（机械设计及理论专业论文）可回收套管钻井工具关键部件的强度分析与结构优化.pdf

l i l ll l ri rr l u rii l i l y 17 4 7 8 0 9 t h es i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o no f t h ek e y c o m p o n e n t s o fr e t r i e v a b l ec a s i n gd r i l l i n gt o o l s b y x u z o n g l e i u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f s u nm i n g g u a n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y3 0 ，2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：粒导师签名：。堑丝塑辽日期： 济南大学硕上学位论文 目录 摘要i i i a b s t r a c t v 第一章绪论1 1 1 概述1 1 2 套管钻井简介2 1 2 1 德士古公司的可回收式套管钻井系统的结构和工作原理2 1 2 2 威德福公司的一次性套管钻井系统的结构和工作原理3 1 3 套管钻井的国内外研究现状4 1 3 1 套管钻井的国内外研究现状4 1 3 2 可回收井下工具关键部件的研究现状6 1 4 本文的主要研究内容9 第二章外卡式套管夹持器的受力分析与结构优化1 1 2 1 外卡式套管夹持器的结构与工作原理1 1 2 2 夹持器的受力分析1 2 2 2 1 卡块传递扭矩和承受钻压时的受力分析1 2 2 2 2 卡块承受套管重力时的受力分析1 3 2 2 3 驱动螺母的受力分析1 4 2 3 夹持器的有限元分析1 4 2 4 驱动螺母的结构优化1 5 2 5 本章小结1 6 第三章底部钻具组合锁定总成的仿真分析1 7 3 1 锁定总成的工作原理1 7 3 2 锁定总成有限元模型的建立1 8 3 2 1 模型建立的步骤1 8 3 3 仿真结果分析1 9 可i ? i 收套管钻井工具关键部件的强度分析与结构优化 3 3 1 锁块与锁块轴的仿真结果分析1 9 3 3 2 座底套管和锁键的仿真结果分析2 3 3 4 本章小结2 5 第四章随钻扩眼器的摩擦接触模拟研究2 7 4 1 随钻扩眼器的工作原理2 7 4 2 摩擦接触有限元分析2 7 4 2 1 摩擦接触有限元理论2 8 4 2 2 接触边界的处理2 9 4 3 随钻扩眼器与岩石摩擦接触的数值模拟研究3 0 4 3 1 扩眼器与岩石相互作用模型3 0 4 3 2 模拟结果及分析3 l 4 4p d c 切削齿破岩受力的数值模拟研究3 5 4 4 1p d c 切削齿与岩石互作用模型3 5 4 4 2 模拟结果与分析3 6 4 5 本章小结3 8 第五章结论与展望3 9 5 1 结论3 9 5 2 展望3 9 参考文献4 l 致谢4 5 附录a ：攻读硕士学位期间发表论文及科研情况4 7 一攻读硕士学位期间完成的论文4 7 二攻读硕士期间参与的科研项目4 7 u 济南大学硕十学位论文 摘要 可回收式套管钻井以能降低石油钻井成本，提高石油钻井效率而受到广泛关注。 特殊的工作环境及工作原理使得可回收式套管钻井工具串的受力变得复杂，如何使得 工具串顺利的下入和回收，成为世界各大石油公司研究和试验的目标。因此，从工具 串的工作机理入手，对工具串在井下的受力状况进行仿真分析具有重要意义和实用价 值。 本文在充分分析了可回收套管钻井工具串的工作机理的基础上，分别建立了工具 串各个关键部件的有限元模型，并对影响关键部件受力的主要因素进行分析，找出了 对分析结果影响显著的因素，优化了关键部件的结构。 通过对套管夹持器的受力分析，得出卡块正常工作时所需的最小压紧力、卡块与 驱动螺母在相应载荷下的应力分布；进而对驱动螺母的楔角进行优化，得出驱动螺母 楔角的最佳工作角度。 对井下锁定总成进行仿真分析，得出了锁定总成的应力分布和危险部位。通过对 应力分布结果的分析，确定了座底套管的开孔分布形式和开孔数量是影响总成强度的 主要因素，为总成的使用、设计和优化提供了参考。 采用摩擦接触有限元法对随钻扩眼工具工作过程中的应力、接触压力的分布进行 了模拟研究。找出了影响工具接触压力的三个因素，得出影响因素对工具接触压力的 影响规律，为随钻扩眼工具的研制和使用提供了参考。本次研究还对p d c 切削齿的 破岩受力进行了数值模拟研究，为破岩工具的设计和使用提供了依据。 