鉆分級箍管柱防反轉工具設計與應用

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(中國石油渤海鉆探工程有限公司 井下技術服務分公司，天津 300283)

在深井和超深井的長水泥封固段、易滲透地層及低壓油氣井易漏失段、多層壓力體系或上下溫差較大的井段固井時，通常采用分級注水泥技術，即利用連接在套管串上的分級箍將固井段分成多段，分多次完成注水泥作業[1-6]。水泥凝固后，為保持井筒暢通，需使用油管連接螺桿鉆具+六棱鉆頭下至分級箍位置，將分級箍鉆磨掉[7-11]。鉆頭鉆磨金屬材質的分級箍時，入井管柱受到鉆頭的支反力產生反向轉矩而反轉，減小了傳遞到鉆頭的有效轉矩，導致鉆頭進尺慢，鉆分級箍難度大、效率低，嚴重影響了施工進度[12-14]。目前，井下作業的常規做法有2種，一是采用管鉗或纏懸繩將管柱固定，抵消鉆進時的反向轉矩，該方法存在安全隱患且效果不明顯；二是采用簡易頂驅固定管柱，但簡易頂驅成本消耗大，拆裝調試等過程復雜，延長了施工周期。為了安全有效地解決鉆分級箍時管柱反轉的問題，設計了一種操作簡單的管柱防反轉工具，并通過現場應用，驗證該工具的合理性和有效性。

1 防反轉工具設計

為了防止入井管柱反轉，在井口安裝防反轉工具。該工具主要包括工具支架、力臂環和夾緊裝置，如圖1所示。工具支架是由圓柱滑軌和半月形鋼板底座(如圖2)焊接而成，利用加強筋加固；力臂環與夾緊裝置通過圓柱鋼焊接，組成防反轉工具，傳遞反向轉矩。

1—圓柱滑軌；2—力臂環；3—半月形鋼板底座；4—夾緊裝置。

圖2 工具支架

夾緊裝置主要包括左右本體、緊固螺母、螺栓轉動銷、轉動連接銷、端蓋、固定螺栓、鉗牙和鉗牙固定塊等，如圖3所示。鉗牙固定塊上焊接鉗牙，插入左右本體上，上下通過端蓋壓緊，分體結構利于鉗牙簡單方便的更換。轉動連接銷鉸接左右本體的背面，可使夾緊裝置本體旋轉，利于夾緊裝置靈活打開和扣合。螺栓轉動銷鉸接固定在右本體上，利用緊固螺母將合并后的左右本體緊固，從而使鉗牙咬合井口管柱，如圖4所示。

圖3 夾緊裝置與力臂環示意

圖4 咬合井口管柱示意

防反轉工具的工作原理為：在鉆分級箍時，工具支架下端的半月型鋼板底座與自封封井器下法蘭的螺栓孔眼對齊，使用螺栓牢固固定，而自封封井器與雙閘板防噴器緊固，相當于將工具支架固定于地面上。安裝防反轉工具時，將力臂環套入圓柱滑軌，夾緊裝置的左右本體套入鉆分級箍的井口管柱，擰緊緊固螺母使鉗牙夾緊井口管柱，并在井口管柱的上端連接水龍帶。鉆進過程中，開泵正循環動力液，使螺桿鉆具帶動六棱鉆頭鉆磨分級箍，如果產生反向轉矩，入井管柱帶動井口管柱和與之配合的夾緊裝置，有反轉的趨勢，此時，夾緊裝置在力臂環和工具支架的限制下，反向轉矩傳遞至工具支架，而工具支架與自封封井器固定連接，從而有效抵抗反向轉矩的作用，防止入井管柱反向轉動。力臂環在圓柱滑軌上，在鉆頭鉆進時可向下滑動，不影響正常鉆進過程。

2 鉗牙結構的優化設計

鉗牙是防反轉工具的關鍵部件，是井底反向轉矩與井口抵抗力的直接作用點。鉗牙結構的優劣直接影響了防反轉工具的施工效果[15]，首先要保證鉗牙的強度，避免鉗牙磨損或斷裂；其次要保證鉗牙與井口管柱間的摩擦力，避免反轉矩作用時井口管柱打滑，起不到防反轉的作用；最后要保證井口管柱的外壁不被鉗牙咬傷。

2.1 牙型設計

普通液壓鉗的鉗牙粗大、鋒利且稀疏，與管柱線接觸，接觸面積較小，一般通過提高徑向力的方法增大鉗牙與管柱的摩擦力，容易造成管柱劃傷甚至變形[16]。在徑向力一定的情況下，為了提高鉗牙與管柱的摩擦力，且不損傷管柱，可以采用增加鉗牙與管柱的接觸面積的方法。

