shengjie，et al.Development and test of high-strength flexible drill rod54-61

隨著超短半徑鉆井水平距離逐步延伸，對其中重要工具柔性鉆桿的力學與密封性能不斷提出更高的強度要求。針對現階段柔性鉆桿結構強度要求高、壽命短、密封難的問題，研制了一種高強度柔性鉆桿，采用球鉸結構連接鉆桿短節，使節與節既可以彎曲一定角度，又可以傳遞扭矩和鉆壓。利用有限元軟件建立了該柔性鉆桿單節三維有限元模型，采用應力分類法對柔性鉆桿結構強度進行校核。開展了三節柔性鉆桿的抗拉、抗壓、抗扭結構強度以及承載后的密封性能的室內試驗。試驗結果表明：所研制的高強度柔性鉆桿單獨受載時，在承受31 kN·m極限扭矩，1 120 kN拉伸載荷，270 kN壓縮載荷時仍能滿足強度要求。所得結論可為油田高強度柔性鉆桿的研制提供理論依據。

柔性鉆桿；超短半徑；有限元分析；等效應力；室內試驗

TE921

A

007

Development and Test of High-Strength Flexible Drill Rod

Ma Tao1" Zhang Wandong1" Fang Shengjie1" Wu Jiang1" Dong Kai2" Liu Xianming3

（1.Zhanjiang Branch of CNOOC （China） Co.，Ltd.；2.China Oilfield Services Limited；3.School of Mechanical Engineering，Yangtze University）

As the horizontal distance of ultrashort-radius drilling gradually extends，higher strength requirements are constantly being put forward for the mechanical and sealing performance of the flexible drill rod.In order to solve the existing problems of flexible drill rod such as high structural strength requirements，short service life and difficult sealing，a high-strength flexible drill rod was developed.A ball pivot structure was used to connect the pup joints of the drill rod，allowing the joints to bend at a certain angle while transmitting torque and WOB.The finite element software was used to build a 3D finite element model for single joint of the flexible drill rod，and the stress classification method was used to check the structural strength of the flexible drill rod.Finally，laboratory test was conducted on the tensile，compressive and torsional structural strength and load-bearing sealing performance of 3-section flexible drill rod.The test results show that when the developed high-strength flexible drill rod was loaded alone，it can still meet the strength requirements when subjected to an ultimate torque of 31 kN·m，a tensile load of 1 120 kN and a compressive load of 270 kN.The conclusions provide a theoretical basis for the development of high-strength flexible drill rods in oilfields.

flexible drill rod；ultrashort-radius；finite element analysis；equivalent stress；laboratory test

0" 引" 言

隨著油氣資源的不斷開采，油氣儲量不斷減少，已開發的常規油田多數已進入開采后期，“三低一高”問題（產量低、采收率低、經濟效益低、含水高）日益突出且注水效率低，無效水循環現象嚴重［1-2］。由于各油田公司重視老井產能恢復，迫切需要對老井進行改造［3］，故如何高效開發剩余油氣資源便成為目前亟需解決的問題。超短半徑多分支徑向水平井技術可提高單井產量和采出程度，達到增產增效的目的［4-6］。超短半徑多分支徑向水平井技術是指沿井眼的不同半徑方向鉆出的多個水平井眼，其曲率半徑一般為1～4 m，遠小于短半徑水平井（5.73～19.10 m）和中半徑水平井（86.0～286.5 m）［7-8］，其中柔性鉆桿是該技術中的重要工具。