关键词：可回收；套管钻井工具；仿真分析；结构优化 可回收套管钻j f t 具关键部件的强度分析与结构优化 i v 济南大学硕十学位论文 a b s t r a c t r e t r i e v a b l ec a s i n gd r i l l i n go fr e d u c i n gd r i l l i n gc o s ta n dr a i s i n gd r i l l i n ge f f i c i e n c yi s r e c e i v i n gs p r e a da t t e n t i o n s p e c i a lw o r k i n ge n v i r o n m e n ta n dw o r k i n gp r i n c i p l em a k et h e l o a do ft o o la s s e m b l yc o m p l e x ，s ot h a tt h ep r o s p e r o u se n t r a n c ea n dr e t r i e v eo ft h et o o l a s s e m b l yh a sb e e ni n v e s t i g a t o r ya i mo fp e t r o l a t u me n t e r p r i s e s t h e r e f o r e ，s t a r t i n gw i t ht h e t o o la s s e m b l ym e c h a n i s mt oa n a l y s i st h ed i s t r i b u t i o no ft h es t r e s sl o a d e do nt h et o o l a s s e m b l yh a sag r e a ts i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e i nt h i sp a p e r ，o nt h eb a s i so ft h ef u l la n a l y s i so ft h et o o la s s e m b l ym e c h a n i s mo f r e t r i e v a b l ec a s i n gd r i l l i n g ，t h em o d e lo fk e yp a r t so ft h et o o la s s e m b l ya l ee s t a b l i s h e d r e s p e c t i v e l y ，t h e nt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h em a i nf a c t o r st h em o s tn o t a b l ef a c t o r sf o rt h e r e s u l t so ft h ea n a l y s i sa l ei n d e n t i f i e d ，a n dt h ek e y p a r t sa l eo p t i m i z e d t h em i n i m a lp r e s s u r eo fb r a d e ，t h ed i s t r i b u t i o no fl o a df o rb r a d ea n dd r i v i n gn u ta l e g o tt h r o u g ht h es i m u l a t i o no fc a s i n g - h o l d e r ；a n dt h eb e s to p e r a t i n ga n g l eo fd r i v i n gn u ti s o b t a i n e d t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fl o c ka s s e m b l ya n dt h er i s ks i t e sa l er e a c h e di nt h ew a yo f a n a l y z i n gl o c ka s s e m b l yf o ru n d e r g r o u n d t h ec o n c l u s i o nt h a tt h ed i s t r i b u t i o no fs e a ta t t h ee n do ft h eh o l ec a s i n gf o r ma n dt h en u m b e ro fo p e n i n g sa l et h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n g t h es t r e n g t ho fl o c ka s s e m b l yi se d u c e dt h r o u