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刮清一体式套管清洗工具设计研究
陈敏, 冯定, 刘少胡, 吴晗, 魏世忠     
湖北省油气钻完井工具工程技术研究中心
摘要: 钻井过程中,井眼清洁状态是影响起下工具和井下安全的重要因素之一。为此,设计了刮清一体式套管清洗工具。利用弹塑性力学分析理论,分析了该工具上、下本体在不同法向载荷下的扭矩和切应力,以保证工具安全可靠工作;运用ANSYS有限元软件分析计算了上、下本体在拉伸、扭转工况下的受力状况,分析结果表明其应力分布趋势与弹塑性力学分析结果相符。厄瓜多尔塔拉帕厄油田70多口油井的应用结果表明:使用刮清一体式套管清洗工具可缩短修井作业时长45%,节约成本18 500美元;在初期完井作业中缩短时长26%,节约成本195 000美元。
关键词: 清洗工具     刮削     清扫     结构设计     强度校核    
Design of Scraping & Cleaning Integral Casing Cleanup Tool
Chen Min, Feng Ding, Liu Shaohu, Wu Han, Wei Shizhong     
Hubei Province Oil and Gas Drilling Tool Engineering Technology Research Center
Abstract: During the drilling, the wellbore cleaning condition is one of the important factors that affect the downhole tool tripping and safety.In view of this, the scraping and cleaning integral casing cleanup tool has been designed.Based on the theory of elasto-plastic mechanics, the torque and shear stress of the upper and lower body under different normal loads have been analyzed to ensure the safe and reliable operation of the tool. ANSYS software has been used to analyze the forces on the upper and lower body under tension and torsion condition, and the results show that the stress distribution trend is consistent with the results of elasto-plastic mechanics analysis. The application results of the over 70 wells in the Tallapur Oilfield of Ecuador show that the developed tool had reduced the workover cycle by 45% and saved cost of $18 500. The initial completion operation had a reduced operation cycle of 26% and cost saving of $195 000.
Key words: cleanup tool     scraping     cleaning     structural design     stress check    

0 引言

在油田井下作业过程中,井眼清洁状况是影响起下工具和井下安全的重要因素之一[1]。井眼清洁是油田井下作业中的技术难点,由于岩屑的重力作用,在长水平段及大斜度井段岩屑极易发生堆积而形成“岩屑沉积床”,从而使环空间隙变小,导致作业周期延长,成本增加。如果不能较好地清洁和控制岩屑床,将会导致憋泵和沉砂卡钻等诸多严重问题,直接影响作业效率、井身质量及作业安全等[2-4]

针对上述问题,笔者设计了刮清一体式套管清洗工具。刮清一体式套管清洗工具可对黏附在套管内壁上的残渣边刮削、边洗刷,随后将残渣输送至地面,完成对套管的清洁工作[5-7]。应用该工具不仅可减轻残渣对井下工具及套管的侵蚀和损害,延长套管的使用年限,而且也可降低石油开采成本,增加开发效益,提高采出石油质量。

1 技术分析 1.1 结构

刮清一体式套管清洗工具主要由上本体和下本体组成(见图 1)。上本体与下本体通过螺纹连接,下本体是主要的承载和工作部件。刮刀和毛刷主要以内嵌的方式安装在下本体内,由于刮刀要实现变径,所以支承刮刀片的弹簧一端顶着刮刀片,另一端由支承轴和衬套支承。

图 1 刮清一体式套管清洗工具结构示意图 Fig.1 Structural schematic diagram of the scraping & cleaning integral casing cleanup tool 1—上本体;2—支承轴;3—毛刷;4—刮刀;5—衬套;6—下本体。

刮刀片是刮清一体式套管清洗工具的一个主要零件,它必须坚硬、耐磨,且必须有足够的抗冲击强度,因此选用合金工具钢制造[8]。在工具周向均布3个刮刀刀片,来确保无论套管刮削器下入到套管时是否转动,都会360°地刮削套管内壁;在工具周向均布3个毛刷,来确保无论套管刮削器下入到套管时是否转动,都会360°地刷洗套管内壁;另外,刷毛的材料要有足够的强度和韧性,以保证刷洗工作的顺利进行;刷毛和刮刀采用左旋和右旋的位置相互配合。

