一種新型分支井液壓旋轉(zhuǎn)工具的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

蔣暢，劉兆年，陳杰，劉禹銘，武廣璦，葉芳平

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

0 引言

分支井鉆完井技術(shù)因能解決海上油氣田開發(fā)中槽口緊張的問題，所以在國內(nèi)外備受重視，該技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)石油工業(yè)領(lǐng)域的重大技術(shù)之一。為了保證分支井下尾管作業(yè)的順利完成，需要設(shè)計(jì)一種液壓旋轉(zhuǎn)工具[1]。在分支井下尾管作業(yè)時(shí)，液壓旋轉(zhuǎn)工具安裝于尾管管柱連接器以下，尾管進(jìn)入分支井眼遇阻時(shí)液壓旋轉(zhuǎn)工具靠上下接頭的鎖定槽與活塞上的鍵把上下管柱鎖定在一起可傳遞轉(zhuǎn)矩，保證作業(yè)時(shí)可以旋轉(zhuǎn)管柱順利通過遇阻點(diǎn)。尾管到位后液壓旋轉(zhuǎn)工具可以通過泥漿泵打壓剪切銷釘，銷釘剪切后水壓推動(dòng)工具內(nèi)部活塞繼續(xù)下行，鍵從上接頭的槽中間脫出解鎖，實(shí)現(xiàn)上部管柱旋轉(zhuǎn)時(shí)不再把轉(zhuǎn)矩傳遞給下部管柱，保證連接器與空心斜向器順利配合座掛[2]。

液壓旋轉(zhuǎn)工具的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于在其內(nèi)部設(shè)計(jì)一種活塞腔，可以利用泥漿泵進(jìn)行打壓，然后在一定壓力下可以推動(dòng)活塞下移剪切銷釘。剪切銷釘后活塞腔里面的壓力可以繼續(xù)推著活塞上的鍵下移解除限位，以實(shí)現(xiàn)在上下部管柱不脫離的情況下上部管柱可以自由周向旋轉(zhuǎn)而不再傳遞轉(zhuǎn)矩給下部管柱。因此孔眼處的壓降與銷釘設(shè)計(jì)及剪切力是本工具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。因此，本文重點(diǎn)是從理論上證明液壓旋轉(zhuǎn)工具的可行性并通過現(xiàn)場試驗(yàn)對工具的性能進(jìn)行評價(jià)。

1 工具設(shè)計(jì)原理

根據(jù)分支井下尾管現(xiàn)場作業(yè)的基本情況分析，為了保證工具在作業(yè)過程中能順利通過開窗窗口，新設(shè)計(jì)的液壓旋轉(zhuǎn)工具的外徑應(yīng)不大于φ196 mm，為了保證工具內(nèi)部能通過防砂管柱，內(nèi)徑不小于φ157 mm。故設(shè)計(jì)液壓旋轉(zhuǎn)工具外徑為φ196 mm，內(nèi)徑為φ157 mm。為了保證尾管下入到位作業(yè)過程的安全性，不推薦使用傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)工具下壓解鎖的方式，因下壓旋轉(zhuǎn)存在尾管下入不到位的風(fēng)險(xiǎn)，所以液壓解鎖是一種理想的解鎖方式。

依據(jù)材料力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)手冊和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)初步形成了液壓旋轉(zhuǎn)工具的總體設(shè)計(jì)方案。液壓旋轉(zhuǎn)工具的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由本體內(nèi)部的活塞腔與起傳遞轉(zhuǎn)矩的活塞上的鍵組成，如圖1所示。工具最初為鎖定狀態(tài)，上下接頭內(nèi)部有鎖定槽靠活塞上的鍵鎖定在一起，在作業(yè)中可傳遞轉(zhuǎn)矩。需要解鎖時(shí)通過泥漿泵打壓剪切銷釘，銷釘剪切后活塞下行，活塞上的鍵從上接頭的槽中間脫出，上下管柱解鎖失去約束實(shí)現(xiàn)自由旋轉(zhuǎn)，不再傳遞轉(zhuǎn)矩給下部管柱，而上下接頭的外層管柱通過螺紋連接仍然保持連接不脫落。此工具可以通過調(diào)整銷釘?shù)男吞柵c數(shù)量可實(shí)現(xiàn)自由調(diào)整解鎖時(shí)所需要的液壓力[3]。此液壓旋轉(zhuǎn)工具特點(diǎn)是液壓解鎖、結(jié)構(gòu)簡單、操作簡單、安全性高。

