新型套管鍛銑器仿真分析

華澤君 方濤 姜宏元 韓天旺

摘要：鍛銑作業廣泛應用于井筒棄置和套管開窗側鉆作業中，是一種非常規處理套管的手段。隨著油氣井開發的逐步深入，一些開發較早的油氣井產量下降，不具備開發價值，面臨棄置和井筒重入的問題，國內目前對于鍛銑器的研究較少。本文主要針對新型套管鍛銑器工具的總體方案設計，關鍵結構研究，關鍵部件仿真分析，樣機試制等方面進行了研究，為國內海上棄井用大直徑鍛銑工具的研制提供了重要參考。

關鍵詞：棄井，套管鍛銑，仿真模擬，鍛銑工具

引言：

套管鍛銑技術廣泛應用于井筒棄置、老井開窗側鉆換井底，套管變形處理、井下事故處理等作業中的一種非常規技術。

工作原理是將鍛銑器入井，在水力作用下使鍛銑器刀片張開，旋轉管柱張開的銑刀對套管進行切割，當套管被完全割斷時，刀體撐開到最大，此時緩慢下放鉆具給刀體加鉆壓進行磨銑作業[1]。由于鍛銑器需要同時承擔切割和磨銑的工作任務，以及延長鍛銑工具的切削壽命和提高切削速度技術難點的制約，國內鍛銑工具套管普遍存在切割速度、鍛銑速度和使用壽命不穩定等問題[2-3]。因此對新開發的鍛銑工具進行仿真分析，找出工具的薄弱點，以便于對工具進行改進，提高使用壽命。

1新型套管鍛銑器工具結構

該套管段銑工具主要零件包括上接頭、工具本體、刀座、刀體、銷軸、彈簧、活塞和活塞桿以及相關的密封件，鍛銑器用于鍛銑掉某一區段內的全部套管，由上接頭、彈簧、防掉銷、彈簧壓圈、刀體套筒、活塞、銷軸、刀體部件、孔用U形圈、扶正接頭部件等零件組成。

2 新型套管鍛銑器關鍵結構研究

2.1 活塞推力校核

鍛銑器是利用修井液通過噴嘴的壓降作用在其活塞上而產生推力。設活塞面積為S，壓力降為△P，彈簧回彈力F2，零件摩擦阻力Fμ，活塞重力G，三個刀體產生的總推力值：

F=△P·S-F2- +G ? ? ? ? ? ? （2-1）

只需將鉆井液參數稍作調整，增大鉆井液排量，即可實現想要的推力

密封件摩擦阻力計算：設硬橡膠彈性模量E，承載面積AL，膠件變形量△h，膠件高度h，摩擦系數n，膠件數量n，根據橡膠元件在壓縮時的變形量與負荷關系，密封件的正壓力公式、摩擦力公式如下：

式（2-4）中，G為剪切彈性模量，d為彈簧直徑，D2為彈簧中徑，h1為彈簧預壓量，n為有效圈數。將設計數據代入可得：F1=1.327kN?？芍?/p>

F1> +G

即彈簧回彈力大于密封件摩擦力加活塞自重，彈簧可使活塞復位，符合設計要求。

2.2 ?工具本體應力分析

根據工具設計條件對工具進行強度校核，考慮到該工具連接在3-1/2″鉆桿上使用，為安全起見，要求工具本體應在3-1/2″鉆桿極限操作參數下安全使用，即抗拉能力要不低于1700kN、抗扭不低于35.1kN·m。

對工具本體進行數值模擬分析，使用ANSYS-CFD軟件對本體下部母螺紋處進行固定約束，對上部母螺紋處分別施加拉力和扭矩，建立工具本體有限元模型和網格模型。同時由于本體工具開槽和各種定位小孔較多，對中部局部區域進行網格加密處理，網格數為80萬。

工具本體在1700KN極限拉力作用下的應力分析

在圖2-1所示中，最大的VonMises應力出現在A-A截面上銷軸孔壁上，為1134MPa，接近設置的材料極限應力值;其次在安裝槽下端面的B-B截面上，VonMises應力值約為976MPa，安裝槽上端面截面突變的連接處產生應力集中，VonMises應力值約為973MPa，其值均剛剛超過設置的材料屈服應力值，這些區域在工具首次處于極限狀態下工作后，超過屈服點會應力強化，后續屈服點數值均會提高，能夠滿足極限操作參數下的應用.

工具本體在35.1kN·m極限扭矩作用下的應力分析

圖2-2，工具本體在極限操作扭矩作用下，在A-A截面距離定位銷釘較近的銷軸孔壁上出現最大VonMises應力，應力值為1397MPa，超過了設置的材料極限應力值，理論上會出現裂紋;而A-A截面上其他區域VonMises應力值多為1114MPa，尚未達到材料的強度極限，且本文計算采用的931MPa屈服點，是材料的屈服點范圍下限值。綜合考慮，超過強度極限的區域，不足以導致整個工具的斷裂，該工具還是可以用在3-1/2″鉆桿極限操作參數下，但盡量不要使其在極限狀態下工作。在刀體安裝槽上部頂面上，由于截面突變在連接處產生的應力集中為994MPa，在B-B截面上，最大VonMises應力出現在刀體安裝槽的兩側，約為1123MPa，均為應力強化階段。

通過對工具本體兩種工況進行計算和分析，綜合分析以上區域的應力分析，雖只有部分很小區域會產生微裂紋，但是考慮到這些微裂紋極有可能成為工具破壞的裂紋源，建議在該工具上盡量不要施加極限參數，或者施加極限參數后，應對銷軸孔截面處、刀體槽下部截面倒角處等截面區域重點進行探傷和評價。

綜上，本體在1700KN極限拉力、35.1kN·m極限扭矩200kN·m作用下安全，本體抗拉、抗扭能力均滿足設計要求。

3 結論

制定了新型套管鍛銑器工具的整體技術要求及設計方案，完成了對關鍵結構的力學分析，并對關鍵構件進行仿真模擬強度分析校核，保證了工具的可靠性。

通過對關鍵結構的力學分析，并對關鍵構件進行仿真模擬強度分析校核，找出了鍛銑器的結構薄弱點，對今后套管鍛銑器的結構設計提供了設計思路。

工具設計主要以7英寸的規格進行設計研究并進行了樣機試制，新型鍛銑器結構設計和材料選擇合理，能夠滿足現場施工中對套管鍛銑的要求，而其他尺寸套管鍛銑器工具的研究均可參考此方法。

參考文獻：

[1]陳新勇，付瀟，李東杰，陳新海，王金帥，賈鳳磊，劉超.國內老井側鉆技術研究現狀及展望[J].石油礦場機械，2019，48（06）：73-76.

[2]常篤，陸紅軍，齊銀，張育超，任勇，吳娜.安塞特低滲透油藏側鉆井提高單井產量技術研究[J].鉆采工藝，2019，42（05）：56-58+9.

[3]劉炎炯，胡忠民，劉輝，等.小井眼復雜段套管鍛銑工藝技術與應用[J]. 石化技術，2015，22（01）：53-54.