柔性鉆桿是由多個鉆桿短節首尾連接而成，節與節之間可以一定角度彎曲。多個鉆桿通過短節彎曲角度的疊加，能實現從豎直到水平段的轉變，進而能夠進行超短半徑的徑向水平井鉆井作業［9］。柔性鉆桿一般位于鉆具組合底部，與鉆頭或者柔性鉆具相連，起到傳遞鉆壓、扭矩以及壓力的作用。近年來，超短半徑鉆井技術在國內不斷發展與應用［10-12］，擴大現場應用范圍，延長鉆井距離逐步成為柔性鉆桿新的目標，因此對柔性鉆桿力學與密封性能提出了更高的要求［13］。徐亭亭等［14］通過數值模擬與室內試驗的方法得到了柔性鉆桿極限承載扭矩2 kN·m，但其扭矩值較低。郭瑞昌等［15］分析了鉆具屈曲、額定泵壓、目的層破裂壓力和鉆具強度等因素對側鉆水平井水平段極限延伸長度的影響，并給出了相應的計算公式，為確定側鉆水平井的設計和鉆具的設計提供了參考。張紹林等［4］利用 ANSYS 有限元分析軟件對柔性鉆具關鍵承力部件進行靜應力仿真分析，柔性單元球頭配合副抗扭強度大于20 kN·m。劉鶴等［16］通過室內試驗測試了柔性鉆桿的力學以及密封性能，在拉伸載荷435 kN時，工具長度沒有明顯變形，且在單獨內壓15 MPa下密封無泄漏。王建龍等［17］分析了鉆具屈曲、額定泵壓、目的層破裂壓力和鉆具強度等因素對側鉆水平井水平段極限延伸長度的影響，并給出了相應的計算公式，為確定側鉆水平井的設計和鉆具的設計提供了參考。陳培亮等［18］研究了鈦合金材料在短半徑水平井鉆桿中的使用性能，與其他鋼鉆桿對比研究結果表明：在鉆桿的使用過程中，鈦合金鉆桿的側向力、扭矩和摩阻均小于鋼鉆桿，尤其是摩阻約為鋼鉆桿的60%。朱青林等［19］為保障柔性鉆桿的密封性能，對設計的一種Ｏ形圈球面密封結構開展數值模擬和試驗研究，通過數值模擬分析了密封間隙、流體壓力、轉動角度以及有無擋環等因素對Ｏ形圈 von Mises 應力、接觸應力、有效密封寬度等密封特性參數的影響，通過試驗檢證了密封結構的可靠性。

綜上所述，目前研制的柔性鉆桿力學承載能力受限，且對于承載后的密封性能研究較少。為此，筆者設計了一種高強度柔性鉆桿，通過數值模擬和室內試驗方法，對柔性鉆桿抗拉、抗壓、抗扭力學性能及承載后的密封性能進行分析。

1" 柔性鉆桿設計

1.1" 整體結構

柔性鉆桿主要包括柔性彎曲機構、扭矩傳遞機構、球面密封機構及工具連接接頭。柔性鉆桿的扭矩傳遞主要包括2方面：①相鄰鉆桿短節間的傳遞，通過連接在球座與球頭連桿之間的柱鍵實現，如圖1所示；②單個鉆桿短節內各零件之間的傳遞，通過相互之間螺紋連接的方式實現。采用異形密封圈與O形圈組合密封，可避免O形圈直接與泥沙接觸，從而造成磨損加劇。兩端采用NC38標準扣型，可與其他工具連接。柔性鉆桿加工實物如圖2所示。

1.2" 單節彎曲角度設計

假設柔性鉆桿每節為剛性，確定柔性鉆桿每節長度，也就是使柔性鉆桿單節不彎曲，能通過曲率半徑的井壁，則有柔性鉆桿內徑為D0，柔性鉆桿與井壁的間隙為D-D0，如圖3所示。

由圖3可知，在直角三角形OAB中：

Lmax22+R+D0-D22=R+D22（1）

式中：Lmax為柔性鉆桿每節長度的最大值，mm；R為曲率半徑，m；D0為柔性鉆桿內徑，mm；D為井眼直徑，mm。

由式（1）得出柔性鉆桿每節長度的最大值為：

Lmax=22RD-D0-D02+DD0（2）

每節彎曲的角度為：

θ=90°×2LπR（3）

式中：L為柔性鉆桿每節長度，mm。

已知井眼直徑D=142 mm，柔性鉆桿外徑D0=132 mm，曲率半徑R=3.6 m，將參數代入式（1）～式（3）可得：Lmax=541.6 mm。單節柔性鉆桿長度不同，對應不同的單節彎曲角度，如圖4所示。最終選取單節長度L為240 mm，彎曲段24節，每節彎曲角度θ為 3.8°。

