祝效華劉少胡石昌帥許建民

(1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué)),四川成都 610500;2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,四川成都610500;3.中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司,北京 100101)

?設(shè)備與工具?

基于CAE/CFD技術(shù)的套管防磨工具優(yōu)化設(shè)計(jì)

祝效華1,2劉少胡2石昌帥2許建民3

(1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué)),四川成都 610500;2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,四川成都610500;3.中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司,北京 100101)

在深井和大位移井鉆進(jìn)中,常常由于鉆井周期長(zhǎng)及狗腿度嚴(yán)重等問(wèn)題導(dǎo)致套管和鉆桿接頭嚴(yán)重磨損甚至磨穿,帶來(lái)安全隱患和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)現(xiàn)有套管防磨工具使用壽命短和壓耗大的問(wèn)題,應(yīng)用CAE和CFD技術(shù)分析了其過(guò)流壓耗及間歇碰撞滾滑狀態(tài)下的工作應(yīng)力,提出了有針對(duì)性的改進(jìn)措施,改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的峰值工作應(yīng)力和壓耗分別減小20.8%和17.3%,可磨損體積增大14.0%;對(duì)擋圈及鎖緊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),降低了其拆裝難度。優(yōu)化后的防磨工具壓耗更小,可以有效減小套管和鉆桿的磨損。

CAE/CFD技術(shù);套管;防磨工具;應(yīng)力分析;流場(chǎng);優(yōu)化設(shè)計(jì)

深井和大位移井鉆井周期長(zhǎng),部分井段常常會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重狗腿度,因此套管和鉆桿在大的側(cè)向力及軸向拉力作用下形成間歇碰撞式滾滑接觸摩擦副,過(guò)流巖屑構(gòu)成摩擦副間的“磨料”,若不采取相應(yīng)的保護(hù)措施,套管和鉆桿接頭在長(zhǎng)時(shí)間的摩擦作用下將嚴(yán)重磨損。套管磨損后整體強(qiáng)度降低,在復(fù)雜地質(zhì)條件下極易過(guò)早擠毀和破漏,從而嚴(yán)重影響油井壽命和油氣開(kāi)采效益[1-2]。接頭是鉆桿磨損的主要部位,鉆桿嚴(yán)重磨損后將降級(jí)使用或直接報(bào)廢。套管和鉆桿用量大,在建井成本中占有相當(dāng)大的比重,因此研究高效的防磨技術(shù)措施具有積極意義。

目前,減磨和防磨技術(shù)措施主要有[3-8]:1)在鉆井液中加入潤(rùn)滑添加劑;2)使用鉆柱接頭式旋轉(zhuǎn)防磨護(hù)套;3)使用鉆桿膠皮護(hù)箍;4)使用滾珠套式防磨工具;5)采用非旋轉(zhuǎn)防磨接頭;6)采用鉆桿接頭敷焊減磨合金帶技術(shù);7)采用分體式套管防磨襯套。筆者以現(xiàn)場(chǎng)中使用效果較好的鉆柱接頭式旋轉(zhuǎn)防磨護(hù)套為研究對(duì)象,利用CAE和CFD技術(shù),對(duì)其進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工具結(jié)構(gòu)及工作原理

鉆柱接頭式旋轉(zhuǎn)防磨護(hù)套三維示意圖見(jiàn)圖1。該工具主要由防磨本體、復(fù)合材料防磨套和擋圈組成。防磨本體兩端分別為API螺紋,可連接在鉆柱上。鉆柱和防磨本體一起旋轉(zhuǎn),復(fù)合材料防磨套與防磨本體之間存在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 鉆柱接頭式旋轉(zhuǎn)防磨護(hù)套三維示意

