任紅偉

摘 要： 針對(duì)注水管線長期使用后內(nèi)壁結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致工作管徑大幅縮小，注水效率降低等問題，對(duì)注水管內(nèi)壁結(jié)垢物特點(diǎn)和鉆削除垢方法進(jìn)行了分析，并研究了鉆頭破碎垢物機(jī)理和切屑形成過程。選用多刃錯(cuò)齒鉆頭為鉆型基礎(chǔ)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析；針對(duì)加工對(duì)象改進(jìn)了鉆頭結(jié)構(gòu)和刀齒分布規(guī)律，得到了除垢鉆頭結(jié)構(gòu)方案。以注水管內(nèi)壁和垢物為研究對(duì)象，建立有限元模型進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析，得到了應(yīng)力云圖和路徑曲線圖，顯示了鉆削過程管壁應(yīng)力狀態(tài)。

關(guān)鍵詞： 注水管內(nèi)壁； 除垢鉆頭； 應(yīng)力曲線圖； 有限元分析

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2014）02-25-03

0 引言

注水管是重要的采油管具，由于所注水多為污水，注水管線經(jīng)長時(shí)間使用，結(jié)垢與沉砂雙重作用使得內(nèi)壁結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致工作管徑縮小，井下注水壓力下降，注水效率降低，因此需要定期將注水管取出清洗后繼續(xù)下井使用[1]。機(jī)械鉆通清洗是一種經(jīng)濟(jì)安全的清洗方法，鉆通清洗從注水管內(nèi)壁結(jié)垢形態(tài)分析，屬于深孔加工擴(kuò)孔鉆削，從結(jié)垢性質(zhì)分析，類似水平鉆井破巖過程。由于結(jié)垢物情況復(fù)雜，現(xiàn)有鉆通清洗鉆頭針對(duì)性較差，鉆進(jìn)過程易出現(xiàn)堵鉆、卡鉆現(xiàn)象，除垢效果不明顯。大量結(jié)垢嚴(yán)重的注水管由于無法進(jìn)行鉆通處理不能回收再利用，增加了生產(chǎn)成本，因此需要研究垢物特點(diǎn)，分析鉆通清洗過程注水管內(nèi)壁及垢物受力情況，針對(duì)鉆削對(duì)象對(duì)現(xiàn)有鉆頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高除垢能力。

1 注水管結(jié)垢特點(diǎn)分析

油田注水采油所用水多為污水，以孤東采油廠的一號(hào)到四號(hào)聯(lián)合站以及KD521大站進(jìn)行水質(zhì)分析，用離子測(cè)定方法分析不同的結(jié)垢情況[2]，水中含Ca2+、Mg2+、Ba（Sr）2+等較為嚴(yán)重。

運(yùn)用物相分析理論針對(duì)垢物成分、結(jié)垢部位進(jìn)行分析，從結(jié)垢管線多處解剖情況來看，管線結(jié)垢呈現(xiàn)兩種狀況：

⑴ 注水管內(nèi)壁堅(jiān)硬致密的結(jié)垢物，主要成分是CaCO3；

⑵ 與致密結(jié)構(gòu)物混合附著在注水管內(nèi)壁的雜質(zhì)，成分為松軟油泥、砂土等。

根據(jù)分析結(jié)果，結(jié)垢情況不是單純的水結(jié)垢，而是結(jié)垢和沉砂的雙重作用。相對(duì)致密堅(jiān)硬的結(jié)垢物產(chǎn)生原因是所注污水含鈣量高，松軟泥砂產(chǎn)生原因是供污水循環(huán)利用的沉淀罐體積小，污水沉淀時(shí)間短，所含泥砂沒有得到徹底沉淀清除。

依據(jù)石油天然行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T0600-1997《油田水結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)》，對(duì)結(jié)垢物進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表1，可以看出垢樣主要是碳酸鈣，同時(shí)原油等有機(jī)物含量均較高。

2 鉆削除垢設(shè)計(jì)

2.1 切屑形成

注水管內(nèi)結(jié)垢物屬于脆性材料，切屑形態(tài)無法像金屬等塑性材料一樣可以控制，因此可將除垢鉆削類比于鉆削破巖過程進(jìn)行分析。

鉆頭破碎垢物的機(jī)理如圖1所示，圖1中箭頭為鉆進(jìn)方向，當(dāng)鉆頭在注水管內(nèi)以一定進(jìn)給量在垢物表面作切割運(yùn)動(dòng)時(shí)，鉆頭刀齒給垢物一個(gè)剪切力，垢物在剪切力作用下誘發(fā)出拉伸應(yīng)力，當(dāng)拉伸應(yīng)力超過垢物的抗拉強(qiáng)度時(shí)，垢物產(chǎn)生微小裂縫，在鉆頭刀齒的共同作用下，裂縫增大，垢物形成碎塊，達(dá)到去除的目的。垢物這樣形成碎塊而脫離注水管內(nèi)壁的過程，就是鉆頭刀齒不斷鉆削除垢的過程，鉆削除垢過程可能產(chǎn)生兩次或三次小的破裂，再出現(xiàn)碎塊，是躍進(jìn)式的，整個(gè)過程一般分為四個(gè)階段[3]。

