胡國金 魏 然 庹海洋 金 琳 韓雪銀 孫永樂

（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、中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452）

1 概述

卡鉆是工時(shí)損失的主要根源之一，卡鉆事故耗費(fèi)了大約3%的上游總投入；在卡鉆事故中大約60%～70%的事故是機(jī)械事故；如何緩解卡鉆及解除卡鉆事故是鉆井界一個(gè)永恒的研究課題；卡鉆緩解技術(shù)是在發(fā)生卡鉆時(shí)，能建立循環(huán)和壓力平衡通道，使得鉆具可以活動(dòng)而不被卡死，防止造成地層壓漏，使卡鉆事故得到緩解[1-3]。

基于此，一種防卡穩(wěn)定器便應(yīng)運(yùn)而生，即常規(guī)穩(wěn)定器+破裂膜，形成不僅具有常規(guī)穩(wěn)定器功能，而且具有壓力補(bǔ)償流道，平衡兩端壓力；因此提高了鉆井時(shí)效，降低了鉆井風(fēng)險(xiǎn)，并且節(jié)約了鉆井成本。同時(shí)，為保證防卡穩(wěn)定器井下工作的安全性，本文對防卡穩(wěn)定器機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行詳細(xì)的理論計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。

2 防卡穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)原理介紹

防卡穩(wěn)定器主要由母扣、內(nèi)孔、螺釘、壓板、壓帽、破裂膜、流道、扶正翼、本體及公扣組成；工具結(jié)構(gòu)如圖1 所示，所述母扣/公扣為石油用專用扣，也可為特殊扣，這樣可以滿足不同客戶的要求；所述壓板數(shù)量為6 個(gè)，用于壓死破裂膜；所述扶正翼數(shù)量為3 個(gè)，其表面噴涂耐磨合金或者鑲嵌硬質(zhì)合金柱，客戶可以自行選擇；所述流道和中心孔不連通；所述壓帽在破裂膜之下，用于支撐破裂膜。

當(dāng)發(fā)生環(huán)空堵塞時(shí)，在穩(wěn)定器扶正翼上下兩端將形成壓差，當(dāng)壓差超過破裂膜設(shè)定閾值，則使得工具破裂膜破裂，從而打開該工具上的壓力補(bǔ)償流道，平衡兩端壓力；假如鉆井液喪失循環(huán)能力，泵壓迅速增加；如果不立即采取補(bǔ)救措施，鉆具就很容易發(fā)生卡鉆，堵塞形成一個(gè)密封腔，除了發(fā)生卡鉆；同時(shí)也會引發(fā)，環(huán)空壓力升高壓破地層，誘發(fā)井漏和隱藏的一系列井控問題；當(dāng)發(fā)生堵塞形成的腔內(nèi)壓力得到釋放時(shí)，鉆具將有效地得到解卡。

3 防卡穩(wěn)定器機(jī)械強(qiáng)度分析

3.1 概述

文中以11-3/4 " 防卡穩(wěn)定器進(jìn)行抗拉/抗扭分析，采用Solidworks 建模并校核，材料用石油井下工具常用材料42CrMnMo，其力學(xué)性質(zhì)如下：抗拉強(qiáng)度845MPa, 屈服強(qiáng)度650MPa，以此作為分析極限荷載的依據(jù)。

3.2 理論依據(jù)

由參考文獻(xiàn)[4]知，最大拉/壓力計(jì)算式為：

式中：F 為最大拉/壓力值；σs為屈服強(qiáng)度值，是材料固有屬性，A 是工具橫截面積。

最大扭矩計(jì)算式為：

式中：T 為扭矩值；τ 為剪切應(yīng)力值，W 為抗彎截面系數(shù)，與鉆柱的截面形狀和大小相關(guān)。

圓環(huán)抗彎截面系數(shù)計(jì)算式為：

式中：D 為圓環(huán)截面外徑，d 為截面處內(nèi)徑。

3.3 校核模型的建立

利用Solidworks 對防卡穩(wěn)定器進(jìn)行三維建模并劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分采用四面體單元，并適當(dāng)根據(jù)模型的形狀對需要精化的位置進(jìn)行較細(xì)的劃分，最終使模型不存在小的棱角以及小面，最大程度的避免由于網(wǎng)格劃分原因造成的應(yīng)力集中，節(jié)點(diǎn)數(shù)14440，單元數(shù)8880，自由度數(shù)51248。

3.4 邊界條件設(shè)置

對模型的抗拉載荷及邊界條件：防卡穩(wěn)定器一端進(jìn)行固定，另一端加荷載。模型的抗扭載荷及邊界條件：防卡穩(wěn)定器刀翼上端進(jìn)行固定，對刀翼加扭矩。

