0 引言

井漏是指井筒内钻井液或水泥浆等工作介质流入地底漏层的现象^[1]。地层疏松和裂纹等是引起井漏的主要原因，井漏是钻井过程中最常见的现象，如果不及时采取处理措施，就可能会引起井喷或者井塌等一系列事故，进而导致井眼报废，造成严重的经济损失。井漏不仅会拖延钻采工程进度，还会因使用大量的堵漏材料以及各类辅助材料而增加施工成本，造成不必要的经济损失^[2]。井漏一旦发生，必须及时采取正确的处理方式，否则后果不堪设想。

近年来，我国加大了对钻井堵漏技术的研究力度^[3-4]。为了提高堵漏成功率，避免出现反复渗漏的现象，国内研究机构加大了对复合型堵漏材料的研究。现有的复合材料主要有桥接堵漏材料、无机胶凝堵漏材料和高温堵漏材料等^[5-8]。国外也研发了热溶橡胶堵漏剂和膨胀团粒堵漏剂等堵漏材料。这些堵漏材料的使用，有效地封堵了渗透型漏失、裂缝型漏失和孔洞型漏失^[9]。但因存在多压力层漏失、水层漏失、特大洞穴和裂缝漏失等严重井漏问题，堵漏材料仍处于堵漏种类少和堵漏效果差的局面^[10]。

由国内外现状可以看出，人们对井漏处理技术的研究主要以化学材料和桥接堵漏材料^[11-12]为主，而且仍然存在很多问题^[13-15]，具体表现如下：①对漏失层位置判断不够准确，反复检测不但延误了工期，而且降低了堵漏成功率；②每一类的堵漏剂由于受其化学成分的限制，只能针对特定的地质漏层来进行封堵，使用不方便，工作效率低；③如果采用不匹配漏层特点的堵漏剂，则导致漏层位置承压能力不够，在后续的钻井过程中还会出现再次泄漏的状况。因此研究井眼的堵漏问题，对于钻井和固井作业来说，既有迫切的工程需求，又存在极大的技术挑战。

鉴于此，笔者将机械、材料和控制等多种学科交叉，设计了新型钻井堵漏系统，形成了一套完整的裸眼井堵漏技术。

1 技术分析 1.1 结构及工作原理

堵漏系统主要由电加热系统、分离装置和堵漏装置3部分组成。分离装置主要包括分离螺栓和SMA(形状记忆合金)驱动装置等零件；堵漏装置由菱形弹簧网和水龙带组成。首先，在内套管上安装电加热系统，在分离装置内安装电加热线圈；其次，将菱形弹簧网压缩到钻杆上，用环螺母和封闭环将弹簧网固定在钻杆上；然后，将直径大于260 mm水龙带(裸眼井的直径为216 mm)包裹在被压缩后的弹簧网上；最后，穿过水龙带将装有SMA驱动装置的分离螺栓安装于装置中，起固定弹簧网的作用。

图 1为堵漏系统工作原理示意图。将钻井平台上的电源通过电缆沿内套管接到井下漏失处，电加热线圈通电发热，使得SMA驱动装置受热发生伸长变形，给分离螺栓一个轴向拉力，此拉力将螺栓在薄弱处拉断，使被分离螺栓固定压缩在内套管上的菱形弹簧网弹开，将水龙带压紧在裸眼井漏失处，实现堵漏。

1.2 堵漏过程

堵漏过程如图 2所示。

(1) 退出钻杆和钻头，使用测井仪器确定井漏位置以及漏层面积，如图 2a所示。

(2) 根据漏层面积选择合适长度的弹簧网进行堵漏，将装配好的堵漏系统安装在钻杆上，下放至漏层位置，如图 2b所示。

(3) 采用分段通电加热方式从弹簧网底端开始加热，使装置中的形状记忆合金受热发生变形将螺栓拉断，从而将包裹水龙带的菱形弹簧网逐步撑开并紧贴于漏层，如图 2c所示。

(4) 堵漏完成后，退出钻杆，卸下套管以便反复使用。

2 分离螺栓参数设计及有限元分析

分离螺栓是堵漏系统的核心部件，它关系到整个系统能否成功实现堵漏功能。在机械产品中，机械结构之间的连接方式最为常见、应用最多的是螺栓连接，同时它也是重要的受力构件。在螺栓连接中螺栓不仅受静载荷作用，而且还受交变循环载荷作用。从载荷作用力而言，又有拉伸载荷和剪力载荷2种。受轴向静拉伸载荷的螺栓联系方式可分为2种类型：一种是松联螺栓，它只受轴向拉伸而没有预紧力；另一种是法兰连接，它既受预紧力作用又承受轴向外力的作用。对于该堵漏系统中的分离螺栓，只考虑其受轴向静拉伸载荷的情况。

2.1 参数设计

取长0.5 m的弹簧网作为研究对象。根据弹簧网有限元分析结果可知，弹簧网被压缩到指定直径147 mm时，所需载荷为0.6 MPa，弹簧网外表面积A=33 848 mm²，材料的拉伸强度为970 MPa。0.5 m的弹簧网共有16个起固定作用的螺栓孔，根据机械设计^[16]，取载荷变异系数为0.08，取单个螺栓载荷面积A′=78.53 mm²。由此可确定螺栓的公称直径d=6 mm。根据公称直径查阅机械设计手册^[17]可知，螺纹的螺距P=1 mm，则螺纹的中径d₁=5.350 5 mm，螺纹的小径d₂=4.917 5 mm。

