基于solidworks的領眼磨鞋機械強度分析

韓東東 向良煒 李波 呂廣（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 天津300452）

在當前石油環境下，調整井成為穩產增產的主要措施之一。由于平臺槽口數量有限，鉆井井口日趨緊張，低產低效的老井眼成為了調整側鉆的主要目標。能否有效利用老井眼，關鍵因素是滿足鉆井和后期生產需要，這就需要取出淺層套管，尤其是雙層套管，難度很大且國內外沒有成熟的經驗供借鑒。因此對老井眼側鉆井筒準備的前期各層套管處理引起了越來越多的關注。

在處理各層套管至滿足大井眼側鉆井筒準備作業中，常規的切割、套銑工藝處理，可滿足處理單層或同時處理多層套管，但受井況的制約，現有套銑工具在作業中會出現托壓、套劈套管、套漏隔水導管、井口震動劇烈等問題。井況復雜的情況下只能采用領眼磨鞋來磨銑。為保證井下鉆具的安全性，本文對領眼磨鞋的機械強度進行詳細的理論計算并進行現場應用。

1 領眼磨鞋結構原理

領眼磨鞋主要由母扣、本體、螺旋刀翼、扶正翼、內孔、公扣、合金塊及合金顆粒組成。所述母扣/公扣為石油用專用扣，可根據客戶要求，選擇不同扣型以滿足不同用途；所述螺旋刀翼焊接在本體上，在保證強度前提下，可以重復利用本體，從而降低生產成本；所述螺旋刀翼數量為奇數，類似三角形穩定原理，以提高磨銑過程中的穩定性；所述螺旋刀翼一側敷焊合金塊，用于磨銑套管；所述扶正翼也焊接在本體上，目的也是方便本體重復利用；所述扶正翼表面敷焊硬質合金顆粒，以提高其耐磨性。

現場作業過程中，當套管不居中時，套銑/磨銑效率非常低，新型領眼磨鞋用切削代替磨削，大大提高作業效率，縮短調整井項目工期，從而達到降本增效的目的。同時，該工具為一體式，螺旋刀翼和扶正翼焊接在本體上，加工簡單，維修方便；螺旋刀翼為螺旋狀，減少在使用過程中的變形；螺旋刀翼數量為奇數，類似三角形穩定原理，以提高在磨銑過程中的穩定性；通用性強，適應性廣。

2 領眼磨鞋機械強度分析

2.1 概述

文中以13-3/8"套管用的領眼磨鞋進行抗拉/抗扭分析，采用Solidworks 建模并校核，材料用石油井下工具常用材料40CrMnMo，其力學性質如下：抗拉強度845MPa，屈服強度650MPa，以此作為分析極限荷載的依據。

2.2 理論依據

式中：F為最大拉/壓力值；σs為屈服強度值，是材料固有屬性，A是工具橫截面積。

式中：T為扭矩值；τ為剪切應力值，W為抗彎截面系數，與鉆柱的截面形狀和大小相關。

圓環抗彎截面系數計算式為：

式中：D為圓環截面外徑，d為截面處內徑。

2.3 校核模型的建立

利用Solidworks 對建立的分析用的三維實體模型網格劃分，網格劃分采用四面體單元，并適當根據模型的形狀對需要精化的位置進行較細的劃分，最終使模型不存在小的棱角以及小面，最大程度的避免由于網格劃分原因造成的應力集中，節點數15698，單元數9480，自由度數46635。（見圖1）。

圖1 領眼磨鞋網格劃分示意圖

2.4 邊界條件設置

一般要求13-3/8″領眼磨鞋抗拉150 噸（1500KN），抗扭20KN.m，根據領眼磨鞋實際工作狀態，抗拉模擬時，假設領眼磨鞋公扣斷面固定約束，1500KN加載在領眼磨鞋母扣斷面；抗扭模擬時，假設領眼磨鞋公扣斷面和母扣斷面都固定約束，20KN.m加載在領眼磨鞋刀翼右端面。

2.5 強度載荷分析

13-3/8″領眼磨鞋抗拉分析結果顯示，當領眼磨鞋公扣斷面固定約束，母扣斷面加載1500KN時，領眼磨鞋von Mises應力最大值193Mpa，相當于材料屈服值的25%，因此工具抗扭強度滿足設計要求；在母扣斷面加載1500KN 條件下，13-3/8″領眼磨鞋軸向位移變形0.5mm，相對于領眼磨鞋長度2200m而言，變形量非常小，因此領眼磨鞋軸向變形可以忽略不計。

13-3/8″領眼磨鞋抗扭分析結果顯示，當領眼磨鞋公扣斷面和母扣斷面固定約束，刀翼右端加載20KN.m扭矩時，領眼磨鞋von Mises 應力最大值588Mpa，小于材料屈服極限值，因此抗扭滿足設計要求。

3 現場應用

3.1 實驗井試驗

3.1.1 某井基本情況介紹

綏中36油田某關停井位于渤海遼東灣海域，鉆遇地層自上而下為：平原組、明化鎮組、館陶組、東營組及沙河街組等，井身結構為三開，既?609.6mm+?406.4mm+?311.15mm；由于該井高含水，故設計從該井130m處側鉆，新井眼沿用了老井眼表層隔水導管；新井為水平井，設計井深2358m，井身結構為四開，既? 609.6mm+?406.4mm+?311.15mm+?215.9mm。

3.1.2 試驗結果分析

不管采用波浪底齒型銑鞋還是長城底齒型銑鞋，都無法有效提高機械鉆速；同時套管已被套劈，則說明套管不居中；于是提出嘗試采用切削工藝處理剩余13-3/8"套管，切削鉆柱組合：5"鉆桿+13-3/8"領眼磨鞋工具（見圖2）+6-1/2"DC+5"加重鉆桿；切削工藝參數：鉆壓3～4T，轉速60r/min，扭矩8～10KN.m；切削效果明顯，平均機械鉆速達到2m/h，鐵屑返出也明顯；為了保持井眼清潔，避免鐵屑在環空堆積蹩停頂驅，切削時每2h掃一次稠漿（5 方）；領眼磨鞋刀翼共磨損34cm 且各刀翼磨損均勻，都屬于正常磨損，如圖3 所示，最終處理13-3/8 "套管到141.5m。

圖2領眼磨鞋工具

圖3 出井領眼磨鞋

4 結語

（1)針對因套管不居中造成套管被套劈情況，建議采用套管切削工具處理，其機械鉆速達到2m/h；同時，為了保持井眼清潔，避免鐵屑在環空堆積蹩停頂驅，切削時每2h掃一次稠漿（5方）。

(2）通過對領眼磨鞋機械強度理論計算，為現場使用提供理論參考數據，近一步保障了井下工具的安全性。