聶云飛，何育光，張 銳

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257000）

II型鉆柱式偏心微擴(kuò)眼工具強(qiáng)度校核及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究

聶云飛，何育光，張 銳

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257000）

采用有限元方法開(kāi)展Ⅱ型鉆柱式隨鉆微擴(kuò)眼工具強(qiáng)度校核研究，采用有限軟件分別對(duì)工具本體和刀翼進(jìn)行強(qiáng)度校核，分析結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)Ⅱ型鉆柱式隨鉆微擴(kuò)眼工具最大許用拉力6 525.4 kN，最大許用扭矩27 kN·m.最終制造工具樣機(jī)并開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究，所設(shè)計(jì)的Ⅱ型鉆柱式隨鉆微擴(kuò)眼工具有效地提高了應(yīng)用井起下鉆的通暢程度和電測(cè)、下套管作業(yè)一次成功率，節(jié)約鉆井時(shí)間約200天，為我國(guó)石油行業(yè)隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)提供了有效的設(shè)備支持。

隨鉆擴(kuò)眼；有限元；強(qiáng)度校核；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

鉆井過(guò)程中泥頁(yè)巖吸水晶格增大導(dǎo)致的巖石膨脹及高滲透性的砂巖形成的厚泥餅導(dǎo)致的縮徑等造成的井眼直徑小于鉆頭直徑，易導(dǎo)致起下鉆困難、井眼漏失、劃眼、卡鉆等復(fù)雜鉆井故障。擴(kuò)眼技術(shù)在鉆井作業(yè)中通常認(rèn)為是一種非常規(guī)的鉆井技術(shù)，在石油工業(yè)中常被采用解決復(fù)雜底層縮徑卡鉆等復(fù)雜情況[1]。其中隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)采用隨鉆擴(kuò)眼工具和常規(guī)鉆頭，在全面鉆進(jìn)的同時(shí)擴(kuò)大裸眼段尺寸，使其大于上部套管串內(nèi)徑的一種鉆井技術(shù)，在處理井下復(fù)雜情況、降低鉆井綜合成本、提高建井質(zhì)量和安全性等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，隨鉆擴(kuò)眼工具也正逐漸成為一種重要的鉆井配套工具[2-3]。

隨鉆擴(kuò)眼鉆井工具從結(jié)構(gòu)上分為兩大類(lèi)，一是鉆頭型隨鉆擴(kuò)眼工具，主要包括雙心鉆頭（單獨(dú)式偏心鉆頭）、雙體式偏心鉆頭、近鉆頭隨鉆擴(kuò)眼工具；二是具有獨(dú)立結(jié)構(gòu)的隨鉆擴(kuò)眼工具，主要包括兩類(lèi)，即偏心結(jié)構(gòu)和同心結(jié)構(gòu)的隨鉆擴(kuò)眼器[2]。2014年上半年，初步開(kāi)展了相關(guān)研究工作，研制出了I型8-1/2″和9-1/2″井眼用鉆柱式隨鉆微擴(kuò)眼工具如圖1所示，該工具具有微偏心結(jié)構(gòu)，可接到鉆柱中實(shí)現(xiàn)隨鉆微擴(kuò)眼，工具具有上、下兩組螺旋擴(kuò)眼刀翼，下刀翼組負(fù)責(zé)鉆進(jìn)期間的隨鉆擴(kuò)眼或下鉆過(guò)程中的正劃眼，上刀翼組負(fù)責(zé)起鉆過(guò)程中的倒劃眼[5]。

圖1 I型鉆柱式隨鉆微擴(kuò)眼工具

研究課題組在I隨鉆微擴(kuò)眼工具基礎(chǔ)上借鑒雙心鉆頭設(shè)計(jì)理論和流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)如圖2所示具有微偏心（雙心）結(jié)構(gòu)的II型鉆柱式隨鉆微擴(kuò)眼工具[4]。