設計了一種四棱臺形鉗牙，如圖5所示。圓弧面上離散均布著細致緊密的四棱臺形牙齒，將與管柱的線接觸升級為面接觸。牙齒圍繞管柱周向均勻貼合，緊密抱緊管柱，不僅可獲得足夠抵抗管柱反轉的摩擦力，而且點狀分布的牙齒可將徑向力均勻分散到管柱上，減少井口管柱上與牙齒接觸處的應力集中，使得受力更加均勻，井口管柱和牙齒的應力、應變均減小，從而避免牙齒和管柱的損害。

圖5 鉗牙示意

2.2 材料優選

為了延長鉗牙的使用壽命，優選碳素鋼T8作為牙齒的加工材料，表面滲碳處理，并在鉗牙表面噴涂硬質合金涂層，使牙齒具有足夠的韌性和較高的硬度。牙齒材料的屈服強度930 MPa，彈性模量223 GPa，泊松比0.277。牙板經過多次冷擠壓后內部組織增強，為高韌性的結構鋼件。牙齒和牙板通過擴散焊復合，進一步處理后使鉗牙壽命大幅提高。利用科爾馬諾熔焊作為鑲焊料將鉗牙焊接到鉗牙固定塊上，保證在使用過程中不開裂。

2.3 布置方式優化

為了改善牙板的受力情況，最大限度地增加牙齒與管柱的接觸面積，采用六牙板周向交接全封閉式布置方式，如圖6所示。六塊牙板60°周向均勻布置，完全抱緊管柱，對稱性的布置方式使每個牙板受力均衡，使牙齒對管柱的作用力更均勻。

牙板設計為內凹弧形，根據管柱的外徑設計牙板的角度。鉆分級箍時的管柱為73 mm(2英寸)加厚油管，設計牙板的圓周角為49°，牙板圓弧內徑為29 mm，如圖7所示。可保證牙板與管柱曲面全切貼合，使管柱不易打滑。

圖6 牙板布置方式示意

圖7 牙板尺寸

3 現場應用

該防反轉工具已在現場應用10余口井。以大港油田羊3H35井為例，該井使用?139.7 mm油層套管，造斜點264.89 m，完鉆井深1 766 m，井斜角93.10°/1 662.53 m；分級箍所在井深1 599 m，長度0.84 m。完井管柱結構自下而上為：?139.7 mm雙閥式引鞋(1 750 m)+?139.7 mm短套管+礫石充填工具(1 748 m)+?139.7 mm短套管+?139.7 mm精密復合濾砂管串(1 745～1 625 m)+?139.7 mm套管串+?139.7 mm盲板(1 614 m)+?139.7 mm短套管+?190 mm裸眼封隔器2套(兩端加?210 mm扶正器，1 611～1 602 m)+?139.7 mm短套管+?168 mm分級箍(1 599 m)+?139.7 mm套管串(至井口)，如圖8。

圖8 羊3H35井完井管柱示意

在井口安裝防反轉工具，在相同施工參數下繼續鉆進，如圖9所示。現場應用顯示，防反轉工具成功抑制了入井管柱的反轉，繼續施工4 h，鉆穿分級箍，鉆頭進尺0.60 m，機械鉆速0.15 m/h，鉆速提高了5.25倍，提速效果顯著。施工過程中，無需人員在井口進行操作，保證了施工的安全進行，且整個工具工作穩定，無任何受力薄弱環節。施工后井口管柱無明顯牙痕。由此可見，該防反轉工具安全有效，可提高鉆分級箍的工作效率，縮短施工周期，不損傷井口管柱，解決了鉆分級箍時出現的管柱反轉問題。

圖9 現場應用

4 結論

1) 設計了一種防反轉工具，通過夾緊裝置抱緊井口管柱，在力臂環和工具支架的限制下，有效抵抗反向轉矩的作用，防止入井管柱反向轉動。解決鉆分級箍時管柱反轉問題。

2) 設計的四棱臺形鉗牙，優選牙齒材料為碳素鋼T8；六牙板周向交接，全封閉式布置，使夾緊裝置緊密咬合井口管柱，且對鉗牙和井口管柱不造成損害。

3) 防反轉工具可提高機械鉆速5.25倍，施工過程中無任何受力薄弱環節，施工后井口管柱無明顯牙痕。

4) 該工具結構簡單，安全有效，可提高鉆分級箍的工作效率，縮短施工周期，不損傷鉗牙和井口管柱，可徹底解決鉆分級箍時出現的管柱反轉問題。