g ht h ea n a l y s i sr e s u l t s ，a n dt h er e s u l t sp r o v i d e ar e f e r e n c ef o r t h eu s e 、d e s i g na n d o p t i m i z a t i o no ft h el o c ka s s e m b l y af r i c t i o n a lc o n t a c tf i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s e dt os i m u l a t et h es t r e s sa n dt h e d i s t r i b u t i o no fc o n t a c tp r e s s u r eo fr e a m i n gw h i l ed r i l l i n gt 0 0 1 t h et h r e ef a c t o r sa n dl a w i m p a c t i n gt h ec o n t a c tp r e s s u r ea r ei d e n t i f i e d ，t h e s ep r o v i d ear e f e r e n c ea b o u th o wt o m a n u f a c t u r ea n du s er e a m i n gw h i l ed r i l l i n gt 0 0 1 t h es t u d ya l s ou s e san u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o dt ot h er o c k b r e a k i n gl o a do fp d c c u t t i n gt e e t hi no r d e rt oa f f o r dg i s to n t h ed e s i g n i n ga n du s i n go ft h er o c k b r e a k i n gt 0 0 1 k e yw o r d s ：r e t r i e v a b l e ；c a s i n gd r i l l i n gt o o l ；s i m u l a t i o n ：s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n v 可同收奁管钻井t 具关键部件的强度分析与结构优化 v l 1 1 概述 第一章绪论 传统的油田钻井方式是利用钻杆及连接在钻杆下面的钻头钻进，钻至设计井深 后，取出钻杆等钻具，下入套管进行固井。虽然钻杆钻井已有相当长的历史，也为探 采石油做出了巨大贡献，但是它存在以下缺点1 1 - 5 1 ： ( 1 ) 开钻和完井作业时都要对钻杆进行下入和起出，一般的井深在千米以上， 这就需要大量时间对钻杆进行下入和起出，降低了钻井效率。 ( 2 ) 钻杆的采购、存放、校验、运输、修复费用高。 ( 3 ) 因为在钻井过程中固井工作无法进行，所以钻井过程中容易出现井壁坍塌、 井喷、井漏等井下事故，造成井眼报废，浪费大量人力物力。 ( 4 ) 起下钻时，钻井液无法循环，井内岩屑无法及时被取出，钻头容易被卡住。 基于传统钻井的诸多缺点，一种新型的钻井方式套管钻井应运而生。套管钻 井就是利用固井用的常规套管与钻头连接，套管传递钻机的扭矩给钻头钻进，边钻进 边下入套管，完井后套管直接留在井内进行固井作业。与传统钻井相比，套管钻井有 着不可比拟的优势纠o l ： ( 1 ) 缩短了起下钻的时间，提高了钻井效率。 ( 2 ) 由于套管在钻井直到完井时始终留在井内，防止了井壁坍塌等井下事故的 发生。 ( 3 ) 由于不再使用钻杆，降低了钻井成本。 ( 4 ) 起下钻时，钻井液仍能在井下循环，既清理了油井又避免了卡钻事故的发 生。 ( 5 ) 向套管内泵入钻井液时因其内径比钻杆大，大大降低了管内压耗，从而可以 减少钻机钻井泵的配备功率。”，扭。- ”_ 。- 驽：”j j 篡留一? ：7 一i ：一 ( 6 ) 套管与井壁之间的环空面积大大减小，显著提高了环空内的钻井液上返速 度，改善了钻屑的携出状况。 ( 7 ) 减小了钻机尺寸、简化钻机结构、降低钻机费用。 套管钻井技术的出现打破了钻井需要钻杆这_ 传统思想认识，使得钻井工艺及其 i 1 _- 装备出现了革命性的变化。从技术方面来说，套管钻井技术是一种十分新颖并富有创 造性的钻井新技术；从经济方面来说，套管钻井技术为我们降低钻井成本、降低油层 污染程度提供了一种钻井新思路。 1 2 套管钻井简介 ； 国外套管钻井技术已经有了十余年的发展，形成了成熟配套的工艺技术，总体上 可以分为两大发展方向。