1.3" 柱鍵直徑設計與計算

柔性鉆桿承受扭矩，柱鍵易發生剪斷，故對柱鍵開展設計計算。柱鍵數量n=6，球頭連桿球頭處的直徑D=104 mm，柱鍵直徑為dj，柱鍵嵌入球座的深度h=10 mm，柔性鉆桿承受扭矩M=25 kN·m，柱鍵材料選用35CrMo，剪切強度τs=501 MPa。柱鍵與球頭連桿受力如圖5所示。柱鍵易發生剪斷，故通過剪切強度公式：

djgt;8KMnπDτs（4）

式中：K為安全系數，K=1.5。選取柱鍵直徑dj，經式（4）計算可知dj=18 mm。

1—柱鍵;2—球頭連桿。

2" 柔性鉆桿有限元分析

2.1" 材料模型建立

柔性鉆桿材料選用35CrMo。35CrMo是一種高強度結構鋼，具有高強度的同時，又有較強的韌性和較高的疲勞極限，其真實應力應變曲線［20］如圖6所示。為準確分析結構的應力應變等參數，材料本構模型采用多線性隨動強化模型。

2.2" 正常鉆進時強度評價

2.2.1" 有限元模型建立

根據現場工作中柔性鉆桿的工作狀態，將柔性鉆桿分為2種工況：造斜段和水平段。不論造斜段還是水平段，柔性鉆桿都要同時承受鉆桿軸向力和扭矩的作用。由于柔性鉆具內外壓差較小，故在進行力學分析時忽略內部鉆井液壓力的作用。對模型進行簡化，將單節柔性鉆桿作為有限元分析對象，簡化模型，建立有限元分析模型如圖7所示。忽略螺紋連接強度，本體與球座采用綁定連接，球座與柱鍵、柱鍵與球頭連桿、球頭連桿與球座，均采用摩擦接觸，摩擦因數0.13。根據現場工況，給定邊界條件：本體螺紋處固定，球頭連桿右端面承受200 kN壓力，球頭連桿螺紋連接處承受10 kN·m扭矩。

2.2.2" 結果分析

單節柔性鉆桿鉆進時等效應力及總變形如圖8所示。通過柱鍵傳遞扭矩的方式，會導致接觸部位局部出現應力集中現象，最大等效應力為973.18 MPa，已經超出了材料的屈服極限。按照一般理論，此時結構顯然已經不安全，但對于柱鍵傳扭結構而言，采用一般的評價標準過于保守，故應選用應力分類法［21］。

柱鍵與球頭連桿、球座產生了峰值應力，其中球頭連桿、球座峰值應力不在危險截面上，在靜強度分析可不予考慮，但在疲勞設計中要加以限制，球頭連桿危險截面最大等效應力為272.54 MPa。本體最大等效應力272.54 MPa，柱鍵最大等效應力973.18 MPa，其危險截面等效應力分布如圖9所示。3個危險截面中最大平均等效應力408.6 MPa，柱鍵危險截面平均等效應力小于屈服強度，可認為柱鍵整體強度滿足設計要求。故單節柔性鉆桿在抗扭10 kN·m，抗壓200 kN工況下，滿足靜強度要求。

2.3" 遇阻時強度評價

2.3.1" 有限元模型建立

超短半徑鉆進時，柔性鉆桿位于鉆具組合底部，承受扭矩和鉆壓。但遇阻卡鉆時，柔性鉆桿需要承受較大的拉力來提鉆，故對柔性鉆桿承受拉伸載荷進行評價。軸向拉力通過球座和球頭連桿以及螺紋傳遞，軸向拉力900 kN，忽略螺紋連接強度，對模型進行簡化，建立有限元分析模型如圖10所示。球座與球頭連桿采用摩擦接觸，摩擦因數0.13。邊界條件：球座左端固定，右端受900 kN拉力。

