分體軸承式減扭防磨工具設計與安全性分析

廖前華,祝效華,劉少胡,石昌帥,杜 鵑,劉 洪

(1.中海石油 (中國)有限公司天津分公司,天津 300452;2.西南石油大學機電工程學院,成都 610500;3.勝利油田高原石油裝備有限責任公司,山東東營 257091)

分體軸承式減扭防磨工具設計與安全性分析

廖前華1,祝效華2,劉少胡2,石昌帥2,杜 鵑1,劉 洪3

(1.中海石油 (中國)有限公司天津分公司,天津 300452;2.西南石油大學機電工程學院,成都 610500;3.勝利油田高原石油裝備有限責任公司,山東東營 257091)

在大位移井和狗腿度超標的深直井中,鉆柱接頭或本體與套管或巖石產生摩擦與碰撞,鉆柱承受大的摩擦扭矩,長時間工作后鉆柱局部壁厚減薄而導致鉆具斷裂失效,套管也會發生過量磨損,降低油井壽命。為解決該問題,設計了一種銷栓連接分體軸承式減扭防磨工具,工具的軸承及復合套可分別減少扭轉和軸向的摩擦阻力,且可吸收橫向振動。對 φ139.7 mm(51/2英寸)規格工具的主要承載件及易損件進行了安全性分析。結果表明,本體、鋼球和螺栓工作安全性高,該工具可用于大位移井和深直井的鉆井作業。

減扭防磨工具;分體軸承;安全系數;有限元

Abstract:Bump and friction with casing or rock happens on drill string joint or tool’s body,which leads to big friction and torque of drill string in extended reach well and deep vertical well of excess dogleg’s degree,localized thin wall of drill string leads to fracture failure after working long hours of drill string,excesswear also occurs on casing,itwill reduce the well’s production life.A torque-reducing and antigalling tool of splitting-bearing was designed to solve the above questions;the bearing and the compound sleeve of this tool could reduce torque and axial friction resistance,and also absorbed transverse vibration.The main bearing and wearing parts of 51/2"standard tool’s safety analysis was finished,and the resultwas that the body,the steel ball and the bolt of toolwere very safe,this tool can be applied in extended reach well and deep verticalwell during drilling.

Key words:torque-reducing&anti-galling tool;splitting-bearing;safety factorl;finite element

在大位移井和狗腿度超標的深直井鉆井過程中,鉆柱將承受較大的摩擦阻力。摩擦阻力阻礙了驅動扭矩和鉆壓的有效傳遞,降低機械鉆速甚至導致零進尺;扭矩超過鉆柱承受能力將會導致鉆具斷裂失效,致使無法鉆進。同時,旋轉鉆柱與下井壁套管發生接觸摩擦,接觸摩擦直接導致套管和鉆柱的磨損,摩擦因數越大,狗腿度越嚴重,側向載荷 (或鉆柱自重)越大及轉速越高,則磨損越快。鉆柱嚴重磨損后將降級使用或直接報廢。套管磨損后整體強度降低,在復雜的地質條件下極易過早擠毀和破漏,從而嚴重影響油井壽命和油氣開采。因此研究高效的減扭防磨工具有積極意義。

目前常用的減扭防磨工具主要有旋轉防磨 TC套式和非金屬復合材料式 2類[1-4]。前者使用壽命長,但轉動性能待提高;后者防磨效果好,主要用于小尺寸井眼。本文設計了一種轉動靈活、適用于中大尺寸井眼的銷栓連接分體軸承式減扭防磨工具。

1 結構及工作原理

銷栓連接分體軸承式減扭防磨工具的結構如圖1。復合套由 2個對開式的復合半套組合,復合半套用螺栓和定位銷連接;復合套與鋼球接觸面為軸承鋼,本體軸承槽處有耐磨層,在軸承鋼外面硫化有橡膠材料;復合套連接后,滾珠對其上下運動限位;鎖緊套用于防止大的巖屑顆粒進入本體與復合套組成的腔體;本體兩端為 API螺紋,與上、下鉆柱連接。

圖1 分體軸承式減扭防磨工具結構

工作時,復合套和本體組成的滾動軸承副可以有效減少摩擦扭矩,復合套外的低摩阻材料還可以有效降低軸向的摩擦阻力,該低摩阻橡膠材料還可以吸收橫向振動與沖擊,從而保護減扭防磨工具和鉆桿接頭。

