單彎螺桿鉆具下入套管可行性分析

祝效華 高 原 劉少胡 許建民

（1.西南石油大學機電工程學院，四川成都 610500；2.中國石油長城鉆探工程有限公司，北京 100011）

彎外殼螺桿鉆具下入井口段套管的過程中，由于鉆具與套管環空空間較小，而螺桿鉆具結構彎角較大，彎螺桿鉆具初始下入困難。目前井隊基本都未配備專用的壓入裝置，因此預先評估設計的彎殼體螺桿鉆具組合的可下入性就非常重要。

彎外殼螺桿鉆具能否順利下入套管主要取決于鉆具組合和井壁間摩擦力的大小。對于彎外殼螺桿鉆具下入性研究，本質上是研究彎外殼螺桿鉆具依靠自重在套管內的運動、受力與變形。采用有限元仿真技術，以1~2.75°共8種不同結構彎角的?172 mm單彎螺桿鉆具下入?244 mm套管為例，分析了單彎螺桿鉆具在下入套管時的應力分布規律及不同結構彎角大小對單彎螺桿鉆具下入性的影響。

1 計算模型

1.1 單彎螺桿鉆具結構

圖1所示為單彎螺桿鉆具的幾何結構。L1為鉆頭到螺桿鉆具殼體彎點的距離，L2為螺桿鉆具殼體彎角到鉆具組合頂部的距離。根據不同的造斜要求，結構彎角γ的大小可選擇不同的數值。

圖1 單彎螺桿鉆具組合模型

1.2 有限元計算模型

單彎螺桿鉆具下入套管前，套管軸線與Y軸重合，螺桿鉆具結構彎角以上部分軸線平行于Y軸。鉆頭端面中點與套管中軸重合，見圖2。

圖2 單彎螺桿鉆具組合下入套管前模型（部分）

1.3 單彎螺桿鉆具下入性判斷準則

自由狀態的單彎螺桿鉆具在下入套管時受到套管內徑的限制會發生變形，變形產生的支反力和摩擦力可能導致下入困難。單彎螺桿鉆具下入時應遵循下入準則和安全準則。

（1）下入準則。鉆具組合依靠鉆具本身自重應能夠克服摩擦力下入套管。下入準則計算公式

式中，f為摩擦力，N；μ為摩擦因數；∑Fi為下部鉆具與套管接觸點處的接觸力，N。該模型中摩擦因數選取0.25。

（2）安全準則。螺桿鉆具組合的工作應力要小于許用應力，不會發生斷裂破壞，滿足鉆具組合的后續作業要求。

2 實例計算及結果分析

分析中采用的鉆具組合結構為：?216 mm鉆頭+?172 mm單彎螺桿馬達+?216 mm扶正器+?165 mm鉆鋌+?165 mm浮閥接頭+?165 mm撓性接頭+（?165 mm震擊器）+?127 mm加重鉆桿，下入?244 mm套管。鉆頭到彎點距離L1為2330 mm，彎點到螺桿鉆具組合頂部距離L2為27070 mm。單彎螺桿鉆具結構彎角計算選取區間為：1~2.75°。

2.1 結構彎角對單彎螺桿鉆具下入性影響

圖3、圖4為結構彎角1~2.75°的?172 mm單彎螺桿鉆具下入?244 mm套管過程中產生的總支反力，即多個支點支反力絕對值的和。

圖3 結構彎角為1~1.5°時的支反力

圖4 結構彎角為1.75~2.75°時的支反力

由圖3、圖4可以看出：彎外殼螺桿鉆具在下入套管過程中，總支反力的幅值是變化的，這與彎螺桿組合受迫狀態和接觸支點個數的變化密切相關，整個下入過程中的支反力峰值及彎螺桿組合重力的軸向分量決定了彎螺桿鉆具組合能否順利下入；總支反力峰值與結構彎角基本上呈正比關系。

根據ABAQUS仿真結果，結合圖3、圖4，當?172 mm螺桿彎角小于等于2.5°時，下入過程中彎螺桿組合重力的軸向分量始終大于總支反力形成的摩擦力，彎螺桿組合可以順利下入；當螺桿彎角等于2.75°時彎螺桿組合支反力曲線在出現一個波動后趨于平直，此時只有部分彎螺桿組合下入套管，彎螺桿組合重力的有效軸向分量小于支反力形成的摩擦阻力，彎螺桿組合卡在井口，不能繼續下入。不同結構彎角螺桿組合下入過程中的最大支反力和摩擦阻力見表1。

表1 不同彎角螺桿組合下入套管時的計算結果

2.2 應力分布規律

由仿真結果可知：單彎螺桿鉆具通過套管時，螺桿鉆具結構彎角殼體處的應力是整個螺桿鉆具組合應力最高的地方，見圖5。不同結構彎角螺桿組合下入過程中的最大應力見表1，由表1可知2.5°彎螺桿組合下入過程中的最大應力約為屈服強度的四分之一，從靜力學的角度該組合是安全的。

圖5 2.5°彎螺桿鉆具結構彎角處應力云圖

3 結論與認識

（1）研究表明，單彎螺桿鉆具組合下入過程中的總支反力，摩擦力以及結構彎角處最大應力都隨著螺桿鉆具結構彎角的增大而增大。當結構彎角小于等于2.5°時，?172 mm單彎螺桿鉆具可以依靠本身自重在?244 mm套管內順利下入；當結構彎角等于2.75°時，螺桿鉆具無法依靠自身重力順利下入，需要附加外力強行將螺桿鉆具壓入套管。

（2）螺桿鉆具常在大修后多次入井使用，殼體難免出現疲勞裂紋或材料退化，大角度的殼體在重復下井時應對其疲勞壽命進行預估，以減少殼體井下斷裂機率，確保安全鉆井。

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