圖1 旋轉(zhuǎn)接頭三維模型

由于液壓旋轉(zhuǎn)工具外徑與內(nèi)徑的限制導(dǎo)致各個(gè)零件厚度較薄，為了保證作業(yè)安全，液壓旋轉(zhuǎn)工具對制造材料有高強(qiáng)度、高韌性的要求。經(jīng)過論證，液壓旋轉(zhuǎn)工具制造材料選用40CrNiMoA合金鋼[4]。此種合金鋼是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)丶尤胍环N或數(shù)種合金元素（總含量不超過5%）而制成的鋼種，最小抗拉強(qiáng)度為980 MPa，最小屈服強(qiáng)度為835 MPa。由于液壓旋轉(zhuǎn)工具內(nèi)部在作業(yè)時(shí)有活塞運(yùn)動(dòng)，故采用具有液壓動(dòng)密封的O形密封圈作為主要密封件。O形密封圈應(yīng)選用具有較好的耐磨性和抗撕裂性能的材料。本工具設(shè)計(jì)采用丁腈橡膠（NBR），此種材料最高溫可達(dá)130℃，具有良好的力學(xué)性能，耐礦物基潤滑油和油脂，可滿足工具內(nèi)部的活塞在運(yùn)動(dòng)時(shí)的密封性與耐磨性要求[5]。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路在計(jì)算機(jī)上做出三維模型并做出圖樣，模擬作業(yè)過程中的受力情況，經(jīng)過分析，液壓旋轉(zhuǎn)工具中的下接頭螺紋退刀槽處在作業(yè)過程中承受拉力作用，且最為薄弱，根據(jù)分支井下尾管時(shí)的作業(yè)要求，工具抗拉900 kN。根據(jù)理論公式計(jì)算：

式中：F為設(shè)計(jì)最大承載拉力，取F=900 kN；D1為退刀槽處外徑，取D1=196 mm；D2為退刀槽處內(nèi)徑，取D2=183 mm；σs1為設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度，MPa；σs為40CrNiMoA屈服強(qiáng)度，σs=980 MPa。

根據(jù)理論計(jì)算可得出，工具材料選用40CrNiMoA合金鋼，屈服強(qiáng)度σs1=272 MPa≤σs=980 MPa，故液壓旋轉(zhuǎn)工具強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過分析，液壓旋轉(zhuǎn)工具作業(yè)中需要承受轉(zhuǎn)矩時(shí)，活塞鍵傳遞轉(zhuǎn)矩最為薄弱，設(shè)計(jì)最大承受轉(zhuǎn)矩為30 kN·m，根據(jù)理論公式計(jì)算：

式中：T為設(shè)計(jì)最大承扭，kN·m，取T=30 kN·m；D3為活塞鍵外徑，取D2=180 mm；D3為活塞鍵內(nèi)徑，取D3=173.5 mm；ω為設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度，MPa；τb1為設(shè)計(jì)剪切強(qiáng)度，MPa；τb為40CrNiMoA剪切強(qiáng)度，τb=686 MPa。

根據(jù)理論計(jì)算可得出，工具材料選用40CrNiMoA合金鋼，剪切強(qiáng)度τb1=453 MPa＜τb，故液壓旋轉(zhuǎn)工具強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)中工具的強(qiáng)度，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行有限元分析。以900 kN軸向載荷驗(yàn)證中心管強(qiáng)度。下連接套模型如圖2所示。在下連接套一端固定，另一端施加900 kN軸向拉力，利用有限元軟件分析了該部件的受力情況，如圖2計(jì)算結(jié)果可知，中心管最大應(yīng)力為620 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求[6]。

圖2 下連接套承受900 kN拉力應(yīng)力云圖

由于在作業(yè)中有其他液壓解鎖工具，所以此旋轉(zhuǎn)工具的解鎖壓力要控制在一定范圍內(nèi)。工具最大外徑為φ196 mm，最小內(nèi)徑為φ157 mm，設(shè)定液壓解鎖，剪切壓力700 psi。通過孔眼處壓降計(jì)算公式為

再根據(jù)壓強(qiáng)公式計(jì)算出在700 psi活塞的推力F=PS=1711220×0.0078=13347.52 N。

選擇2個(gè)1/4 in-20unc-2A型號黃銅剪切銷釘，材質(zhì)剪切值為330 MPa，單個(gè)剪切力為6068 N,單個(gè)銷釘剪切有效面積S2=18.389 mm2。銷釘被剪斷的總剪切力為

式中：Q為銷釘被剪斷的總剪切力，N；τb為銷釘材料抗剪強(qiáng)度，MPa。

通過理論計(jì)算在剪切壓力700 psi時(shí)，2個(gè)黃銅銷釘能被剪斷，此時(shí)液壓壓力可以推動(dòng)活塞上的鍵解鎖，完成工具解鎖設(shè)計(jì)要求。

通過前期的理論推導(dǎo)與模型設(shè)計(jì)模擬，驗(yàn)證了液壓旋轉(zhuǎn)工具采用40CrNiMoA合金鋼時(shí)的抗拉抗扭強(qiáng)度，以及在設(shè)計(jì)壓力下液壓旋轉(zhuǎn)工具能順利剪切銷釘以實(shí)現(xiàn)鎖定鍵下移，初步推導(dǎo)出液壓旋轉(zhuǎn)工具的可行性[7]。為了進(jìn)一步驗(yàn)證工具的可靠性，下一步根據(jù)液壓旋轉(zhuǎn)工具設(shè)計(jì)圖樣進(jìn)行加工試制，然后用實(shí)體工具進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

2 工具試驗(yàn)

