朱明坤，李志剛，楊 毅，馬曉偉，李玉海

(大慶油田鉆探工程公司 鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413)

大慶油田經(jīng)過(guò)60多a的高效開(kāi)發(fā)，常規(guī)油氣資源已經(jīng)進(jìn)入開(kāi)發(fā)的中后期。隨著油氣田開(kāi)發(fā)逐漸深入，為應(yīng)對(duì)井下硫化氫腐蝕套管的問(wèn)題，油田已陸續(xù)將氣井、頁(yè)巖油井和高含硫油井中的普通低碳合金鋼套管更換為耐蝕合金(CRA)套管或雙防硫套管。這些防腐蝕的合金套管的材質(zhì)較軟，且表面鍍有防腐層，常規(guī)套管動(dòng)力鉗在進(jìn)行套管單根連接時(shí)，套管連接處被啃上深深的咬痕，表面防腐層被完全破壞，加速了硫化氫對(duì)套管的腐蝕，縮短了套管的使用壽命[1]。通過(guò)分析修井現(xiàn)場(chǎng)套管表面的腐蝕坑分布，能夠明顯地發(fā)現(xiàn)套管上腐蝕最嚴(yán)重的點(diǎn)呈現(xiàn)有規(guī)律的分布，恰好和套管動(dòng)力鉗的咬痕相吻合[2]。針對(duì)這一問(wèn)題，有必要研制無(wú)牙痕套管動(dòng)力鉗，消除套管動(dòng)力鉗對(duì)套管的損傷，減緩硫化氫對(duì)套管的腐蝕，增加套管的使用壽命，為大慶油田實(shí)現(xiàn)降本增效提供技術(shù)支持。

1 無(wú)牙痕鉗牙的設(shè)計(jì)

套管動(dòng)力鉗大多采用內(nèi)曲線(xiàn)爬坡滾子式的鉗頭夾緊機(jī)構(gòu)，利用斜面增壓的原理對(duì)套管動(dòng)力鉗鉗頭施加壓力，從而卡緊套管。保證套管動(dòng)力鉗正常工作的關(guān)鍵是提高套管動(dòng)力鉗鉗頭夾緊機(jī)構(gòu)的可靠性，通常的做法是采用硬度大、牙板齒較尖的金屬鉗牙，牙板齒越尖，金屬鉗牙與套管間的靜摩擦因數(shù)越大[3]，產(chǎn)生的摩擦力也就越大。常規(guī)套管動(dòng)力鉗的每個(gè)鉗頭上配有2塊寬3 cm左右的條形金屬鉗牙，齒型一般為楔形或錐形。在坡板推動(dòng)鉗頭夾緊套管的過(guò)程中，鉗牙吃入并咬緊套管，在套管表面形成咬痕[4]，進(jìn)而損傷套管。

近年來(lái)，部分生產(chǎn)廠(chǎng)家研制出各種微牙痕鉗牙，其基本原理是采用硬度較低20Cr(硬度44 HRC[5])代替T8碳素鋼(硬度最小為56 HRC)作為鉗牙材料，將條形鉗牙改為圓弧形鉗牙，將常規(guī)的楔形齒、錐形齒改為金字塔形細(xì)齒，增加鉗牙與套管的接觸面積，可以減輕鉗牙對(duì)套管的咬痕，但當(dāng)鉗牙出現(xiàn)磨損，或鉗頭與套管間有一定錯(cuò)位時(shí)，微牙痕鉗牙也會(huì)在套管表面留下較深的咬痕。