2 防磨護(hù)套結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析與優(yōu)化

旋轉(zhuǎn)防磨護(hù)套與鋼的摩擦系數(shù)小,對(duì)套管和鉆桿保護(hù)效果好。過(guò)流結(jié)構(gòu)特征對(duì)防磨護(hù)套的使用壽命有較大影響,設(shè)計(jì)不當(dāng)易導(dǎo)致防磨護(hù)套撕裂。筆者應(yīng)用非線性CAE技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下的碰摩分析,護(hù)套為大變形材料,分析時(shí)采用了Mooney-Rivlin模型[9]:

式中,W為應(yīng)變能密度;Cij為Rivlin系數(shù);I1、I2分別為第1、第2 Green應(yīng)變不變量。

不同時(shí)刻,防磨護(hù)套與套管內(nèi)壁的碰撞摩擦部位不同,取分析結(jié)果的峰值應(yīng)力時(shí)刻(如圖2(a)所示),該時(shí)刻其最大應(yīng)力為9.717 MPa,最大應(yīng)力在防磨護(hù)套端部?jī)?nèi)表面三角形凹槽和外表面突出棱根部的連接區(qū)域,與防磨護(hù)套現(xiàn)場(chǎng)撕裂情況(見(jiàn)圖3)一致;此外,在外表面突出棱和軸向凹槽的過(guò)渡區(qū)也存在高應(yīng)力。

圖2 改進(jìn)前后防磨護(hù)套的應(yīng)力云圖

圖3 改進(jìn)前防磨護(hù)套撕裂實(shí)例

為減小防磨護(hù)套在碰摩過(guò)程中的峰值應(yīng)力,采用有限元法進(jìn)行了多次分析,最終提出如下改進(jìn)措施:1)將防磨護(hù)套內(nèi)表面的三角形凹槽改成半圓凹槽;2)增大外表面突出棱與軸向凹槽的圓弧過(guò)渡尺寸;3)減小防磨套最大外徑,同時(shí)對(duì)防磨套外表面凹槽的下部1/3段進(jìn)行加厚。

改進(jìn)方案的峰值應(yīng)力如圖2(b)所示,其最大應(yīng)力減小為7.699 MPa,減幅為20.8%,改進(jìn)措施有效緩解了應(yīng)力集中現(xiàn)象。改進(jìn)前后防磨護(hù)套的可磨損體積分別為372 642.43 mm3和423 800.70 mm3,改進(jìn)后增幅為14.0%。減小峰值應(yīng)力和增大可磨損體積可以有效延長(zhǎng)防磨護(hù)套的使用壽命。

3 防磨護(hù)套過(guò)流壓耗分析

在深井中使用防磨護(hù)套要求其過(guò)流壓耗越小越好。減小防磨護(hù)套外徑以及平滑處理突出棱和凹槽間的過(guò)渡區(qū)可以減小過(guò)流壓耗,根據(jù)該思路提出改進(jìn)措施(同上節(jié)),選用RNGκ-ε湍流模型對(duì)改進(jìn)前后的防磨護(hù)套進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析,控制方程[10]如下。

連續(xù)性方程:

運(yùn)動(dòng)方程:

動(dòng)量方程:

RNGκ-ε方程:

邊界條件設(shè)置:防磨護(hù)套過(guò)流流場(chǎng)可視為不可壓縮湍流流場(chǎng),入口流量取12 L/s,出口按相對(duì)壓力設(shè)定,取0 MPa,工具表面和井壁按固壁無(wú)滑移邊界條件處理。

改進(jìn)前后防磨護(hù)套的壓力場(chǎng)云圖和速度場(chǎng)矢量圖分別見(jiàn)圖4和圖5。由圖4可知,改進(jìn)前后過(guò)流壓耗分別為1.314×10-2MPa和1.086×10-2MPa,壓耗減小17.3%;由圖5可知,改進(jìn)前后峰值速度分別為5.916 m/s和6.623 m/s,速度增幅為10.0%。通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)分析可知:1)改進(jìn)后過(guò)流壓耗大幅度減小,有利于減小循環(huán)系統(tǒng)的壓力負(fù)荷,減小憋泵及循環(huán)管線刺漏的概率;2)過(guò)流峰值流速略有增大,這對(duì)防磨護(hù)套壽命有一定的負(fù)面影響,但該流速仍遠(yuǎn)小于橡膠制品的臨界沖蝕流速(凈化鉆井液中該臨界值為45 m/s,未凈化鉆井液中該臨界值約為15～20 m/s)。