2.3.2" 結果分析

分析結果顯示，鉆桿局部會發生小區域屈服現象，存在峰值應力，對整體結構強度影響較小，故改用彈塑性有限元分析，得到單節柔性鉆桿鉆進時等效應力及總變形如圖11所示。整體最大等效應力886.15 MPa，屈服強度835 MPa，球座局部發生了小范圍屈服，屈服區域較小，且最大等效應力小于抗拉強度980 MPa，球頭連桿最大等效應力627.01 MPa，安全系數1.33，整體總變形0.606 mm，故單節柔性鉆桿抗拉極限強度不小于900 kN。

3" 柔性鉆桿承載及密封試驗評價

為更好地模擬接近井下柔性鉆桿的實際工況，基于常規的拉伸、壓縮、扭轉進行室內試驗，同時通入內壓。試驗采用完成裝配的3節柔性鉆桿及上下接頭，柔性鉆桿兩端安裝堵頭，并對其進行密封處理。測試柔性鉆桿抗拉、抗壓和抗扭轉性能以及在加載下的密封性能。

3.1" 拉伸帶壓試驗

3.1.1" 試驗過程

拉伸帶壓試驗在一臺拉壓試驗機和壓力泵上進行，如圖12所示。向柔性鉆桿通入內壓40 MPa，進入延時保壓，對試驗件施加軸向拉力，軸向力按照200、400、600、800、1 000、1 200 kN逐漸施加，穩壓30 min。

3.1.2" 試驗結果

試驗結果如圖13所示。初始加載時，內壓存在壓力下降現象。由于工件內部容腔較小，考慮到初始加壓和加載時，存在壓力波動，同時軸向拉伸會增大容腔體積等情況，故補壓至40.1 MPa，穩壓30 min；結果顯示內壓曲線平穩，壓降為0.3 MPa。由此證明柔性鉆桿密封性能可靠，在抗拉1 120 kN條件下，依然滿足密封性能技術要求。

在柔性鉆桿內部加壓至40 MPa，開始軸向加載，在每個載荷下穩壓5 min，加載至1 120 kN，穩壓30 min，軸向拉力是由液壓缸提供，軸向拉力時間曲線平穩。結果表明鉆桿整體軸向變形不大，滿足柔性鉆桿拉伸強度設計要求。

3.2" 壓縮帶壓試驗

3.2.1" 試驗過程

壓縮帶壓試驗同樣在拉壓試驗機上進行，向柔性鉆桿施以內壓40 MPa，進入延時保壓，對試驗件施加軸向壓力270 kN，保壓17 min。

3.2.2" 試驗結果

軸向壓力加載至270 kN，得到壓縮載荷、密封壓力—時間曲線，如圖14所示。從圖14可見，軸向壓力曲線平穩，表明柔性鉆桿軸向變形較小，滿足壓縮性能要求。試件密封壓力加至40.3 MPa，穩壓17 min，壓降0.2 MPa，試驗表明柔性鉆桿承壓時密封性能可靠。

3.3" 扭轉帶壓試驗

3.3.1" 試驗過程

利用液壓擰扣機、壓力泵開展扭轉帶壓試驗，如圖15所示。開啟試壓泵，以小排量向柔性鉆桿內部注入循環介質，逐漸加壓至40 MPa，啟動液壓加載系統，對柔性鉆桿施加扭矩，逐漸施加至31 kN·m，穩壓15 min。

3.3.2" 試驗結果

柔性鉆桿扭矩-圈數曲線如圖16所示。扭矩加載過程中，扭矩達到25.78 kN·m之前曲線相對平穩；25.78 kN·m后，一端工裝與擰扣機存在輕微打滑現象，且到達塑性強化階段，故扭矩-圈數曲線出現波動現象。試驗中扭矩測試設定值為31 kN·m，在達到設定扭矩值時自動卸載，故扭矩強度極限不小于31 kN·m。

鉆桿內部初始加壓至44 MPa，扭轉過程中，鉆桿內部容腔體積不斷變小，密封壓力隨之上升，最大壓力達到了52.4 MPa，形成了密封壓力-時間曲線，如圖17所示。試驗期間鉆桿內部壓力無明顯下降，滿足設計要求，同時驗證了數值模擬方法的合理性。