嘗試改變鉗牙材料，使用非金屬?gòu)椥圆牧献鳛殂Q牙材料，在保證套管上卸扣能力的前提下，最大限度地保護(hù)套管表面，同時(shí)提高鉗牙的使用性能。

1.1 無(wú)牙痕鉗牙的材料優(yōu)選

常規(guī)套管動(dòng)力鉗使用的金屬鉗牙普遍采用硬度高的碳素鋼或低合金鋼制作而成，為提升鉗牙壽命指標(biāo)，在生產(chǎn)制作時(shí)還會(huì)采用滲氮的方式來(lái)進(jìn)一步提高鉗牙的表面硬度。目前各大油田常用的套管中，耐蝕合金C110套管的硬度最大為30 HRC[6]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這些金屬材料鉗牙的硬度?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也表明，在鉗牙壽命指標(biāo)(套管動(dòng)力鉗鉗牙為500次[6])內(nèi)上卸扣時(shí)，隨著上扣轉(zhuǎn)矩的增大，金屬鉗牙對(duì)套管表面的破壞也逐漸增大。上扣轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，套管表面的損傷呈現(xiàn)出與鉗牙齒型相應(yīng)的點(diǎn)狀分布，上扣轉(zhuǎn)矩增大到一定值后，套管表面的損傷呈現(xiàn)為片狀或帶狀，若在上扣時(shí)鉗頭打滑，套管表面甚至?xí)霈F(xiàn)環(huán)形損傷，如圖1所示。

圖1 常規(guī)套管動(dòng)力鉗上扣完成后套管表面破損情況

為最大限度保護(hù)套管表面，應(yīng)選用硬度更低的非金屬材料制作鉗牙。

綜合考慮鉗牙的工作環(huán)境以及工作狀態(tài)可知，鉗牙材料需具備耐磨損、耐腐蝕、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，此外更關(guān)鍵的是，鉗牙材料與套管間還應(yīng)具有較大的靜摩擦因數(shù)。在常見(jiàn)的非金屬材料中，橡膠與各種金屬的靜摩擦因數(shù)均較大，且橡膠的性能可調(diào)節(jié)，經(jīng)過(guò)塑煉、混煉、硫化處理后的復(fù)合橡膠具有非常好的綜合性能。優(yōu)選復(fù)合橡膠作為鉗牙的材料，并通過(guò)調(diào)整復(fù)合橡膠配方和制作工藝+室內(nèi)試驗(yàn)的方式篩選出最符合要求的鉗牙材料。室內(nèi)試驗(yàn)共測(cè)試了10多種鉗牙材料，這里只列舉其中3種做對(duì)比分析，如圖2所示。

圖2 3種非金屬材料制造的無(wú)牙痕鉗牙

試驗(yàn)前先將制作好的橡膠板按照設(shè)計(jì)的尺寸裁剪，安裝在新設(shè)計(jì)的顎板總成上。接通液壓站，操作套管動(dòng)力鉗進(jìn)行套管上扣，通過(guò)轉(zhuǎn)矩儀實(shí)時(shí)讀取上扣轉(zhuǎn)矩值，如圖3所示。

圖3 無(wú)牙痕鉗牙測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

無(wú)牙痕套管動(dòng)力鉗工作時(shí)，無(wú)牙痕鉗牙與套管間是彈性接觸，橡膠牙板在摩擦接觸面產(chǎn)生彈性形變，使摩擦現(xiàn)象復(fù)雜化，其摩擦因數(shù)與環(huán)境溫度、濕度等環(huán)境條件和滑動(dòng)速度、接觸面積、載荷、摩擦對(duì)偶材料的材質(zhì)和摩擦面的狀態(tài)等相關(guān)[7]。因此需對(duì)試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境條件、加載情況、接觸面積一一記錄，再對(duì)比分析。