圖4 改進(jìn)前后防磨護(hù)套流場(chǎng)壓力云圖

圖5 改進(jìn)前后防磨護(hù)套流場(chǎng)速度矢量圖

4 擋圈結(jié)構(gòu)及配套拆裝工具設(shè)計(jì)

防磨護(hù)套工作一段時(shí)間后,外徑磨小,防磨護(hù)套擋圈與井壁存在碰撞與摩擦,擋圈螺紋易粘扣,導(dǎo)致卸扣困難,現(xiàn)用擋圈如圖6(a)所示。

為避免粘扣和方便拆裝,對(duì)檔圈提出如下改進(jìn)措施(見(jiàn)圖6(b)):1)將該連接螺紋改為梯形螺紋,梯形螺紋具有牙根強(qiáng)度高、對(duì)中性好及不易松動(dòng)等特點(diǎn);2)在擋圈下端開(kāi)槽,設(shè)計(jì)了與該槽配合的拆裝套(見(jiàn)圖7)。使用改進(jìn)后的擋圈結(jié)構(gòu)和配套拆裝套可以有效避免擋圈粘扣,并可減少液壓大鉗拆卸過(guò)程中對(duì)工具本體和擋圈的損壞。

圖6 改進(jìn)前后擋圈示意

圖7 擋圈拆裝套示意

5 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用CAE/CFD技術(shù)完成了接頭式旋轉(zhuǎn)防磨護(hù)套的力學(xué)分析和改進(jìn)設(shè)計(jì),改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的峰值工作應(yīng)力和過(guò)流壓耗分別減小20.8%和17.3%,可磨損體積增大14.0%?？梢?jiàn),防磨護(hù)套改進(jìn)后可有效減小套管和鉆桿的磨損。

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[審稿 吳姬昊]

Tool Optimization of Casing Antigalling Based on CAE/CFD Technology

Zhu Xiaohua1,2Liu Shaohu2Shi Changshuai2Xu Jianmin3
(1.State Key L aboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Ex ploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan,610500,China;2.College of Electromechanical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan,610500,China;3.Great Wall Drilling Company,CN PC, Beijing,100101,China)

During drilling deep wells and extended-reach wells,casing and drill string joint worn occursfrequently due to long drilling period and high dog leg severity,which brings high risks and economic loss.This paper used CAE &CFD technology to analyze flow pressure loss and working stress under intermittent collision and skid state,and proposed measures for improvement correspondingly.After the improvement,working stress and pressure loss of structures were reduced by 20.8%and 17.3%respectively,worn volume was raised by 14.0%.The optimized design of retainer ring and locking structure reduced the dismounting difficulty.The optimized tool has a lower pressure loss, and can effectively reduce abrasion of casing and drill pipe.

CAE/CFD technology;casing;preventing wear tools;stress analysis;flow field;optimizing design

book=2010,ebook=142

TE925+.2

A

1001-0890(2010)02-0058-04

2009-07-01;改回日期:2010-01-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“空氣鉆井鉆具與井壁碰摩機(jī)理及量化評(píng)價(jià)方法研究”(編號(hào):50804040)資助

祝效華(1978—),男,山東菏澤人,2000年畢業(yè)于西南石油學(xué)院機(jī)械制造專(zhuān)業(yè),2005年獲西南石油大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位,副教授,主要從事桿管柱力學(xué)及井下工具等方面的科研工作。

聯(lián)系方式:(028)83035262,zxhth113@yahoo.com.cn