一是以加拿大1 e s c o ( 德士古) 公司为代表的绳索回收技 术；二是以美国w e a t h e r f o r d ( 威德福) 公司为代表的可钻式一次性套管钻井技术。 1 2 1 德士古公司的可回收式套管钻井系统的结构和工作原理 t e s c o 公司的可回收式套管钻井系统( 见图l1 ) 用常规油田套管作为钻柱边钻 进边下套管，套管把水力和顶驱( 驱动装置) 的机械能量传递给可回收式井底钻具组 合。套管上端与顶驱连接，井下套管的结构为扶正器、定位止动器、定位台肩、定位 槽、套管锁定短节、套管扭矩短节、套管鞋。其中扶正器的作用是防止套管在井中发 生偏移而与井壁接触造成磨损。定位台肩、定位止动器、定位槽、套管锁定短节与套 管扭矩短节的作用是与可回收钻具组合固定、配合钻具的回收、传递钻机的能量。套 管鞋是套管的最下端，其作用是引导套管顺利地下入井中，套管鞋上镶有p i ) c 切削元 件( 或硬质合金元件) ，帮助随钻扩眼器和钻头进行钻进作业，并在随钻扩眼器的切 削臂出现异常而不能到位回收时将其铣磨掉。钻具组合的结构为密封器、轴向锁定器、 止销、扭矩锁定器，钻具组合的最下部是钻头，也可以加装一些其它的常规钻井结构， 像井下扩眼器、动力马达、取芯或定向装置等，其中扩眼器跟在钻头后面起到进一步 扩大井眼尺寸的作用，它的切削齿用破岩能力极强的金刚石切削元件制成，它的切削 齿可以伸缩，其伸缩状况由钻井液的压力控制。在钻具组合下入和回收过程中，扩眼 器的切削臂处于收缩状态，钻进过程中处于扩张状态1 1 1 1 9 1 。 下入和回收- i - 具密封器轴向锁定嚣止销周向镇定器泥浆- q 达扩眼器钻头 1 i 套管扶正器套管镊定短节套管扭矩短节 套管鞋 图1 1t e s c o 公司的可l 旦| 收套管钻并工具 2 1 2 2 威德福公司的一次性套管钻井系统的结构和工作原理 w e a t h e r f o r d 套管钻井系统与t e s c o 套管钻井系统原理及设备基本相同，该公司对 于套管钻井技术的应用更简单、有效。无论是在降低钻井费用方面，还是在提高处理 钻井问题的能力方面，套管钻井技术均具有非常明显的技术优势。它的结构是套管下 面接一个芯部可钻式钻头，完井后，利用钻头将芯体钻掉，切削刀翼被挤到环空中( 见 图1 2 ) ，不影响固井，钻掉的芯体随钻井液返至地面，然后固井。利用此法进行钻进 时，通常不需要起出钻具组合就能完成固井等操作，中途无需间断施工。为了有效的 提高利用套管钻井工具“迅速固井 的能力，w e a t h e r f o r d 公司多年来一直致力于芯 部可钻式钻头的研究开发，目前已经拥有了第三代产品。 图1 2 被挤开的刀翼 3 可同收套管钻井t 具关键部件的强度分析与结构优化 1 3 套管钻井的国内外研究现状 1 3 1 套管钻井的国内外研究现状 早在2 0 世纪6 0 年代就有套管钻井的相关专利出现。1 9 8 9 年到1 9 9 5 年期间又出 现了一些与套管钻井相关的钻井工具、钻机设备和钻井工艺专利。这一时期是现代套 管钻井技术的形成阶段。1 9 9 6 年到1 9 9 8 年，国际油价持续下滑，整个油气行业陷入 萧条之中，各油气公司纷纷进行兼并、裁员以降低成本。同时，这些公司把套管钻井 作为一种降低钻井成本、提高投资回报率的项目进行了研究和开发，但因为研究开发 的初衷和技术路线不同，因而又各具特点。这一时期套管钻井技术进入了快速发展的 阶段。 加拿大的t e s c o 公司从1 9 9 5 年开始研究套管钻井技术，1 9 9 6 年与美孚技术公 司、b p a m o c o 公司、雪佛龙公司( c h e v r o n ) 合作成立了名叫m o b p t e c h 的研究小组， 专门对套管钻井技术进行研究。1 9 9 8 年6 月，成功地完成了第1 口套管钻进试验井， 后来又用直径分别为2 2 9 m m 、1 9 4 m m 、1 7 8 m m 、1 4 0 m m 和l1 4 m m 五种尺寸的套管钻 井设备进行了直井、开窗侧钻井、定向井、水平井和取心等钻井试验，累计进尺达 2 7 7 4 m 。1 9 9 9 年上半年，将直径为1 1 4 m m 到3 3 1 m m 的7 种规格的套管钻井设备投入 应用，2 0 0 0 年又与雪佛龙、p d o 、荷兰壳牌等公司合作，在加拿大、美国、墨西哥 湾、阿曼和北海等地陆续完成了2 0 多口井的各种套管钻井作业。除了在怀俄明州的 l 口井尝试了泵送起下方式外，其它的套管钻井作业都采用钢丝绳起下井底钻具的方 式。 美国t f i m a xi n d u s t r i e s 公司于1 9 9 6 年开始对套管钻井技术进行研究。该公司的 研究目的是如何在表层套管尺寸一定的情况下，最大限度地增加生产套管的尺寸，降 低深水钻井的成本。