2.1 液壓旋轉(zhuǎn)工具試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證液壓旋轉(zhuǎn)工具的性能及可靠性，根據(jù)圖樣要求加工好工具的各個(gè)部分，工具材料選用40CrNiMoA合金鋼，裝配2個(gè)1/4 in-20unc-2A型號黃銅剪切銷釘，整體組裝完成后運(yùn)送到專業(yè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行現(xiàn)場測試[8]。本次測試主要針對液壓旋轉(zhuǎn)工具是否按照既定壓力剪切以及銷釘剪切后的管體旋轉(zhuǎn)功能。

1）液壓旋轉(zhuǎn)接頭銷釘剪切測試。

液壓旋轉(zhuǎn)工具根據(jù)圖樣加工完成后進(jìn)行組裝完成后，放在測試臺面上。上端連接打壓變扣，下端連接堵頭（堵頭上好轉(zhuǎn)矩保證密封性），連接試驗(yàn)接頭和打壓管線，如圖3所示。確定密封之后開啟打壓泵緩慢打水壓0～700 psi，直到觀察到銷釘被剪切并記錄銷釘剪切時(shí)的壓力。銷釘剪切后穩(wěn)定泵壓到700 psi觀察銷釘剪切后活塞運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)工具內(nèi)活塞下行到位后泄壓完成測試。

圖3 工具打壓測試中

2）液壓旋轉(zhuǎn)接頭功能測試。

液壓旋轉(zhuǎn)工具完成銷釘剪切測試后，拆除打壓管線和試壓接頭，將里面殘余的水清除后，將工具置于臺鉗上。用游標(biāo)卡尺丈量活塞是否移動(dòng)到位，設(shè)計(jì)活塞向下移動(dòng)59 mm活塞上的鍵能脫離鍵槽。實(shí)際上活塞移動(dòng)60 mm可以確定活塞上的鍵向下位移到脫離槽的位置，已經(jīng)解除鎖定狀態(tài)。接下來用臺鉗鉗牙夾工具上的接箍部分，另一端用管鉗夾住下連接套，標(biāo)記初始相對位置，旋轉(zhuǎn)管鉗觀察接箍與下連接套周向方向是否有相對位移并記錄數(shù)據(jù)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1）旋轉(zhuǎn)工具功能測試結(jié)果。

液壓旋轉(zhuǎn)工具的設(shè)計(jì)銷釘剪切壓力為700 psi，在液壓旋轉(zhuǎn)工具測試中，經(jīng)過打壓泵打水壓液壓旋轉(zhuǎn)工具在壓力為4.6 MPa（667 psi）時(shí)觀察到銷釘剪切，測試數(shù)據(jù)如表1所示。銷釘剪切后觀察活塞向下移動(dòng)，通過測量活塞向下位移60 mm，可以確定鎖定的鍵與槽完全脫開。拿管鉗旋轉(zhuǎn)觀察接箍與下連接套周向方向可自由移動(dòng)，在做周向移動(dòng)的過程中無阻力。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

圖4 銷釘剪切活塞移動(dòng)到位

2）通過對旋轉(zhuǎn)接頭的地面測試，可得到如下結(jié)論：液壓旋轉(zhuǎn)工具在設(shè)計(jì)壓力下能完成銷釘剪切，并且在設(shè)計(jì)壓力下活塞鍵能移動(dòng)到位，并且管體可以周向移動(dòng)沒有卡阻，說明液壓旋轉(zhuǎn)工具功能性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用[9]。

3 結(jié)論

1）針對分支井下尾管作業(yè)時(shí)的要求，重新設(shè)計(jì)一種液壓旋轉(zhuǎn)工具，作業(yè)初期此工具上下接頭通過活塞上的鍵與槽鎖定傳遞轉(zhuǎn)矩，保證尾管順利進(jìn)入分支井眼，液壓解鎖后可以使上部鉆具自由旋轉(zhuǎn)不受下部鉆具的影響，保證連接器與空心斜向器順利座掛。

2）本文參考分支井下尾管現(xiàn)場作業(yè)時(shí)管柱所承受的拉力及轉(zhuǎn)矩，通過工具材質(zhì)的選擇以及理論計(jì)算表明，新設(shè)計(jì)的液壓旋轉(zhuǎn)工具性能可以滿足作業(yè)要求。根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)時(shí)的條件限制調(diào)整銷釘?shù)臄?shù)量以及剪切所需的泵壓，通過計(jì)算表明設(shè)計(jì)的工具能滿足現(xiàn)場作業(yè)的要求。

3）通過設(shè)計(jì)圖樣對液壓旋轉(zhuǎn)工具進(jìn)行加工試制，用實(shí)體工具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室性能測試。測試結(jié)果表明，工具能在設(shè)計(jì)壓力下能完成銷釘剪切，剪切銷釘后活塞可下移到位解鎖，上下管體可以旋轉(zhuǎn)無卡阻，由此說明此工具性能滿足設(shè)計(jì)要求。新型分支井液壓旋轉(zhuǎn)工具結(jié)構(gòu)簡單、密封可靠、性能穩(wěn)定，可以推廣使用。