4" 結" 論

（1）研制了一種高強度柔性鉆桿，其中包括兩道球面密封機構、球鉸傳扭及彎矩機構，可有效防止顆粒進入，從而提高密封壽命。

（2）針對柔性鉆桿正常鉆進和遇阻2種工況，建立了材料非線性、接觸非線性有限元模型，并采用應力分類法對柔性鉆桿結構強度進行了評價。

（3）通過室內試驗對柔性鉆桿力學性能以及承載后密封性能進行了驗證，試驗結果表明，柔性鉆桿單獨受載時，可承受31 kN·m極限扭矩，1 120 kN拉伸載荷，270 kN壓縮載荷，即分別承受拉、壓、扭載荷，并在帶內壓40 MPa時，密封壓力穩定，承載性能遠超現有同類工具。同時驗證了數值仿真評價方法的合理性。

［1］" 馬猛，王聰，張永學，等．高含水稠油預分離用分離器水力特性研究［J］．石油機械，2017，45（2）：73-77．

MA M，WANG C，ZHANG Y X，et al.Study on hydraulic characteristics of the hydrocyclone for preliminary separation of high water cut heavy oil［J］.China Petroleum Machinery，2017，45（2）： 73-77.

［2］" 武曉光，黃中偉，李根生，等．“連續管+柔性鉆具”超短半徑水平井鉆井技術研究與現場試驗［J］．石油鉆探技術，2022，50（6）：56-63．

WU X G，HUANG Z W，LI G S，et al.Research and field test of ultra-short radius horizontal drilling technology combining coiled tubing and flexible BHA［J］.Petroleum Drilling Techniques，2022，50（6）： 56-63.

［3］" 王居賀，孫偉光，于東兵．超深井連續管短半徑側鉆工藝研究與現場試驗［J］．石油機械，2023，51（1）：33-39．

WANG J H，SUN W G，YU D B.Research and field testing of CT short-radius sidetracking technology for ultra-deep wells［J］.China Petroleum Machinery，2023，51（1）： 33-39.

［4］" 張紹林，孫強，李濤，等．基于柔性鉆具低成本超短半徑老井側鉆技術［J］．石油機械，2017，45（12）：18-22．

ZHANG S L，SUN Q，LI T，et al.The low cost ultra-short radius sidetracking technology in produced wells based on flexible drill pipe［J］.China Petroleum Machinery，2017，45（12）： 18-22.

［5］" 呂小東．坨33-12-14CH側鉆水平井鉆完井工藝分析［J］．石油機械，2009，37（7）：66-68．

LYU X D.Analysis of sidetracking horizontal well drilling and completion technique in the 33-12-14CH well named Tuo［J］.China Petroleum Machinery，2009，37（7）： 66-68.

［6］" 羅敏，董小娜，徐亭亭，等．半鉸接柔性鉆具模型建立及載荷傳遞規律研究［J］．力學與實踐，2018，40（6）：666-670，682．

LUO M，DONG X N，XU T T，et al.Model establishment and load transfer of semi articulated flexible drilling tool［J］.Mechanics in Engineering，2018，40（6）： 666-670，682.

［7］" MARBUN B T H，ZULKHIFLY S，ARLIYANDO L，et al.Review of ultrashort-radius radial system （URRS）［C］∥ International Petroleum Technology Conference.AJ Odijk ： European Association of Geoscientists amp; Engineers，2012：IPTC 14823.

［8］" MA T S，LIU J H，FU J H，et al.Drilling and completion technologies of coalbed methane exploitation： an overview［J］.International Journal of Coal Science amp; Technology，2022，9（1）： 1-31.

［9］" 王偉，賈建波，張良振，等．柔性鉆桿球面密封結構設計及其密封性能分析［J］．石油機械，2022，50（4）：9-14．

WANG W，JIA J B，ZHANG L Z，et al.Design and performance analysis of spherical sealing structure of flexible drill pipe［J］.China Petroleum Machinery，2022，50（4）： 9-14.

［10］" 管申，郭浩，程林，等．WZ-X1井超短半徑水平井軌跡控制技術研究及應用［J］．鉆采工藝，2020，43（6）：21-23，27．

GUAN S，GUO H，CHENG L，et al.Research and application of trajectory control technology for ultra-short radius horizontal well WZ-X1［J］.Drilling amp; Production Technology，2020，43（6）： 21-23，27.