该公司设计了可伸缩随钻扩眼器的钻井方式，并在1 9 9 7 年对这 种工具进行了现场试验，以后又陆续在墨西哥湾和地中海海域进行了现场应用。该公 司现在已经设计、制造出了第二代产品。 2 0 0 0 年1 月，w e a t h e r f o r d 公司的可钻式一次性套管钻井技术研制成功，得到了 广泛成功的油田试验，3 0 0 多个钻鞋也在l o 多个国家的1 6 家公司得到了应用。 2 0 0 2 年，t e s c o 公司与c o n o c o 石油公司、休斯克利斯坦森公司合作，共 同开发一种回收内核式p d c 钻头。这种钻头的工作机理研究已经完成，目前正在进 行切削结构的设计工作，预计很快会进入试验阶段。2 0 0 2 年9 月，该公司的套管钻 井系统首次实现了在常规钻机上实施套管钻井作业的技术。到2 0 0 5 年底，t e s c o 公 4 司已经利用套管钻井技术完成各类井4 0 0 多口。 从1 9 9 9 年到2 0 0 5 年，t e s c o 公司利用套管钻井技术共钻井3 0 0 多口，其中有定 向井1 2 口。现己证明套管钻井技术可用于直井和定向井中，目前套管钻井井深已超 过2 0 0 0 m ，套管层数可达3 层，尺寸从l1 4 3 m m 到3 3 9 7 m m 。 s p e r r y s u n 公司为了降低深水钻井的成本，利用套管钻井技术开展了海上无隔水 管钻井作业的研究，以此来节省下入套管的时间，缩短建井的周期。该公司还借助这 项技术解决了裸眼井段“时间敏感性地层 的井眼稳定问题，实现了在这种地层中快 速钻进和下入套管的目的。s p e r r y s u n 公司利用其在多分支井技术中使用的液压回收 工具，在海上进行套管钻井并实现了用钢丝绳或钻杆两种方法回收井下套管钻井系统 的目的 2 5 - 2 8 1 。 套管钻井技术的出现引起了国内有关专家和学者的广泛关注，此技术在2 0 0 6 年 1 2 月被国家科技部立项为国家8 6 3 计划“先进钻井技术与装备 的研究课题。先后 有大港滩海钻井工程公司、胜利油田、吉林油田、大庆油田等多家单位进行了尝试性 研究，并取得了部分进展。这些单位研究的主要方向针对的是一次性套管钻井技术， 并且多数是在与国外公司合作的情况下完成的。 2 0 0 2 年，大港滩海钻井工程公司与美国阿帕奇公司( 中国部) 与w e a t h e r f o r d 公 司合作，在渤海湾的赵东油田完成了2 2 口井的表层井眼，共节约平台作业时间2 0 8 天，节约钻井费用1 5 0 万美元，但由于没有实现在较长井段中使用套管钻井技术，套 管钻井技术的优势没有得到充分地体现【2 9 1 。 国内大港、大庆和渤海、南海油田等都在开展套管钻井的研究与试验，主要都用 于表层或技术套管的钻进。吉林油田从2 0 0 3 年开始开展套管钻井技术的研究与试验， 主要用于油层段的钻进。有以下主要特点： ( 1 ) 该套管钻井系统对井深有一定的限制，即必须用一只钻头打完全部进尺。 因此，该系统主要适用于井深较浅的开发井。 ( 2 ) 该套管钻井系统不采用顶部驱动的钻井方式，而是采用转盘驱动的钻井方 式。因此，该系统对钻井设备没有特殊的要求，不会增加设备的成本，采用常规钻井 设备就可以实现。 ( 3 ) 该套管钻井系统采用专门的钻头脱接装置，可实现油层段的裸i l i o n 井。 ( 4 ) 该套管钻井系统采用套管夹持头或套管承扭保护接头传递动力。 ( 5 ) 该套管钻井系统通过对普通长圆扣套管改制，以增强套管的抗扭能力和密 5 可同收套管钻井t 具关键部件的强度分析与结构优化 封性，满足套管钻井的需要。 该套管钻井系统的方钻杆下通过螺纹连接机械式套管夹持头，套管夹持头通过内 ( 外) 卡瓦对套管进行夹持，每段套管通过特制的接箍进行连接，套管下端则通过特 制的固井短节、钻头脱接装置与钻头连接。进行钻井作业时，转盘驱动方钻杆旋转， 方钻杆进而带动夹持头及整个套管柱旋转，实现钻井作业。当钻井完成后，再通过投 球方式，将钻头丢入井底。然后，根据需要将套管上提到一定高度，就可以对主要目 的层进行裸眼测井。测井工艺完成后，将套管重新下入井中实施固井工作。如果不需 要进行裸眼测井，则采用套后测井的方法提供后续生产所需的必要的油藏数据。表 1 1 列出了吉林油田套管钻井与常规钻井的成本对比。 表1 1 吉林油田套管钻井与常规钻井成本对比分析 综上所述，套管钻井在我国会有良好的发展前景，随着该技术的不断成熟，相信会 开辟更多的应用范围，而我国目前对套管钻井相关课题研究较少，应将研发套管钻井 配套工具及工艺技术提上日程，进行攻关研究，实现以点带面的渐进式发展【3 0 。3 2 1 。 1 3 2 可回收井下工具关键部件的研究现状 国外的套管钻井都是利用顶驱驱动，相应的配套工具也是围绕顶驱设计的，由于 顶驱驱动的费用较高，中石油的冯来等人根据国内陆上钻井装备研制开发了外卡式和 内卡式套管夹持器，使得用转盘驱动套管钻井变得简单、易于拆装，降低了钻井成本。 