2 安全性分析

鉆井過程中,鉆柱旋轉使得減扭防磨工具與井壁發生間歇碰撞,鋼球和復合套及螺釘承受大的側向力或剪切載荷,本體也承受大拉扭復合載荷[5-6],為此需對上述部件進行安全性分析。

2.1 本體的應力

本文利用 CAE軟件計算了扭矩 10～50 kN·m、軸向載荷 100～500 kN條件下φ139.7 mm(51/2英寸)規格防磨減扭工具本體的工作應力。力學模型如圖2a,應力云圖如圖2b,由應力云圖可以看出,本體應力主要集中在鋼球槽及靠近鋼球槽的頸部。

工作應力隨軸向負載 (對應不同的軸向安放位置)和扭矩的變化曲線分別如圖3(扭矩取20 kN·m)和圖4(軸向載荷 250 kN)所示。由計算可知,在常用扭矩和拉伸載荷范圍內工具本體的安全系數遠大于 2.5(本體材料為 35Cr Mo,屈服強度約為 835 MPa),其結構安全性滿足使用要求。

2.2 側向載荷作用下鋼球的接觸應力

在狗腿度稍嚴重的井段,由于拉伸作用,減扭防磨工具承受側向力,該側向力通過復合套對鋼球形成擠壓作用,為確保鋼球的工作安全性進行鋼球的接觸力學分析。根據威德福公司減阻防磨工具的使用經驗,該類工具工作時承受的側向力通常為0～3 kN,最大不會超過 8 kN,本次計算取 3～8 kN。工具與井壁接觸時,通常情況下由 4個鋼珠同時承受側向力 (上下各相鄰的 2個鋼珠),在極少的瞬時由 2個鋼珠同時承受側向力 (上下各 1個鋼珠),本文取極限工況 (后者)對鋼球的接觸應力進行分析計算[7]。圖5為鋼球的應力云圖和半剖視圖,圖6為鋼球峰值應力隨側向力的變化曲線。由圖6可看出,在常見的側向力工作范圍 (＜3 kN)鋼球的工作安全系數約為 2.5(石油井下工具軸承的屈服強度一般在 1 930 MPa左右),在概率極小的極限工況下(上下均僅有 1個鋼球負載且側向力為 8 kN),鋼球的安全系數仍≥1,因此該設計的安全性可以滿足使用要求。

圖5 鋼球應力云圖及半剖視圖

圖6 鋼球側向力對最大應力的影響

2.3 螺栓抗剪應力

減扭防磨工具的 2個復合套使用高強度螺栓連接。連接后的螺栓承受一定的預應力;工具在井下工作的某些瞬時,在 2個復合半套對接面處,螺栓受側向力引起的剪切作用。為確保螺栓的工作安全性,采用有限元方法[8]分析了考慮預應力的螺栓惡劣工況 (4個螺栓共承受 8 kN的側向剪切力)下的工作應力。圖7為螺栓應力云圖,螺栓的峰值應力主要集中在 2個復合半套的連接處,峰值為 394.4 MPa(螺栓的強度等級是 10.9級,屈服強度為 900 MPa),由分析可以看出螺栓設計也是可以滿足使用要求。

圖7 工具螺栓應力云圖

3 結論

1) 根據對主要承載部件和易損件的力學分析,分體軸承式減扭防磨工具的設計方案是可行的,其安全性滿足使用要求。

2) 分體軸承式減扭防磨工具可用于大位移井和深直井中。合理安裝工具在鉆柱上的位置及數量可有效減少摩阻扭矩并起到防磨作用、防止或者減少因摩阻扭矩過大引起的鉆柱事故、提高機械鉆速、延長油井壽命。

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Design and Safety Analysis of Torque-reducing and Anti-galling Tool of Splitting-bearing

LIAO Qian-hua1,ZHU Xiao-hua2,LIU Shao-hu2,SHI Chang-shuai2,DU juan1,LIU Hong3

(1.CNOOC(China)Ltd.-Tianjin Branch,Tianjin300452,China;2.College of Mechanical and Electronic Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China;3.Shengli Oilfield Highland Petroleum Equipm ent Co.,Ltd.,Dongying257091,China)

TE921.203

A

1001-3482(2010)05-0030-03

2009-11-05

國家自然科學基金項目(50804040);西南石油大學校級自然科學基金項目 (2007XJZ093)

廖前華 (1977-),男,湖北洪湖人,工程師,1999年畢業于江漢石油學院石油工程專業,主要從事鉆井工藝及工具研究,E-mail:liaoqh@cnooc.com.cn。