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。
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| 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
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(1) |
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(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，
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：
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(3) |
对应的切应力公式为：
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(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/D；σ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。
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| 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 |
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| 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和图 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：
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(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。
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| 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)：
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(6) |
当本体内压为2 MPa时，本体圆筒为开式：
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(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。
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| 图 5 本体受内压力学分析图 Fig.5 Mechanical analysis on the internal pressure on the body |
由图 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。
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| 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。
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| 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。
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| 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 |
由图 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。
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| 图 9 工具上本体应力云图 Fig.9 Stress distribution of the upper tool body |
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| 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 |
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| 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 |
由图 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。
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