大庆油田为了实现对外围未动用储量的经济有效开采，开展了转盘钻井条件下的 套管钻井技术研究，研究开发了固定式和铰接式套管夹持器，固定式夹持器采用夹持 套管接箍表面，可以避免内夹持对套管内壁的损坏：采用限位凸轮卡瓦，实现了安全定 量压痕，并且具有自锁功能，有效地将转盘转动动力传递至套管：采用悬挂套管接箍 下端面，实现独立悬挂下部钻具，避免出现依靠夹持部件悬挂失效时的钻具脱落现象。 铰接式夹持器的工作偏角为3 0 0 ，是固定式套管夹持器允许偏角( 1 5 0 ) 的2 0 倍。在主 井眼里连接套管时可以有效地释放大钩和方钻杆作用下产生的偏角，减弱其对螺纹及 扣的负面影响。 6 济南大学硕上学位论文 2 0 0 7 年1 月，大港油田利用套管夹持器对转盘驱动钻机套管钻井技术进行了试 验并获得成功，转盘驱动套管钻井技术简化了作业程序，缩短了钻井周期。套管夹持 器能够在转盘驱动和顶部驱动表层套管钻井中通用，工具性能可以满足大港油田的需 要【3 3 1 。 2 0 0 7 年1 1 月，胜利油田的许俊良等人对可回收钻具组合的锁定总成进行了设计 研究，对锁定总成的锁定和解锁进行了现场试验并取得了成功【3 4 】。 胜利石油管理局钻井工艺研究院对自行设计的可回收装置中的锁定总成进行了 强度校验，该锁定结构与国外的锁定结构相比更加简单、安全，使用常规钻机就可进 行套管钻井作业，校验结果表明锁定总成的设计用钢合适，尺寸合理，符合机械上程 设计要求。 t m w a r r e n 在其文章中介绍了固定刀片式扩眼器用于随钻扩眼的应用情况【3 5 1 。 他在文中指出深井钻井程序通常需要使用多层套管或尾管来实现，在这类井的设计过 程中，要尽可能地使地面的井口减小以减少套管费用的支出，同时又要使得井眼足够 大以便于处理意外事故和满足最佳的完井设计要求，通过扩眼作业可以很好地解决上 述问题。 j o h nc o o k 在其文章中介绍了导向随钻扩眼器( s r w d ) 的研究开发及其在墨西哥 湾斜井中的应用。这项技术的研究开发过程由两部分构成，一是实验室的研究，二是 现场的试验，以此来检测样机动力的稳定性与导向性能。现场试验的目的，主要是为 了确保导向稳定块在钻进状态下能够具有足够的稳定能力，以及钻具结构顺利地通过 井眼通道。试验结果表明扩眼系统长度的增加对导向钻具组合的导向功能没有造成不 良影响【3 6 】。 w i l l i 锄j ，b i l l m a n 等在文章中，介绍了一种用于扩大尾管尺寸的偏心工具，此 工具成功地解决了在苏伊士海湾盐层中钻井时易发生的复杂井下问题。这种工具可以 使导向钻进与扩眼工作同时进行3 7 1 。 s c o t tk e l l e y 等在文章中，介绍了随钻扩眼技术应用于南德克萨斯州油田的情况。 根据该油田的钻井经验，由于地层较为复杂，在钻进过程及固井作业时存在很大的问 题。这些问题包括：由于地层破裂压力梯度低，从而引起循环液漏失；井眼的偏斜、 断层的运移容易造成钻杆卡钻以及套管或尾管下入受阻。现场作业时采用以1 2 1 4 ” r w d 扩眼工具钻出超出设计大小的井眼的方法来解决上面提到的问题。最后结果表 明，此方法消除了卡钻的问题，在低平衡循环密度下，钻井过程和下入套管的工作都 7 可回收套管钻井工具关键部件的强度分析与结构优化 能正常进行，循环液的漏失量减少。钻井结束后，对该井进行了井径测量，测量结果 表明该井眼直径与钻头直径一致，并且与邻井相比，井斜趋势也降低了【3 8 】。 中石油的夏焱，管志川以钻进趋势角作为评价指标，对使用随钻扩眼工具进行钻 进时的钻进趋势进行了分析。结果表明：对于偏心扩眼钻头，钻压分配比在一定条件 下能够改变钻具的钻进趋势，因此在钻具组合设计中不能按照常规钻头来对待；对于 钻具组合设计，将扩眼体位于井眼高边时是否满足防斜要求作为设计依据；对于独立 结构的扩眼器，钻具钻进趋势受钻压分配比变化的影响较小，独立结构扩眼器的防斜 主要靠领眼钻头与扩眼器之间稳定器位置的调节f 3 9 1 。 西南石油大学借鉴金刚石钻头的设计理论，针对随钻扩眼器切削刀翼的特殊性， 提出了一套专门适用于液压控制式双向随钻扩眼器刀翼冠部形状设计与布齿的理论 及方法。应用该理论方法设计的扩眼刀翼既能满足扩眼作业的需要，又易于刀翼的加 工制造【4 0 l 。 2 0 0 4 年胜利油田钻井院研制开发了随钻扩眼工具j k 2 15 - 2 3 7 ，j k 2 1 5 2 3 7 随钻扩 眼工具已获国家专利( 专利号z l 0 2 2 1 3 8 8 4 6 ) ，该工具在垦6 2 8 井现场试验结果表 明，j k 2 1 5 2 3 7 随钻扩眼工具结构合理，能够实现套管下边钻边扩，扩眼的结果能够提 高完井质量，该工具的研制与应用对随钻扩眼技术的应用以及随钻扩眼工具的研制具 有重要的指导意义1 4 1 - 4 3 1 。 