圖2 II型鉆柱式隨鉆微擴(kuò)眼工具三維結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步確保II型鉆柱式隨鉆微擴(kuò)眼工具在井下工作時(shí)具有較高的強(qiáng)度，本文采用有限元方法開(kāi)展II型鉆柱式隨鉆微擴(kuò)眼工具強(qiáng)度校核研究。同時(shí)為體現(xiàn)II型工具的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，將工具投入實(shí)際生產(chǎn)中開(kāi)展II型鉆柱式隨鉆微擴(kuò)眼工具現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究，希望能為我國(guó)鉆井隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)提供關(guān)鍵設(shè)備支持[6]。

1 強(qiáng)度校核

為保障隨鉆擴(kuò)眼工具在井下工作時(shí)具有足夠的強(qiáng)度，本節(jié)開(kāi)展II型鉆柱式隨鉆微擴(kuò)眼工具強(qiáng)度校核研究。如圖2所示II型鉆柱式隨鉆微擴(kuò)眼工具三維結(jié)構(gòu)圖，其接頭部分外徑為168mm，內(nèi)徑為85 mm，本體外徑為150mm，內(nèi)徑為85 mm，其抗拉、抗扭強(qiáng)度薄弱位置在本體上。

1.1 本體抗拉、抗扭理論分析

工具采用40GrMnMo材料制造，其抗拉強(qiáng)度為980 MPa，屈服極限為785 MPa.最大抗扭為：

式中：Qb為本體許用抗扭強(qiáng)度（N·m）；σs為本體材料屈服極限（Pa）；IP為工具本體相對(duì)軸向的慣性矩（m4）；Rmax為本體外徑（m）。

式中：Fm為本體許用拉力（N）；Am為截面積（m2）；σb為抗拉強(qiáng)度（MPa）.

從上面對(duì)微擴(kuò)眼本體的抗拉抗扭強(qiáng)度計(jì)算可以看出，考慮安全系數(shù)其本體許用抗扭強(qiáng)度為186.7 kN·m，許用拉力為6 525.4 kN.

1.2 有限元強(qiáng)度校核

為進(jìn)一步分析工具形狀引起的應(yīng)力集中和刀翼強(qiáng)度，采用有限元軟件ABAQUS開(kāi)展工具強(qiáng)度分析。

1.2.1 工具本體強(qiáng)度校核

為簡(jiǎn)化計(jì)算將如圖3所示三維模型簡(jiǎn)化為如圖4所示工具本體簡(jiǎn)化模型。模型中采用六面體C3D8R單元并以SWEEP網(wǎng)格劃分方式進(jìn)行劃分，得到如圖5所示有限元模型。

圖3 三維模型

圖4 工具本體簡(jiǎn)化模型

圖5 有限元模型

圖6 所示為施加的邊界條件及載荷圖，在母接頭頂部及內(nèi)部絲扣面設(shè)置為固支邊界，在公接頭外螺紋面設(shè)置與點(diǎn)RP-2的coupling全耦合，在點(diǎn)RP-2上直接施加拉力載荷和扭矩。拉力和扭矩大小為1.1節(jié)計(jì)算得到的允許值和。

圖6 邊界條件及施加載荷

圖7 所示為拉力為6 525.4 kN時(shí)工具本體應(yīng)力分布，由結(jié)果可知其最大Mises應(yīng)力為792.6 MPa出現(xiàn)在內(nèi)螺紋和外螺紋根處，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

圖7 拉力6525.4 kN下工具本體應(yīng)力分布圖

圖8所示為扭矩為186.7 kN·m下，工具本體應(yīng)力分布。如圖所示其最大Mise應(yīng)力值為630.1 MPa，最大應(yīng)力位于內(nèi)外螺紋根部及接頭過(guò)度區(qū)域，同時(shí)最大應(yīng)力小于其屈服強(qiáng)度。綜上微擴(kuò)眼器本體設(shè)計(jì)強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 扭矩186.7 kN·m下工具本體應(yīng)力分布圖