1.2 工作原理

刮清一体式套管清洗工具随管柱旋转垂直往复式工作,旋转下放时,前主刮削刃进行径向和纵向刮削;旋转提升时,后主刮削刃对被刮的表面同时进行径向和纵向修整。旋转运动是刮削器的主运动。刮刀的径向进刀依靠弹簧所产生的弹性反力作用实现。该弹性反力把刀刃压入被刮削表面,在刮削器旋转过程中刮削该表面,随着被刮削表面内径的扩大,弹性反力使刀片逐渐外伸,从而实现连续径向进刀。刮削器的不断下放实现刮刀的纵向刮削;同时套管刷刷洗套管内壁,进一步确保套管内壁的清洁。

1.3 主要技术参数

刮清一体式套管清洗工具长1.82 m,本体外径148 mm、内径44 mm,刮刀完全伸开最大外径161 mm,刮刀收缩后外径128 mm。

2 力学分析

工具上、下本体与管柱通过螺纹连接,本体随管柱一起下入井下[9],其工况非常恶劣,受力情况难以确定,在工作过程中承受轴向载荷、法向载荷和扭矩的耦合作用,将导致工具本体开孔周围的局部屈服和危险截面的局部应力集中。因此,根据弹塑性力学分析理论对工具本体进行力学分析,并进行安全性校核[2]

2.1 本体受法向载荷力学分析
(1)
(2)

式中:τ为扭矩;FN为法向载荷;FD为阻力;r为旋转半径;μ为摩擦因数,通常取0.22;A为角速度,,其中n=60 r/min;v为合成速度,T为起下钻速度,式中取2 m/s。

2.2 切应力分析

由材料力学可知,上、下本体可简化成空心圆轴,空心轴的抗扭截面系数公式为:

(3)

对应的切应力公式为:

(4)

式中:Wp为抗扭截面系数;α为空心轴内径与外径之比,α=d/Dσ为切应力。

根据设计,D取148 mm,d取44 mm,法向载荷FN分别为100、150、200、250和300 kN,r取0.086 m。将参数带入式(1)~式(4) 中,可得本体法向载荷与扭矩和阻力的关系曲线,如图 2所示。本体扭矩与切应力的关系曲线如图 3所示。

图 2 本体法向载荷与扭矩和阻力的关系曲线 Fig.2 The relationship between the body's normal load and torque and resistance

图 3 本体扭矩与切应力的关系曲线 Fig.3 The relationship between the body torque and the shear stress

清洗工具上、下本体的材料均为20CrMnTi,其许用应力值为835 MPa。由图 2图 3可知:扭矩与法向载荷成正比关系,切应力远小于许用应力,因此工具很安全。

2.3 本体受轴向载荷力学分析

本体受轴向载荷公式为:

(5)

式中:F为本体受的轴向力,N;σ为本体的最大应力,MPa;S为本体横截面积,mm2

根据工具实际工作状况,F分别取50、100、150、200、250和300 kN, 代入式(5) 中,可得不同轴向载荷下的最大应力, 如图 4所示。

图 4 轴向载荷与最大应力关系曲线 Fig.4 The relationship between the axial load and maximum stress

2.4 本体受内压力学分析

本体受内压时,在保证本体的变形处于弹性阶段内,内压作用产生的应力必须小于材料屈服极限[10]。由Lamè(拉美)公式得本体受内压产生的3个主应力(σt为周向应力,σz为轴向应力,σr为径向应力):

(6)

当本体内压为2 MPa时,本体圆筒为开式:

(7)

式中:Ri为本体内半径,mm;Ro为本体外半径,mm;r为本体上任意半径,mm;pi为本体内压,MPa;po为本体外压,MPa;k为厚壁圆筒的径比,k=Ro/Ri

图 5为本体受内压力学分析图。

图 5 本体受内压力学分析图 Fig.5 Mechanical analysis on the internal pressure on the body

图 5可知:由于本体几何结构原因,应力在本体中分布不均匀,峰值应力出现在内壁上,而且本体径比值越大,应力分布越不均匀。

3 上、下本体有限元分析 3.1 下本体安全性校核

下本体上需要开槽安装刮刀和毛刷,这会削弱下本体强度,容易产生较高的局部峰值应力。因此,开槽位置是下本体上最薄弱的部位。下本体在工作过程承受轴向载荷和扭矩的耦合作用,其开槽位置容易产生局部屈服,大大影响本体的疲劳强度,引发下本体脆裂或产生裂纹。