⑴ 變形階段。按赫茲剪應(yīng)力分布理論，在刀具與垢物的接觸點(diǎn)剪應(yīng)力為零，從該點(diǎn)到垢物內(nèi)某一點(diǎn)剪應(yīng)力達(dá)到極值，超過此極值后，剪應(yīng)力不斷下降，剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在接觸邊界附近的點(diǎn)上。

⑵ 發(fā)生裂紋階段。當(dāng)切削力超過垢物的抗拉強(qiáng)度時(shí)，接觸點(diǎn)附近的垢物被拉開，產(chǎn)生赫茲裂紋。

⑶ 形成切削核階段。隨著切削載荷繼續(xù)增加，剪切裂紋擴(kuò)展到赫茲裂紋與自由面相交處，己破碎的垢物將被不斷前進(jìn)的鉆頭刀齒擠壓成致密的切削核，并向附著有切屑的注水管內(nèi)壁施加壓力，其中一部分垢物切屑高速進(jìn)入鉆頭前端內(nèi)排屑孔，另一部分在切削液作用下排出。

⑷ 塊體崩裂階段。載荷繼續(xù)增加，當(dāng)壓力超過許用剪應(yīng)力臨界值時(shí)，垢物突然崩裂，鉆頭刀齒切入，載荷瞬間下降，完成一次躍進(jìn)式切削破碎過程。

2.2 鉆削除垢原理及除垢鉆頭設(shè)計(jì)

常規(guī)鉆削加工中加工對(duì)象為金屬實(shí)體，與除垢加工有很多不同之處，歸納總結(jié)為以下兩點(diǎn)。

第一，鉆削對(duì)象材料不同，常規(guī)鉆削加工切削對(duì)象為金屬，屬于塑性材料，而除垢鉆削對(duì)象為CaCO3沉淀、泥沙、粘土等的混合物，屬于脆性材料，與金屬相比其物理性質(zhì)不同，鉆削過程鉆頭受力、鉆進(jìn)速度、切屑形成方式及排屑情況均不同。與金屬鉆削相比，鉆削除垢過程更類似于鉆井破巖過程[4]。

第二，鉆削對(duì)象結(jié)構(gòu)不同，注水管本身并未完全被垢物堵死，留有10～40mm不等直徑的孔，并且孔壁凹凸起伏，不平滑，鉆削除垢應(yīng)屬于擴(kuò)孔鉆。

多刃錯(cuò)齒內(nèi)排屑深孔鉆是內(nèi)排屑深孔鉆的典型結(jié)構(gòu)[5]，設(shè)計(jì)中選擇此鉆型為基礎(chǔ)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，其鉆削除垢工作原理為，切削液在較高的壓力下（約2-6MPa），由注水管孔壁與鉆桿外表面之間的空隙進(jìn)入鉆頭工作區(qū)，冷卻、潤滑鉆頭，并將切屑經(jīng)鉆頭前端的排屑孔帶入鉆桿內(nèi)部，向后排出。內(nèi)排屑方式可以防止切屑劃傷注水管內(nèi)壁，負(fù)壓排屑裝置可以加速排屑，解決堵屑問題。設(shè)計(jì)中鉆頭直徑應(yīng)與注水管直徑間留出盈余量，以避免鉆頭工作過程中劃傷管壁。

針對(duì)加工對(duì)象對(duì)鉆頭進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過改進(jìn)鉆頭體結(jié)構(gòu)和刀齒排列方式來改善鉆頭的切削狀況，降低切削力。具體改進(jìn)措施如下。

⑴ 將原結(jié)構(gòu)的3個(gè)切削齒改進(jìn)為4個(gè)，由內(nèi)而外分別是：內(nèi)尖齒、中間平齒、中間尖齒和外齒，其中內(nèi)尖齒和中間尖齒分布在軸線一側(cè)，中間平齒和外齒分布在軸線另一側(cè)，如圖2所示。通過增加一個(gè)刀齒，可以分散鉆頭受到的切向力和軸向力，改善內(nèi)齒受力情況。

⑵ 去除原結(jié)構(gòu)的偏心量，來減小作用在內(nèi)齒上的徑向力。內(nèi)尖齒和中間尖齒為尖齒形，鉆削過程中內(nèi)尖齒會(huì)在垢物上形成切削反錐和環(huán)形凹槽，有利于鉆銷定位，起穩(wěn)定鉆削的作用。

⑶ 在鉆頭體上增加4個(gè)切屑液輸送槽，其中兩個(gè)在鉆頭體側(cè)面上，另外兩個(gè)由側(cè)面延伸到鉆頭前錐面，保證了冷卻效果和切屑的順暢排出。凹槽結(jié)構(gòu)同時(shí)減小了鉆削過程受到的摩擦力，減小磨損。