圖1 防卡穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)示意圖

3.5 強(qiáng)度載荷分析

11-3/4″防卡穩(wěn)定器抗拉分析結(jié)果如圖2、圖3 所示，通過反復(fù)加載（300T、500T），防卡扶正器最大應(yīng)力都未達(dá)到材料最大屈服強(qiáng)度，且最大屈服強(qiáng)度為1.44e+008Mpa，小于材料抗拉強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 防卡穩(wěn)定器von Mises 應(yīng)力（300T）示意圖

圖3 防卡穩(wěn)定器von Mises 應(yīng)力（500T）示意圖

11-3/4″防卡穩(wěn)定器抗扭分析結(jié)果如圖4、圖5 所示，通過反復(fù)加載(50KN.m、80KN.m)，防卡穩(wěn)定器受扭，都未出現(xiàn)防卡穩(wěn)定器扭曲現(xiàn)象，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 防卡穩(wěn)定器von Mises 應(yīng)力（50KN.m）示意圖

圖5 防卡穩(wěn)定器von Mises 應(yīng)力（80KN.m）示意圖

目前海洋鉆井φ311mm 井眼鉆具組合是：12-1/4″PDC 鉆頭 +9″ Xceed+8-1/4″ ARC +8-1/4″ MWD+8″ NMDC+8″F/V×+11-3/4″倒劃眼穩(wěn)定器+5-1/2″加重鉆桿+5-1/2″鉆桿。根據(jù)鉆具組合可知，11-3/4″防卡穩(wěn)定器機(jī)械強(qiáng)度只要和常規(guī)穩(wěn)定器的機(jī)械強(qiáng)度相當(dāng)就行，查閱鉆井手冊，其機(jī)械強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 渤中34 區(qū)塊某井概況

在渤中34 區(qū)塊某井12-1/4″井眼井段進(jìn)行了為期3 天的現(xiàn)場應(yīng)用，鉆具組合：12-1/4″PDC 鉆頭+9-5/8″PDM×1+8″F/V+11-3/4″防卡穩(wěn)定器+8″NMDC+8″MWD + 8″SNMDC+7-3/4″（F/J+JAR）+X/O+ 5-1/2″HWDP×14。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

某井所處井區(qū)明化鎮(zhèn)地層膠結(jié)疏松，地層蠕變性很大，經(jīng)常出現(xiàn)井眼縮徑現(xiàn)象；下鉆遇阻和倒劃眼憋壓憋扭及抬鉆具等現(xiàn)象，尤其倒劃眼起鉆時(shí)間比例在起鉆時(shí)長中占據(jù)70%～85%。某井在正常鉆井至2876m 后，倒劃眼起鉆至1011m，為保證井眼清潔性，中途2560m、2200m、1912m、1523m 及1011m 大排量循環(huán)干凈；然后直接起鉆至井口。倒劃眼起鉆過程中返出較多井壁削落的細(xì)碎巖屑，全過程僅局部井段泵壓輕微波動(dòng)，無憋卡現(xiàn)象；起鉆至井口，檢查防卡穩(wěn)定器，工具完好；雖然倒劃眼過程中，倒劃眼速度和常規(guī)穩(wěn)定器相差不大，但是其能建立循環(huán)和壓力平衡通道，使得鉆具可以活動(dòng)而不被卡死，為處理卡鉆事故贏得時(shí)間。

4.3 現(xiàn)場推廣應(yīng)用

隨著11-3/4″防卡穩(wěn)定器在BZ34 區(qū)塊應(yīng)用成功后，于2020 年在渤海油田其它區(qū)塊進(jìn)行推廣應(yīng)用，現(xiàn)場使用了4 井次，現(xiàn)場效果良好。雖然防卡穩(wěn)定器在使用過程破裂膜都未破裂，起鉆后檢查該工具都十分完好，破裂膜處存在少許泥巴，并不影響工具使用效果，因此，該工具具有先進(jìn)性和良好的市場推廣價(jià)值。

5 結(jié)論

5.1 防卡穩(wěn)定器不僅具有常規(guī)穩(wěn)定器功能，而且具有壓力補(bǔ)償流道，平衡兩端壓力；因此提高了鉆井時(shí)效，降低了鉆井風(fēng)險(xiǎn)，并且節(jié)約了鉆井成本。

5.2 建立了防卡穩(wěn)定器的極限抗拉載荷和抗扭載荷的模型，并利用有限元軟件進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果表明防卡穩(wěn)定器的極限抗拉載荷和抗扭載荷都能滿足鉆井的實(shí)際需要。

5.3 通過對防卡穩(wěn)定器機(jī)械強(qiáng)度理論計(jì)算，為現(xiàn)場使用提供理論參考數(shù)據(jù)，近一步保障了井下工具的安全性。