3.1.1 材料属性和载荷

下本体工作时与柔性管柱连接。在处理有限元边界条件时,采用拉伸和扭转耦合加载,约束下本体上端的6个方向自由度,在下本体下端面施加拉力载荷50~250 kN,在下本体下端内表面施加扭矩载荷4.5~14.0 kN·m。壳体材料为20CrMoTi,弹性模量206 GPa,剪切模量810 kPa,泊松比0.3,屈服极限835 MPa。有限元软件计算的下本体应力云图如图 6所示。

图 6 工具下本体在250 kN载荷下的应力云图 Fig.6 Stress distribution of the lower tool body under the load of 250 kN

3.1.2 分析结果

图 7为不同轴向载荷作业下,扭矩与本体最大应力关系曲线。从图可见,随着扭矩的增加,下本体的最大应力增加,但最大应力值均未超过屈服极限835 MPa;扭矩对本体应力的影响较大,建议控制高扭矩。

图 7 下本体峰值应力随轴向载荷变化曲线 Fig.7 The effect of the axial load on the peak stress of the lower tool body

图 8为不同扭矩作用下,轴向载荷与本体最大应力关系曲线。

图 8 下本体峰值应力随扭矩变化曲线 Fig.8 The effect of the torque on the peak stress of the lower tool body

图 8可以看出,随着轴向载荷的增大,本体的最大应力也增大,与扭矩对本体的应力影响相比,轴向载荷对本体应力的影响较小。由于数值计算时扭矩和轴向载荷值非常大,在工具正常工作过程中比较少见,所以工具本体安全。

3.2 上本体安全性校核

在工作过程中上本体上端与管柱通过螺纹连接,连接处壁厚较薄,承受轴向载荷和扭矩耦合作用,有必要对上本体进行安全性校核。

图 9为上本体应力云图。上本体应力主要集中在螺纹连接处。图 10为上本体最大应力随轴向载荷变化曲线。图 11为上本体峰值应力随轴向载荷变化曲线。

图 9 工具上本体应力云图 Fig.9 Stress distribution of the upper tool body

图 10 上本体峰值应力随扭矩变化曲线 Fig.10 The effect of the torque on the peak stress of the upper tool body

图 11 上本体峰值应力随轴向载荷变化曲线 Fig.11 The effect of the axial load on the peak stress of the upper tool body

图 9~图 11可知,在轴向载荷250 kN、扭矩4 kN·m的耦合作用下,上本体峰值应力在螺纹连接处为682.13 MPa,此时最大应力小于材料屈服强度,其安全性可以满足使用要求。

4 案例分析

2010年对厄瓜多尔塔拉帕厄油田70多口使用套管清洗工具的油井进行了1 a的研究统计。使用传统套管清洗工具时修井作业平均时长62.00 h,先期完井作业平均时长162.50 h;使用刮清一体式套管清洗工具时修井作业平均时长28.00 h,先期完井作业平均时长41.75 h。应用结果表明:使用刮清一体式套管清洗工具可缩短修井作业时长45%,节约成本18 500美元,在初期完井作业中缩短时长26%,节约成本195 000美元[11]

5 结束语

钻井过程中,井眼清洁状态是影响起下工具和井下安全的重要因素之一。为此,笔者设计了刮清一体式套管清洁工具。利用弹塑性力学分析理论,分析了该工具上、下本体在不同法向载荷下的扭矩和切应力,以保证工具安全可靠工作;运用ANSYS有限元软件分析计算了上、下本体在拉伸、扭转工况下的受力状况,分析结果表明其应力分布趋势与弹塑性力学分析结果相符。厄瓜多尔塔拉帕厄油田70多口油井的应用结果表明:使用刮清一体式套管清洗工具可缩短修井作业时长45%,节约成本18 500美元;在初期完井作业中缩短时长26%,节约成本195 000美元。

参考文献
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[10] 廖前华, 祝效华, 刘少胡, 等. 分体轴承式减扭防磨工具设计与安全性分析[J]. 石油矿场机械, 2010, 39(5): 30–32.
[11] LOAIZA J C, PEREZ A R, MENDOZA E G, et al.Wellbore cleanup tools save rig time in approximately 30% optimizing workover and completion operations[R].SPE 147576, 2011.

文章信息

陈敏, 冯定, 刘少胡, 吴晗, 魏世忠
Chen Min, Feng Ding, Liu Shaohu, Wu Han, Wei Shizhong
刮清一体式套管清洗工具设计研究
Design of Scraping & Cleaning Integral Casing Cleanup Tool
石油机械, 2017, 45(5): 33-37
China Petroleum Machinery, 2017, 45(5): 33-37.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2017.05.006

文章历史

收稿日期: 2016-10-28

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