1.2.2 刀翼有限元強(qiáng)度校核

構(gòu)建如圖9所示刀翼三維模型，對(duì)采用四面體網(wǎng)格劃分方式并在齒部進(jìn)行加密，同時(shí)采用二次縮減積分單元，得到如圖10所示有限元模型。

圖9 擴(kuò)眼刀翼模型圖

圖10 有限元模型圖

在模型上部端面施加固支邊界條件，對(duì)于扭矩作用位置，假設(shè)其作用于兩個(gè)主刀翼上，受力通過(guò)耦合分配到各作用齒上面，載荷及邊界條件如圖11所示。

圖11 載荷及邊界條件圖

如圖12所示為通過(guò)施加不同的扭矩，得到工具齒部受力的Mises應(yīng)力云圖，當(dāng)扭矩為27 kN·m時(shí)，其應(yīng)力值接近屈服強(qiáng)度，即27 kN·m為極限扭矩。

圖12 刀翼受力分布圖

最終于2015年1月初完成了4套工具樣機(jī)，工具照片如圖13所示。

圖13 Ⅱ型微擴(kuò)眼器實(shí)物圖

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究

為驗(yàn)證新型微擴(kuò)眼器的工作效果，自2014年底課題開(kāi)題以來(lái)，累計(jì)應(yīng)用628井次，有效地提高了應(yīng)用井起下鉆的通暢程度和電測(cè)、下套管作業(yè)一次成功，應(yīng)用情況如下。

2.1 勝利應(yīng)用情況

2015年，油田內(nèi)部先后完成了201口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其中，勝利某鉆井公司累計(jì)應(yīng)用143口井，所有的井100%使用了微擴(kuò)眼工具，表1給出了該公司技術(shù)部門(mén)的工具應(yīng)用效果對(duì)比。

表1 工具應(yīng)用效果對(duì)比

從表1難看出：使用微擴(kuò)眼器井的比例2014年為69.69%，2015年達(dá)到了100%.電測(cè)一次成功率比2014年提高了2.36%，比2013年提高了6.62%.下套管遇阻井為零，而沒(méi)有使用工具的2012年和2013年分別為3口井和2口井。2015年，143口井均達(dá)到了起下鉆暢通的水平，而沒(méi)有使用工具的2012年和2013年分別有16口井和9口井遭遇了起下鉆困難問(wèn)題。

此外，油田內(nèi)部的其它鉆井公司也不同程度地應(yīng)用了微擴(kuò)眼器，均取得了預(yù)期的效果。

2.2 勝利外部應(yīng)用情況

2015年三季度，給勝利外部某公司供應(yīng)兩套311.2mm大尺寸工具，先在兩口直井上進(jìn)行了應(yīng)用，主要為了解決該公司在曹妃甸地區(qū)二開(kāi)裸眼起鉆需要全程倒劃眼的問(wèn)題，工具在C6-4-4井首次應(yīng)用，隨后在K10-1-16井二次使用。

C6-4-4井三開(kāi)入井，入井深度509 m三開(kāi)鉆進(jìn)至1 100 m，平均機(jī)械鉆速78.8 m/h，全程倒劃眼起鉆，后將擴(kuò)眼器拆、甩繼續(xù)三開(kāi)鉆進(jìn)。從參數(shù)上看，微擴(kuò)眼工具對(duì)機(jī)械鉆速影響不大，在1 100m前該井為海水膨潤(rùn)土漿鉆進(jìn)，井徑較大，因此在擴(kuò)眼方面不容易比較。

K10-1-16井是一口評(píng)價(jià)井，該井完鉆井深1 515 m，二開(kāi)應(yīng)用了鉆柱式雙心隨鉆微擴(kuò)眼工具，自402m鉆進(jìn)至1 515m，鉆遇地層為明化鎮(zhèn)組、館陶組（未穿），鉆具組合。起鉆難易程度對(duì)比如表2和表3所列。