3 注水管內(nèi)壁應(yīng)力分析

3.1 模型建立

為保證研究結(jié)果的可比性，建立了注水管內(nèi)壁垢物層的模型，使其已鉆削部分輪廓與鉆頭形狀相同。注水管柱開鉆實(shí)體模型由兩部分組成，一部分為結(jié)垢注水管管壁的實(shí)體模型部分，即在開鉆前管柱內(nèi)未鉆出的原狀，另一部分為開鉆部分，模型如圖3所示。鉆削除垢加工中為避免加工過程傷及管壁，鉆頭外沿與管壁之前有一部分切削余量，形成了圖3中所示的殘余垢物。

以砂巖模擬注水管內(nèi)壁垢物，選擇Solid65單元，該單元具有八個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，即x、y、z三個(gè)方向的線位移，與Solid45單元相似，只是增加了描述開裂與壓碎的性能，可用于含鋼筋或不含鋼筋的三維實(shí)體模型，該實(shí)體模型可具有拉裂與壓碎的性能，可用于加筋復(fù)合材料（如玻璃纖維）及地質(zhì)材料（如巖石）[6]。本單元最重要的研究在于對(duì)材料非線性的處理，其可模擬混凝土的開裂（三個(gè)正交方向）、壓碎、塑性變形及徐變。通過上述分析可知，該單元非常適合模擬注水管內(nèi)壁材料，所以選為分析單元。

⑴ 開鉆前，模型端面固定（即各向自由度為0）。

⑵ 鉆進(jìn)，模型端面固定（即各向自由度為0）、切削面施加鉆削力。

⑶ 鉆孔形成后，模型端面固定（即各向自由度為0）。

3.2 應(yīng)力圖分析

使用ANSYS軟件分析注水管內(nèi)壁模型，得到注水管內(nèi)壁應(yīng)力云圖如圖4所示。

軸向應(yīng)力圖中，垢物內(nèi)壁的軸向應(yīng)力呈環(huán)狀分布，隨半徑增大而減小，在鉆削面內(nèi)側(cè)有應(yīng)力集中區(qū)域。徑向與切向應(yīng)力圖中，垢物內(nèi)壁的徑向應(yīng)力與切向應(yīng)力分布情況相似，以主切削刃為中心呈環(huán)狀分布，隨半徑增大而增大，即注水管內(nèi)壁自由面釋放了應(yīng)力。

3.3 應(yīng)力曲線圖

垢物應(yīng)力云圖可以直觀顯示垢物應(yīng)力的三維分布狀態(tài)，應(yīng)力曲線圖則從量的方面表現(xiàn)應(yīng)力的變化趨勢(shì)和特點(diǎn)。

通過定義路徑得到應(yīng)力曲線圖進(jìn)行分析，可以全面反映新型除垢鉆頭鉆削加工中的應(yīng)力場(chǎng)特征，所以在垢物模型的剖面上定義一條應(yīng)力路徑way1，如圖5中紅線所示，其作用是顯示鉆削面和內(nèi)壁三維應(yīng)力的徑向分布規(guī)律，該徑向分布規(guī)律用于了解鉆頭鉆削除垢工作中被加工垢物的應(yīng)力狀態(tài)。

路徑應(yīng)力曲線圖如圖6所示，圖6中應(yīng)力為負(fù)則說明垢物承受壓應(yīng)力，各曲線的尖角處是鉆頭工作區(qū)與管壁的交界點(diǎn)，曲線內(nèi)側(cè)起點(diǎn)為管內(nèi)壁與鉆頭體接觸點(diǎn)，從管內(nèi)壁到交界點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)是鉆頭體的工作區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)，交界點(diǎn)外側(cè)為管內(nèi)壁的應(yīng)力狀態(tài)。

從圖6中可以看出，隨著半徑的增大，三條應(yīng)力曲線均先減小再增大，其中軸向應(yīng)力變化最劇烈，徑向應(yīng)力次之，切向應(yīng)力變化幅度最小，三向應(yīng)力都逐漸變化到原始應(yīng)力狀態(tài)值。在該區(qū)域，形成了徑向應(yīng)力小、切向應(yīng)力大的二次應(yīng)力場(chǎng)特征，說明徑向應(yīng)力釋放較充分，且切向應(yīng)力方向正是鉆頭的切削方向，軸向應(yīng)力方向?yàn)槭┘鱼@壓的方向，有利于鉆頭提高機(jī)械鉆速。

4 結(jié)束語

通過分析注水管結(jié)垢狀況以及垢物特性，使用計(jì)算機(jī)軟件模擬了注水管內(nèi)壁垢物受力狀態(tài)，得到應(yīng)力云圖和路徑曲線圖。模擬結(jié)果直觀顯示了鉆削效果和鉆削過程管壁應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力曲線圖則從量的方面表現(xiàn)應(yīng)力的變化趨勢(shì)和特點(diǎn)，反映了鉆削過程對(duì)管壁的影響，為實(shí)驗(yàn)測(cè)量值提供了對(duì)比分析的數(shù)據(jù)參照。

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