在室內(nèi)溫度為25 ℃、干燥條件下，使用裝有無(wú)牙痕顎板總成的常規(guī)套管鉗對(duì)規(guī)格為139.7 mm的耐蝕合金套管進(jìn)行50次上卸扣，用轉(zhuǎn)矩儀記錄顎板總成打滑時(shí)的上扣轉(zhuǎn)矩，并觀(guān)察套管表面牙痕和無(wú)牙痕鉗牙的磨損情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，鉗牙材料的硬度、鉗牙與套管接觸面的面積對(duì)上扣轉(zhuǎn)矩的影響十分明顯，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 無(wú)牙痕鉗牙室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.2 無(wú)牙痕鉗牙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉗牙設(shè)計(jì)成與套管同心的圓弧型，設(shè)計(jì)有一定的過(guò)盈量，保證鉗牙與套管充分接觸；增加鉗牙的軸向長(zhǎng)度以提高鉗牙與套管間的接觸面積；鉗牙的背部設(shè)計(jì)梯形棱條，以提高鉗牙的傳扭能力，圖4為無(wú)牙痕鉗牙的結(jié)構(gòu)示意圖。

L-鉗牙長(zhǎng)度；R-鉗牙曲率半徑；δ-鉗牙厚度；θ-鉗牙弧度。圖4 無(wú)牙痕鉗牙結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 鉗牙最小接觸面積計(jì)算

作業(yè)時(shí)套管表面不發(fā)生塑性形變，鉗牙與套管間的壓力要低于套管的彈性極限，鉗牙與套管間的靜摩擦力矩要大于等于上扣轉(zhuǎn)矩，由此可計(jì)算出鉗牙的最小包絡(luò)面積S。

(1)

式中：p為套管表面壓壓應(yīng)力；Nmax為套管鉗輸出的最大徑向力；σ1為套管的彈性極限；Mf為靜摩擦力矩；M為上扣轉(zhuǎn)矩；σ2為鉗牙橫向抗拉強(qiáng)度；S為鉗牙與套管的最小接觸面積。

2 套管動(dòng)力鉗夾緊機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

套管動(dòng)力鉗夾緊機(jī)構(gòu)分為鉗頭機(jī)構(gòu)總成和制動(dòng)機(jī)構(gòu)[8]。工作時(shí)，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)齒輪組和缺口齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)制動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)剎住顎板架和顎板總成，缺口齒輪相對(duì)剎住的顎板總成轉(zhuǎn)動(dòng)。固定在缺口齒輪內(nèi)圓柱面上的坡板擠壓顎板總成滾輪，在坡板與滾輪的接觸點(diǎn)，動(dòng)力分解為一個(gè)切向力Fs和一個(gè)徑向力N，徑向力N迫使鉗牙吃入并咬緊套管，切向力Fs推動(dòng)鉗牙和套管旋轉(zhuǎn)上扣，這2個(gè)力都來(lái)自同一個(gè)動(dòng)力源，同時(shí)又必須按一定的比例增加或減少， 這個(gè)比例關(guān)系的比值就叫切徑比，用“m”表示。

2.1 鉗頭機(jī)構(gòu)總成優(yōu)化設(shè)計(jì)

常規(guī)套管動(dòng)力鉗工作時(shí)，由于被牙板咬合的套管發(fā)生了塑性變形, 所以牙板與套管間的靜摩擦因數(shù)>彈性接觸的摩擦因數(shù)[3]。鉗牙材料換為復(fù)合橡膠后，無(wú)牙痕鉗牙與套管間變?yōu)閺椥越佑|，鉗牙與套管間的靜摩擦因數(shù)降低，由第二摩擦力定律可知，摩擦力與兩物體的法向載荷成正比[9]，此時(shí)欲獲得較大的摩擦力，需提高徑向力N，降低套管的切徑比m。

圖5為鉗頭機(jī)構(gòu)夾緊套管時(shí)的受力分析圖，切徑比的值可以參考如下公式計(jì)算[10]：

圖5 鉗頭機(jī)構(gòu)夾緊套管時(shí)的受力分析

(2)

切徑比和多種因素有關(guān)，影響最大的就是坡板內(nèi)面的形狀及坡板工作點(diǎn)的坡角[8]。據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),m值一般取值為在0.3～0.6，而對(duì)于無(wú)牙痕套管鉗而言,較低的切徑比更有利于夾緊套管，因此m值取0.35～0.40較為合適。設(shè)計(jì)無(wú)牙痕套管鉗頭時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整鉗頭的滾輪尺寸、坡板曲線(xiàn)、缺口齒輪內(nèi)曲線(xiàn)等參數(shù)實(shí)現(xiàn)切徑比m的數(shù)值調(diào)整。