［11］" 郭永賓，管申，劉智勤，等．多分支超短半徑鉆井技術在我國海上油田的首次應用［J］．中國海上油氣，2020，32（5）：137-144．

GUO Y B，GUAN S，LIU Z Q，et al.First application of multi-lateral ultra-short radius drilling in China offshore oilfields［J］.China Offshore Oil and Gas，2020，32（5）： 137-144.

［12］" 宮華，鄭瑞強，范存，等．大慶油田超短半徑水平井鉆井技術［J］．石油鉆探技術，2011，39（5）：19-22．

GONG H，ZHENG R Q，FAN C，et al.Ultra-short radius horizontal well drilling technology in Daqing Oilfield［J］.Petroleum Drilling Techniques，2011，39（5）： 19-22.

［13］" 張勇，劉曉民，華澤君，等．超短半徑鉆井技術現狀及發展趨勢［J］．鉆采工藝，2023，46（2）：41-45．

ZHANG Y，LIU X M，HUA Z J，et al.Status and development trend of ultra-short radius drilling technology［J］.Drilling amp; Production Technology，2023，46（2）： 41-45.

［14］" 徐亭亭，羅敏，王晶，等．柔性鉆桿優化設計及承載能力研究［J］．化工機械，2018，45（6）：768-772．

XU T T，LUO M，WANG J，et al.Optimal design of flexible drill rod and research on its bearing capacity［J］.Chemical Engineering amp; Machinery，2018，45（6）： 768-772.

［15］" 郭瑞昌，李根生，劉明娟，等．徑向水平井轉向器內柔性管力學模型研究［J］．石油機械，2010，38（3）：24-27．

GUO R C，LI G S，LIU M J，et al.Mechanical model for analyzing force conditions of flexible pipe in the whipstock of radial drilling system［J］.China Petroleum Machinery，2010，38（3）： 24-27.

［16］" LIU H，HUANG S Z，SUN Q，et al.Application of ultrashort radius lateral drilling technique in top thick reservoir exploitation after long term water flooding［C］∥Abu Dhabi International Petroleum Exhibition amp; Conference.Beijing： China National Petroleum Corporation，2016： SPE 183231-MS.

［17］" 王建龍，張雯瓊，于志強，等．側鉆水平井水平段延伸長度預測及應用研究［J］．石油機械，2016，44（3）：26-29．

WANG J L，ZHANG W Q，YU Z Q，et al.Prediction of sidetrack horizontal well extension length［J］.China Petroleum Machinery，2016，44（3）： 26-29.

［18］" 陳培亮，孫偉光，鐘文建，等．鈦合金鉆桿在短半徑水平井中應用技術研究［J］．石油機械，2021，49（10）：38-44．

CHEN P L，SUN W G，ZHONG W J，et al.Research on application technology of titanium alloy drill pipe in short radius horizontal well［J］.China Petroleum Machinery，2021，49（10）： 38-44.

［19］" 朱青林，管鋒，劉先明，等．柔性鉆桿O形圈球面密封性能研究［J］．潤滑與密封，2023，48（9）：108-114．

ZHU Q L，GUAN F，LIU X M，et al.Research on sealing performance of O-ring spherical surface of flexile drill pipe［J］.Lubrication Engineering，2023，48（9）： 108-114.

［20］" CHAI J H，LV Z J，ZHANG Z J，et al.Nonlinear failure analysis on pressurized cylindrical shell using finite element method： comparison of theoretical and experimental data［J］.Journal of Failure Analysis and Prevention，2022，22（3）： 1000-1010.

［21］" 江楠．壓力容器分析設計方法［M］．北京：化學工業出版社，2013．

JIANG N.Pressure vessel analysis and design method［M］.Beijing： Chemical Industry Press，2013.

第一馬濤，工程師，生于1990年，2016年畢業于中國地質大學（北京）石油工程專業，現從事海洋石油鉆完井領域工作。地址：（524057）廣東省湛江市。email：bicky2008@outlook.com。2024-01-11楊曉峰