表2 C6-4-4井與鄰井起鉆難易程度對(duì)比表

表3 K10-1-16井與鄰井起鉆難易程度對(duì)比表

測(cè)試過(guò)程中兩口井與對(duì)比井所鉆地層相同，鉆井參數(shù)相近，鉆井液性能相似。測(cè)試后發(fā)現(xiàn)鉆柱式雙心隨鉆微擴(kuò)眼工具具有一定的擴(kuò)徑作用；與鄰井對(duì)比，K10-1-16井減少二開(kāi)井段起鉆倒劃眼效果明顯，兩口鄰井倒劃眼井段占全裸眼段的85%多，而使用工具的K10-1-16井倒劃眼井段占全裸眼段的33%多一點(diǎn)；鉆柱式雙心隨鉆微擴(kuò)眼工具在淺井鉆進(jìn)過(guò)程中對(duì)機(jī)械鉆速影響不大。

綜上所述，所研制兩種結(jié)構(gòu)型式分別適合軟和中硬地層、自118 mm到311.2 mm等6種井眼常用尺寸的系列鉆柱式隨鉆微擴(kuò)眼工具，單只累計(jì)實(shí)際工作時(shí)間987 h，產(chǎn)品已達(dá)到工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用水平，自定型以來(lái)，先后推廣應(yīng)用到勝利及外部油田。累計(jì)應(yīng)用628井次，有效地提高了應(yīng)用井起下鉆的通暢程度和電測(cè)、下套管作業(yè)一次成功率，節(jié)約鉆井時(shí)間約200 d.

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用有限元方法開(kāi)展Ⅱ型鉆柱式隨鉆微擴(kuò)眼工具校核研究，分析結(jié)果表明所設(shè)計(jì)Ⅱ型鉆柱式隨鉆微擴(kuò)眼工具最大許用拉力6 525.4 kN，最大許用扭矩27 kN·m.經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究，所設(shè)計(jì)Ⅱ型鉆柱式隨鉆微擴(kuò)眼工具有效地提高了應(yīng)用井起下鉆的通暢程度和電測(cè)、下套管作業(yè)一次成功率，為我國(guó)石油行業(yè)隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)提供了有效的設(shè)備支持。

[1]謝濤.隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)在墾利3-2油田的應(yīng)用[J].石化技術(shù)，2016，23（6）：176-177.

[2]宋頤，夏宏南，徐超，等.隨鉆擴(kuò)眼工具的研究與優(yōu)化[J].裝備制造技術(shù)，2012（8）：282-284.

[3]余榮華，袁鵬斌.隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)研究進(jìn)展[J].石油機(jī)械，2016，44（8）：6-10.

[4]夏焱.隨鉆擴(kuò)眼工具結(jié)構(gòu)及與之相匹配的鉆具組合設(shè)計(jì)方法研究[D].北京：中國(guó)石油大學(xué)，2007.

[5]馬清明，王瑞和.隨鉆擴(kuò)眼工具及技術(shù)研究[J].天然氣工業(yè)，2006，26（3）：71-74.

[6]Sheshtawy A，Howell M.Cut costs with new BHA for re duced clearance casing programs[J].World Oil，1999（Dec）.

Strength Check and App lication Research of the TypeⅡReam ing While Drilling Tool

NIE Yun-fei，HE Yu-guang，ZHANG Rui
（Drilling Technology Research Iinstitute of Sinopec Victory Petroleum Engineering，Dongying Shandong 257000，China）

Strength check of typeⅡreaming while drilling tool is researched by finite elementmethod in this paper.The model of body and blade is built by the FEM software and the strength of them are checked respectively. The results indicate that themaximum allowable tension is 6525.4kN and the maximum allowable torque is 27kN· m.Finally，the prototype of the tool is fabricated and tested in the drilling field.It indicates that the designed tool can effectively improve the unobstructed degree of trip and the success rate of electrical logging and runing casing，which provides equipment support for while drilling technique of oil industry.

reaming while drilling；finite elementmethod；strength check；field application

TH124

A

1672-545X（2017）04-0001-04

2017-01-02

國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)（編號(hào)：2016ZX05021005-003）

作者介紹：聶云飛（1975-），男，山東廣饒人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事鉆井井下工具相關(guān)研究工作。