基于Solidworks 的防卡穩定器機械強度分析

胡國金 魏 然 庹海洋 金 琳 韓雪銀 孫永樂

（1、中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452 2、中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452）

1 概述

卡鉆是工時損失的主要根源之一，卡鉆事故耗費了大約3%的上游總投入；在卡鉆事故中大約60%～70%的事故是機械事故；如何緩解卡鉆及解除卡鉆事故是鉆井界一個永恒的研究課題；卡鉆緩解技術是在發生卡鉆時，能建立循環和壓力平衡通道，使得鉆具可以活動而不被卡死，防止造成地層壓漏，使卡鉆事故得到緩解[1-3]。

基于此，一種防卡穩定器便應運而生，即常規穩定器+破裂膜，形成不僅具有常規穩定器功能，而且具有壓力補償流道，平衡兩端壓力；因此提高了鉆井時效，降低了鉆井風險，并且節約了鉆井成本。同時，為保證防卡穩定器井下工作的安全性，本文對防卡穩定器機械強度進行詳細的理論計算和優化設計，并進行了現場應用。

2 防卡穩定器結構原理介紹

防卡穩定器主要由母扣、內孔、螺釘、壓板、壓帽、破裂膜、流道、扶正翼、本體及公扣組成；工具結構如圖1 所示，所述母扣/公扣為石油用專用扣，也可為特殊扣，這樣可以滿足不同客戶的要求；所述壓板數量為6 個，用于壓死破裂膜；所述扶正翼數量為3 個，其表面噴涂耐磨合金或者鑲嵌硬質合金柱，客戶可以自行選擇；所述流道和中心孔不連通；所述壓帽在破裂膜之下，用于支撐破裂膜。

當發生環空堵塞時，在穩定器扶正翼上下兩端將形成壓差，當壓差超過破裂膜設定閾值，則使得工具破裂膜破裂，從而打開該工具上的壓力補償流道，平衡兩端壓力；假如鉆井液喪失循環能力，泵壓迅速增加；如果不立即采取補救措施，鉆具就很容易發生卡鉆，堵塞形成一個密封腔，除了發生卡鉆；同時也會引發，環空壓力升高壓破地層，誘發井漏和隱藏的一系列井控問題；當發生堵塞形成的腔內壓力得到釋放時，鉆具將有效地得到解卡。

3 防卡穩定器機械強度分析

3.1 概述

文中以11-3/4 " 防卡穩定器進行抗拉/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42CrMnMo，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。

3.2 理論依據

由參考文獻[4]知，最大拉/壓力計算式為：

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。

最大扭矩計算式為：

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。

3.3 校核模型的建立

利用Solidworks 對防卡穩定器進行三維建模并劃分網格，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14440，單元數8880，自由度數51248。

3.4 邊界條件設置

對模型的抗拉載荷及邊界條件：防卡穩定器一端進行固定，另一端加荷載。模型的抗扭載荷及邊界條件：防卡穩定器刀翼上端進行固定，對刀翼加扭矩。

圖1 防卡穩定器結構示意圖

3.5 強度載荷分析

11-3/4″防卡穩定器抗拉分析結果如圖2、圖3 所示，通過反復加載（300T、500T），防卡扶正器最大應力都未達到材料最大屈服強度，且最大屈服強度為1.44e+008Mpa，小于材料抗拉強度，滿足設計要求。

圖2 防卡穩定器von Mises 應力（300T）示意圖

圖3 防卡穩定器von Mises 應力（500T）示意圖

11-3/4″防卡穩定器抗扭分析結果如圖4、圖5 所示，通過反復加載(50KN.m、80KN.m)，防卡穩定器受扭，都未出現防卡穩定器扭曲現象，滿足設計要求。

圖4 防卡穩定器von Mises 應力（50KN.m）示意圖

圖5 防卡穩定器von Mises 應力（80KN.m）示意圖

目前海洋鉆井φ311mm 井眼鉆具組合是：12-1/4″PDC 鉆頭 +9″ Xceed+8-1/4″ ARC +8-1/4″ MWD+8″ NMDC+8″F/V×+11-3/4″倒劃眼穩定器+5-1/2″加重鉆桿+5-1/2″鉆桿。根據鉆具組合可知，11-3/4″防卡穩定器機械強度只要和常規穩定器的機械強度相當就行，查閱鉆井手冊，其機械強度滿足設計要求。

4 現場應用

4.1 渤中34 區塊某井概況

在渤中34 區塊某井12-1/4″井眼井段進行了為期3 天的現場應用，鉆具組合：12-1/4″PDC 鉆頭+9-5/8″PDM×1+8″F/V+11-3/4″防卡穩定器+8″NMDC+8″MWD + 8″SNMDC+7-3/4″（F/J+JAR）+X/O+ 5-1/2″HWDP×14。

4.2 試驗結果分析

某井所處井區明化鎮地層膠結疏松，地層蠕變性很大，經常出現井眼縮徑現象；下鉆遇阻和倒劃眼憋壓憋扭及抬鉆具等現象，尤其倒劃眼起鉆時間比例在起鉆時長中占據70%～85%。某井在正常鉆井至2876m 后，倒劃眼起鉆至1011m，為保證井眼清潔性，中途2560m、2200m、1912m、1523m 及1011m 大排量循環干凈；然后直接起鉆至井口。倒劃眼起鉆過程中返出較多井壁削落的細碎巖屑，全過程僅局部井段泵壓輕微波動，無憋卡現象；起鉆至井口，檢查防卡穩定器，工具完好；雖然倒劃眼過程中，倒劃眼速度和常規穩定器相差不大，但是其能建立循環和壓力平衡通道，使得鉆具可以活動而不被卡死，為處理卡鉆事故贏得時間。

4.3 現場推廣應用

隨著11-3/4″防卡穩定器在BZ34 區塊應用成功后，于2020 年在渤海油田其它區塊進行推廣應用，現場使用了4 井次，現場效果良好。雖然防卡穩定器在使用過程破裂膜都未破裂，起鉆后檢查該工具都十分完好，破裂膜處存在少許泥巴，并不影響工具使用效果，因此，該工具具有先進性和良好的市場推廣價值。

5 結論

5.1 防卡穩定器不僅具有常規穩定器功能，而且具有壓力補償流道，平衡兩端壓力；因此提高了鉆井時效，降低了鉆井風險，并且節約了鉆井成本。

5.2 建立了防卡穩定器的極限抗拉載荷和抗扭載荷的模型，并利用有限元軟件進行分析計算，結果表明防卡穩定器的極限抗拉載荷和抗扭載荷都能滿足鉆井的實際需要。

5.3 通過對防卡穩定器機械強度理論計算，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。