2 0 0 5 年胜利油田钻井院孙明光等人在对深井大尺寸井眼的钻井特点、先钻后扩 的破岩机理进行研究的基础上，研制了新型p d c 扩眼钻头p d 6 3 5 2 s f 一3 1 1 1 x 4 4 4 5 扩眼钻头。该扩眼钻头在d b i 井荫4 4 5 m m 井眼的平均机械钻速为2 1 6 8 m h ，与邻井 莱深l 井和郝科l 井相比，分别提高了5 2 和3 8 0 ，而且钻头起出后新度达8 0 ， 还可继续使用，从而进一步降低了钻井成本【4 4 4 卯。 胜利石油管理局的陈维荣通过研究指出井下扩眼器不能回收的主要原因是扩眼 器的切削臂变形不能完全收缩回位，在套管鞋上镶硬质台金或p d c 切削齿，通过套管 鞋的旋转将切削刀臂铣磨掉，可将扩眼器起出 4 6 1 。 近几年来，国内的套管钻井技术已经取得了一定的进展，进一步的研究正在进行 之中，国内套管钻井技术的发展大有希望，但是国内对于套管钻井可回收式钻具组合 技术几个关键性问题上的研究仍然属于空白，有关对可回收式组合钻具的理论研究还 很少。 8 济南大学硕士学位论文 1 4 本文的主要研究内容 本文的研究工作源自中石化科研课题“河南油田稠油浅井套管钻井技术研究 ( p 0 6 0 6 6 ) ，围绕套管钻井可回收式井下工具串( 套管夹持器、井下锁定总成、随 钻扩眼器) 的工作强度进行理论研究和仿真分析。 ( 1 ) 分析可回收套管钻井井下工具串的结构和工作原理，以胜利油田研制的井 下工具串为例，利用三维造型软件s o l i d w o r k s 、有限元分析软件a n s y s 建立井下工 具串的三维模型和有限元模型。 ( 2 ) 通过力学公式对卡块和驱动螺母的受力进行推导，得出卡块正常工作时所 需的最小压紧力，并通过c o s m o s 软件对卡块和驱动螺母进行有限元分析，得出卡 块和驱动螺母在相应载荷下的强度安全性评价和受应力最大的区域以及最大值；对驱 动螺母的楔角进行结构优化。 ( 3 ) 利用a n s y s 软件对井下锁定总成进行有限元分析，得出总成的应力分布 和安全系数，通过对应力分布结果的分析，得到总成的危险部位，为总成的使用、设 计和优化提供参考。 ( 4 ) 采用摩擦接触有限元法对随钻扩眼工具工作过程中的应力、接触压力、p d c 切削齿的破岩受力等的分布进行模拟研究，找出影响工具的接触压力的几个因素，并 得出影响因素对工具的接触压力的影响规律，为随钻扩眼工具的研制和使用提供依 据。 9 可同收套管钻井t 具关键部件的强度分析与结构优化 1 0 济南大学硕十学位论文 第二章外卡式套管夹持器的受力分析与结构优化 国外的套管钻井都是用顶驱驱动，相应的配套设备也是围绕顶驱设计的。套管夹 持器是根据我国陆上油田套管钻井装备的状况而设计的，它可以使套管钻井直接利用 转盘驱动，无须改变原钻机的液压系统，它在套管钻井中的作用是连接方钻杆与套管， 传递钻机提供的扭矩给套管钻进，简化了套管钻井施工工艺和成本，夹持器驱动螺母 的旋进效率、卡块的抗压性能、卡块能否高效地传递钻机扭矩是夹持器能否正常工作 的关键问题。因此对夹持器卡块在工作中的受力情况和结构进行分析和优化，对夹持 器的安全性能进行检验是必要的。 2 1 外卡式套管夹持器的结构与工作原理 外卡式套管夹持器的结构如图2 1 所示，主要有本体、卡块及驱动螺母等件组成， 本体的上端与方钻杆连接，中部是四个卡块( 图2 2 ) ，卡块的下面是驱动螺母( 图 2 3 ) ，本体的中部开有四个槽，与卡块相配合。本体里面是主轴，主轴上端套有密 封圈，用来保持夹持器与钻杆的密封，密封圈的下端是与主轴相配合的开槽螺母，螺 母下面是主轴的台阶，台阶上套有圆环，它们和螺母一起用来固定夹持器的壳体和主 轴，再往下的主轴上还有两个密封圈，这两个密封圈是密封套管的，它们分靠在两个 台阶上，主轴的下部有两个皮碗装置，用来保持夹持器与套管的密封，维持钻井液的 正常循环。工作时，夹持头主轴伸到套管里面，驱动螺母的旋进带动卡块向内收拢， 卡块上镶有牙板，牙板上的牙齿咬住套管外壁以此来卡紧套管并驱动套管，而套管的 重力则靠卡块的台阶承受，此时套管处于主轴与卡块之间。钻进时，方钻杆驱动夹持 头本体，夹持头本体驱动卡块，卡块依靠牙齿与套管外壁之间的摩擦力驱动套管。 本体 卡块 驱动螺母套管 图2 1 外卡式套管夹持器的结构装置图 可回收套管钻爿二t 具火键部件的强度分析与结构优化 图2 2 卡块的结构图图2 3 驱动螺母的剖视图 2 2 夹持器的受力分析 夹持器应用的钻机输出功率为p = 2 5 4 3 k w ，转速为行= 3 0 0 r m i n ，设计的最大钻 压为1 2 0 k n ，最小钻压为5 0 k n ，套管外径为= 1 7 7 8 m m ，套管长度为2 0 0 0r n ，套 管的线密度为3 8 7 3 k g m ，钻井液的密度p 为1 1 8 9 c m 3 。 