应力集中一般发生在零件外形尺寸发生变化的地方，如缺角、孔口和沟槽等，而应力集中处在过载荷作用下容易发生断裂或拉裂等现象。为了保证菱形弹簧网可以顺利弹开，分离螺栓采用环形槽结构设计^[18]，这样可以保证分离螺栓最终可以完全被拉断。图 3为螺栓环形槽结构及受力图。

当螺栓在X轴正方向受均布的拉应力作用时，这样的设计会引起应力的重新分布，导致圆孔区域内产生很大的局部应力集中^[19]。在圆孔边缘这种高度的应力集中有重要的实际意义，机械零部件发生损坏或断裂往往会出现在几何形状突然引起应力集中的部位，初步设计孔口半径为1 mm。

根据有限元分析软件对菱形弹簧网的分析结果，可计算得出螺栓所受预紧力为20 309 N。

弹簧网每层有8个分离螺栓进行固定，共有2层弹簧网，则每个螺栓所受预紧力为20 309÷16=1 269(N)。

根据文献[13]可计算得出螺栓环形槽处的直径为4 mm。

根据机械设计手册可知螺栓的许用应力为：

(1)

式中：S为螺栓连接的安全系数，取5；[σ]为材料的许用拉伸强度，取970 MPa；σ₀为材料的拉伸强度。

螺栓被拉伸时孔口应力最大值为：

(2)

该设计初步取螺栓的许用拉伸强度[σ]=194 MPa，则加载载荷=2[σ]A₁/A₂=235.13 MPa。其中：A₁为螺栓的横截面积，A₂为螺栓的载荷区域面积。

2.2 有限元分析

ABAQUS时是一款功能强大的有限元分析软件，可以对各类固体力学和结构力学零件进行仿真分析，因此，分离螺栓的力学分析采用ABAQUS软件。

分离螺栓的结构较为简单，可直接在ABQAUS中进行三维建模。为了更直观地研究分离螺栓所受应力情况，将分离螺栓简化为图 4所示结构，图中分离螺栓末端圆柱表示与螺栓连接的环螺母，在此进行了简化处理。

分离螺栓采用扫掠结构，网格类型选择六面体结构(C3D8R)，划分单元数为19 584个。在Load功能模块中，采用静力通用载荷压力(235.15 MPa)作用在内径6 mm、外径10 mm的圆环上。由于螺栓固定在加热装置上，所以将边界条件定义为完全固定。

分离螺栓的应力云图如图 5所示。从图可见，分离螺栓的最大应力在螺栓环形槽处，应力值为1 189 MPa。图中灰色区域表示螺栓所受应力超过了材料的拉伸强度970 MPa。分离螺栓的变形云图如图 6所示。从图可以看出，环形槽处超出材料拉伸强度的灰色区域非常明显，表明在螺栓薄弱环节的材料已经发生屈服变形，螺栓头部的最大位移为0.085 09 mm，表明螺栓不会被拉断，完全能够实现固定弹簧网的功能。

根据材料的拉伸试验可知，材料在进行拉伸试验时要经历4个阶段，分别为线性阶段、屈服阶段、硬化阶段以及缩颈阶段。当材料在硬化阶段强度达到极限后，材料会发生缩颈从而断裂。图 7为拉伸过程中，螺栓的环形槽应力沿路径变化曲线。从图可以看出，环形槽处应力值超过了材料的拉伸强度。

3 加热系统的设计

钻井堵漏系统选择每节互不干扰的单元加热方法，此方法简单有效，利于控制。如果选用上、下位机相互配合，利用CAN、485总线传递信号，也可以实施较为精准的梯级加热，并能够实时检测井下线圈加热的情况。

图 8为555时基延时加热电路。堵漏系统加热电路设计要求单节加热电路选择单稳态工作模式，选用单稳态触发器。单节延时加热电路采用555芯片^[20]，当控制端接通电源后，将12 V的直流电压加到电路中，长延时电路输出端输入到555电路的2脚为低电平，3脚输出高电平，触点RL2闭合，加热线圈开始通电加热并且D2-LED点亮开始工作。由于电容C5的电压不能突变，使得555电路的6脚和7脚为低电平，555电路处于置位状态，当电容C5的电位升到2/3VDD时，555时基电路复位，3脚输出低电平，继电器失电，触点RL2断开，恢复到初始状态。这样555时基电路3脚根据设计延迟交替输出高、低电平控制继电器开关的闭合，使得线圈加点产生热量。

线圈加热系统采用稳定的加热电路，电路设计采用长延时控制单个节点延时加热线圈电路，因为设计的单节加热电路节数未知，所以加热电路采用单路加热电路以此验证设计的正确性。

4 试验和应用情况

钻井堵漏系统是集机械、材料和控制于一体的新型堵漏装置，符合钻井堵漏的工艺要求和使用条件。将该系统在新疆油田勘探开发工程院进行试验，试验时，裸眼井深1 000 m，单个螺栓预紧载荷为1 200 N，使用七芯电缆通过电联输送方式给形状记忆合金加热。试验过程基本正常，根据钻井平台压力数据，推断弹簧网顺利打开，收到预期效果。目前，该系统已在新疆某油田小范围应用。

5 结束语

为了避免石油钻井过程中井漏事故的频繁发生，笔者设计了新型钻井堵漏系统。该系统利用分离螺栓将弹簧网径向压缩到钻杆上，当钻杆下到漏失层时，启动电加热装置使形状记忆合金变形将分离螺栓拉断，弹簧网张开，将水龙带张紧到漏失井壁上，实现堵漏。用ABAQUS软件对分离螺栓进行建模和有限元分析，得到了分离螺栓所受应力情况。试验及应用情况表明：钻井堵漏系统符合堵漏工艺要求和使用条件，收到预期效果。