圖6 為調(diào)整參數(shù)后的無(wú)牙痕套管鉗的缺口齒輪，采用直接在缺口齒輪內(nèi)壁銑出漸開(kāi)線(xiàn)式的坡板曲線(xiàn)，并設(shè)計(jì)更長(zhǎng)的坡板曲線(xiàn)，較小的工作點(diǎn)坡角角度，在降低切徑比的同時(shí)，也增大了鉗體內(nèi)部空間，同時(shí)還簡(jiǎn)化了爬坡機(jī)構(gòu)，便于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)保養(yǎng)。

圖6 無(wú)牙痕套管鉗缺口齒輪

2.2 制動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

制動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由剎帶、固定鋼板、固定塊、調(diào)節(jié)螺栓構(gòu)成。其工作原理是，通過(guò)緊固調(diào)節(jié)螺栓，使固定鋼板壓迫剎車(chē)帶貼緊顎板架，使剎車(chē)帶與顎板架間產(chǎn)生摩擦力，在鉗頭機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，給顎板架提供一個(gè)制動(dòng)力矩。在鉗頭機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，制動(dòng)力矩的大小決定了鉗頭機(jī)構(gòu)夾緊工作角的大小。如果制動(dòng)力矩太小，使得動(dòng)力鉗傳遞的轉(zhuǎn)矩?zé)o法到達(dá)上卸管具所需要的轉(zhuǎn)矩，也會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象[11]?，F(xiàn)有的液壓動(dòng)力鉗一般只有上顎板架配有1套帶式剎車(chē)機(jī)構(gòu)，鉗頭機(jī)構(gòu)在軸向上的受力不對(duì)稱(chēng)。從加大制動(dòng)力矩和平衡受力方面考慮，設(shè)計(jì)一種新型的制動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖7所示。

1—?dú)んw ；2—缺口齒輪；3—上顎板架；4—下顎板架；5—顎板總成；6—?jiǎng)x帶調(diào)節(jié)螺栓；7—?jiǎng)x帶固定塊；8—?jiǎng)x帶固定鋼板；9—?jiǎng)x帶。圖7 無(wú)牙痕套管鉗鉗頭結(jié)構(gòu)示意

該機(jī)構(gòu)有上、下2套帶式剎車(chē)機(jī)構(gòu)，一方面可提供原來(lái)單套剎車(chē)機(jī)構(gòu)的2倍的制動(dòng)力矩，為夾緊套管提供足夠的制動(dòng)力矩；另一方面可以使夾緊機(jī)構(gòu)上下受力對(duì)稱(chēng)，有效減小缺口齒輪因受力不均而造成的變形。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

無(wú)牙痕套管鉗主鉗采用液壓馬達(dá)和行星輪的方式驅(qū)動(dòng)，背鉗采用液壓油缸和漸開(kāi)線(xiàn)爬坡滾子驅(qū)動(dòng)。背鉗配備與主鉗結(jié)構(gòu)一樣的無(wú)牙痕顎板總成，并配備有RSNY-F型動(dòng)力鉗轉(zhuǎn)矩控制儀，可對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。對(duì)整體優(yōu)化后的無(wú)牙痕套管鉗進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)，模擬工況條件為在室內(nèi)溫度25 ℃、干燥條件下，分別對(duì)大慶油田區(qū)塊常用的3種規(guī)格耐蝕合金套管進(jìn)行100次的上、卸扣，觀(guān)察套管表面牙痕及鉗牙磨損情況，記錄鉗頭打滑時(shí)的上扣轉(zhuǎn)矩值，如表2所示。