2 2 1 卡块传递扭矩和承受钻压时的受力分析 夹持器工作的时候，卡块对套管会产生扭矩带动套管旋转，同时承受钻压的反作 用力，如果想要卡块有效的传递扭矩给套管使之钻进，卡块就必须夹紧套管，卡块是 靠摩擦力夹紧套管的，而摩擦力是靠驱动螺母对卡块的压力提供的，所以如果想要夹 持器正常工作，驱动螺母必须提供足够的压力给卡块，卡块受到驱动螺母和套管两方 面的压力。由于卡块上的牙板是镶在卡块上的，并且材质相近( 都是合金钢) ，所以 可把牙板视为卡块的一部分。由于卡块对套管的力和套管对卡块的力是一对作用力与 反作用力，所以卡块所受载荷的大小即为卡块对套管的压力的大小。 外力偶矩的计算公式为1 4 7 】： i m e m = 9 5 4 9 鼯 ( 2 1 ) ( 式中m 。为力偶矩，p 为功率，疗为转速) 力偶矩与力的关系为： m 。= f r ( 2 2 ) ( 式中r 为圆轴的半径) 将已知条件带入( 2 1 ) 式得出夹持器作用于套管的力偶矩m 。= 8 18 8 3 n m ，由 ( 2 2 ) 式得出夹持器对套管的扭转力e = 9 2 1 0 6 5 n ，因为夹持器有四个卡块，所以 每个卡块对套管的扭转力为： f 4 = 2 3 0 2 6 6 n ( 2 3 ) 1 2 2 2 2 卡块承受套管重力时的受力分析 卡块在工作中是靠台阶承受套管的重力，套管受到钻井液的浮力作用，设套管质 量为m ，所受重力为g ，套管在钻井液中的重力为g 。，k ，为钻井液的浮力系数，重 力加速度g = 9 8 n k g 。 由已知条件得： m = 2 0 0 0 3 8 7 3 = 7 7 4 6 0 k g k ，的计算公式为： k ，：上( 2 8 ) 7 7 8 5 将己知数值代入( 2 8 ) 式得：k ，= 0 1 5 g l 与g 之间的关系如以下公式所示： g i = ( 1 一七，) g ( 2 9 ) 将所得结果代入( 2 9 ) 式得： g i = 6 4 5 2 4 1 8 n 即每个卡块台阶承受套管重力时所受的力f 2 = g 。4 = 1 6 1 3 1 0 5 n 。 从而有： 2 4 卡块的受力分解图 。生；1 5 4 3 6 0 4 n 玛= 面一 取 f n 济南大学硕士学位论文 图2 7 卡块承受套管重力时应力分布图2 8 卡块承受套管重力时的安全系数 致c o s m o s x m 一嘲一“一 。裁迎d 衬豆。约囊国麟9 分析优化 0 结果 枕黄分薪已完或 叠所鲁定帕参t 在蠹t 计中历曩瑚量t 安生量i l 眦 奋i2 1 3 6 7 螂刚坊t 便墨中安全蓉熬低于坩哽的筹眍域o ：l 一一； l 里示律纠l 簟击，下妙盼审闻结果或簟击芙田退出p 导 豳圃叵羽圃卿画 图2 9 驱动螺母的应力分布图2 1 0 驱动螺母的安全系数 通过对以上应力分布图分析得出，卡块在传递扭矩承受钻压时最大应力出现在牙 板的上边缘处，其最大应力值为6 8 7 m p a ，卡块在承受套管重力时最大应力出现在卡 块台阶的内侧，其最大应力值为5 0 3 9 m p a ；驱动螺母受卡块作用力时其最大应力出 现在与卡块接触的外表面，最大应力值为5 1 1 2 m p a 。c o s m o s 能够根据所指定的参 数对仿真的结果进行最低安全系数评价，安全系数高于1 的区域为不会被破坏的区 域，在本章对卡块和驱动螺母的分析中没有安全系数低于1 的区域出现，从而肯定了 卡块和驱动螺母在此载荷下的安全性。 2 4 驱动螺母的结构优化 分析中套管夹持器各个部件的尺寸是根据胜利油田的q ) 1 7 7 m m 型夹持器实地测 绘所得。驱动螺母夹持面的楔角为萨1 0 0 ；声越大，驱动螺母的夹持能力就越强；但 是随着楔角的增大，由公式e = r e o s f l 得，驱动螺母所受卡块的反作用力就越 大，驱动螺母夹持面被破坏的可能性就越大。 表2 1 为驱动螺母夹持面的楔角在1 0 0 4 0 0 范围内变化时螺母夹持面的应力变 化和安全系数，根据驱动螺母的实际应用情况，取夕角度的增量为5 0 。 可同收套管钻井工具关键部件的强度分析与结构优化 表2 1 声变化时螺母夹持面的应力变化和安全系数 由表2 1 可以得出，在1 0 。- 3 5 。范围内变化时，驱动螺母夹持面的安全系数都大 于l ，胪4 0 。时，驱动螺母夹持面的安全系数小于1 ，所以把楔角改为3 5 。时，即能 提高驱动螺母的夹持能力又能保证驱动螺母的安全性能。 图2 1 1 为伊3 5 。时驱动螺母夹持面的应力分布。 2 5 本章小结 图2 11 卢兰3 5 。时驱动螺母夹持面的应力分布 本章通过力学公式对卡块和驱动螺母的受力进行了推导，得出卡块正常工作时所 需的最小压紧力，并通过c o s m o s 软件对卡块和驱动螺母进行了有限元分析，得出 卡块和驱动螺母在相应载荷下的强度安全性评价和受应力最大的区域以及最大值；对 驱动螺