表2 無(wú)牙痕套管鉗室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，NTQ248-25Y型無(wú)牙痕套管動(dòng)力鉗在鉗頭打滑時(shí)的上扣轉(zhuǎn)矩均超過(guò)表2中3種套管的最佳上扣轉(zhuǎn)矩值，且完成上扣后套管表面牙痕深度均小于0.1 mm，該套管鉗可以滿(mǎn)足規(guī)格為114.3、139.7、177.8 mm的耐蝕合金套管的無(wú)牙痕上卸扣作業(yè)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前已累計(jì)進(jìn)行了10余口頁(yè)巖油井和天然氣井的現(xiàn)場(chǎng)推廣和應(yīng)用。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，NTQ248-25Y型無(wú)牙痕套管動(dòng)力鉗能完成對(duì)應(yīng)規(guī)格耐蝕合金套管的全部下入、起出工作。在背鉗與主鉗的配合下，套管能自動(dòng)扶正對(duì)扣，上扣過(guò)程平穩(wěn)，主鉗、背鉗鉗頭夾緊可靠，操作簡(jiǎn)便，工作效率高。圖8為PF208-P1井下入的P110套管的上扣轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)界面。

圖8 PF208-P1井下入P110套管的上扣轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)界面

從圖8中可以看出，RSNY-F型動(dòng)力鉗轉(zhuǎn)矩控制儀可實(shí)時(shí)監(jiān)控轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和圈數(shù)的變化。分析轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)可知，上扣過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩忽高忽低的現(xiàn)象，說(shuō)明上扣過(guò)程鉗頭沒(méi)有出現(xiàn)打滑，而在曲線(xiàn)的最后，轉(zhuǎn)矩急劇上升出現(xiàn)拐點(diǎn)，說(shuō)明此時(shí)套管已上扣至臺(tái)肩處。繼續(xù)上緊至最佳轉(zhuǎn)矩值，當(dāng)上扣到達(dá)最佳轉(zhuǎn)矩時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切斷套管鉗動(dòng)力，曲線(xiàn)直線(xiàn)下降。整個(gè)套管上扣過(guò)程平穩(wěn)、迅速，對(duì)上扣轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)了全程實(shí)時(shí)、精確的控制。

圖9為套管牙痕對(duì)比，圖9a為美國(guó)ECKEL Model 5Hydra-Shift VS Power Tong微牙痕套管鉗對(duì)套管產(chǎn)生的牙痕，可以看到大面積點(diǎn)狀分布的牙痕, 雖然在一定程度上減輕了對(duì)套管本體的破壞，但個(gè)別地方的牙痕深度仍然較深，深度約在0.5～1.0 mm，隨著上扣轉(zhuǎn)矩的增加，牙痕深度將更加明顯。圖9b為NTQ248-25Y型無(wú)牙痕套管動(dòng)力鉗上扣后的套管，可以看到套管本體表面完好無(wú)破損，完全沒(méi)有牙痕，真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)牙痕套管上扣作業(yè)。

圖9 套管牙痕對(duì)比

5 結(jié)論

1) 研制的NTQ248-25Y型無(wú)牙痕套管動(dòng)力鉗在選用非金屬材料的鉗牙的前提下，通過(guò)對(duì)鉗體夾緊機(jī)構(gòu)和制動(dòng)機(jī)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)，提高套管鉗的徑向力，利用無(wú)牙痕鉗牙與套管間的摩擦轉(zhuǎn)矩，可完成相應(yīng)規(guī)格套管的單根連接。

2) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該套管鉗能完成規(guī)格為114.3～177.8 mm的耐蝕合金套管的上扣作業(yè)，且套管表面完全沒(méi)有牙痕，最大限度地對(duì)套管進(jìn)行了保護(hù)，在高含硫的油氣井中，可以提高套管的使用壽命。

3) 該套管鉗的成功研發(fā)為大慶區(qū)塊提高固井質(zhì)量、預(yù)防井下套損、降低修井頻次提供了技術(shù)手段，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。