弓形弹簧套管扶正器质量可靠性分析.docx

钻采机械弓形弹簧套管扶正器质量可靠性分析黎勤 ,陈子辉 ,王晗阳(井下工具质量监督检验中心)摘 要 : 介绍弓形弹簧套管扶正器的安装方式及失效试验 ,通过对得到的试验数据和试验结果进行质量可靠性分析 ,得出采用固定环或跨接箍安装的扶正器可靠性较高的认识 ,同时也指出了在套管扶正器的生产和使用中 应注意的一些问题 。关键词 : 弓形弹簧套管扶正器 ; 失效试验 ; 试验结果 ; 质量可靠性中图分类号 : TE 82612文献标识码 : A文章编号 : 1006 - 768X(2003) 03 - 058 - 03可靠性是套管扶正器的使用前提 ,由于扶正器可靠性较差 ,在下井过程中扶正器损坏失效的事故 时有发生 ,因此 ,研究扶正器的失效形式 ,探讨扶正 器的可靠性对于现场使用和生产制造具有重要意 义 。跨接箍安装方式 ,扶正器靠套管接箍拉动下井 ,扶正器整体受拉 ,弹簧片受拉后扶正器外径变小 ,下 套管阻力较小 。串套管固定环安装方式 ,扶正器靠固定环拉动 下井 ,扶正器受力与跨接箍安装方式相同 。串套管固定环安装方式是规范的安装方式 ,国外普遍采用 。 当扶正器按计算间距安装时 ,必须采用固定环 。套管扶正器的结构套管扶正器按弹簧片弓形分为单弓形 、双弓形 和三弓形 ,常用单弓形和双弓形 ;按弹簧片与圆箍的 连接方式分为焊接式和编织式 ,编织式又分活舌式 和死舌式 ;按圆箍片结构形式分铰链式和整体式 。套管扶正器的安装方式套管扶正器在套管柱上的安装方式分为串套管 安装 (图 1) 、跨接箍安装 (图 2) 和串套管固定环安装 (图 3) 三种 。不同的安装方式 ,扶正器在下井过程 中受力和变形不同 。套管扶正器失效试验与结果分析套管扶正器的结构尺寸及性能是与其下入的井 眼直径相适应的 。安装方式不同 ,井径不同 ,扶正器 的受力状况和失效形式就不同 。本文以 140 扶正器用于 0216 钻头的井眼为例 进行失效试验 。(见表 1)表 1扶正器破坏性试验前原始数据表图 1图 2图 3串套管安装方式 ,扶正器靠套管接箍推动下井 ,下放过程中扶正器整体受压 ,遇阻后弹簧片外径变 大 ,且越压阻力越大 。收稿日期 : 2002 - 04 - 29 ; 修回日期 :2003 - 03 - 24作者简介 : 黎勤 (1975 - ) ,助理工程师 ,1998 年毕业于抚顺石油学院工业自动化专业 ,现从事井下工具质量检验工作 。联系地址 : (062552)河北任丘华北石油钻井工艺研究院 ,电话 :0317 - 2725654 。E - mail :jxgjzjzx htxx. com. cn编号结构试验前基础数据起动力/ kN复位力/ kN外径/ mm硬度HRCY99136单弓焊接 ( 整体圆箍)2 . 0042 . 92223926Y99137单弓焊接 ( 整体圆箍)1 . 6722 . 61323634. 0Y98076单弓 ( 活舌) 编织3 . 0728 . 15725034. 2Y99104单弓 ( 活舌) 编织1 . 7109 . 78623338. 4Y99105单弓 ( 活舌) 编织2 . 2749 . 46423533. 5Y99108单弓 ( 活舌) 编织2 . 0869 . 95023334. 6Y99094双弓 ( 活舌) 编织0 . 72510. 12123036. 4Y99095双弓 ( 活舌) 编织1 . 15110. 63523032. 4Y99096双弓 ( 活舌) 编织0 . 9419 . 74023032. 2Y99098双弓 ( 活舌) 编织1 . 03110. 57223034. 4Y99140双弓 ( 死舌) 编织1 . 2258 . 49423032. 8Y99141双弓 ( 死舌) 编织1 . 93010. 22823334. 0Y99145双弓 ( 死舌) 编织1 . 1638 . 92423032. 2Y99122双弓 ( 死舌) 编织0 . 7465 . 59422730. 059 第 26 卷 第 3 期钻 采工 艺1 . 串套管安装扶正器在正常井眼内受下压力的失效试验1 . 1试验方法由于井壁摩擦力 ,套管扶正器在入井过程中受 轴向压力 。在下放遇阻时 ,外径变大 ,所受轴向压力增大 。模拟井眼选用套管或钢管 ,井眼内径经过机械 加工 。一般情况井眼扩大在 10 %左右 ,140 扶正器常 用在 0216 钻头井眼内 。考虑到扶正器下井顺利 ,我国的扶正器适用井眼扩大率不超过 10 % ,普遍适用 于扩大率 5 %的井眼 。因此 , 正常试验井眼选择为0225 ,相当于 0216 钻头 ,井眼扩大 4 % 。 试验方法如图 4 所示 。试验在 300 kN 试验机上进行 ,均匀施加下压载荷并观察扶正器的变形情况 ,直到扶正器失效损坏 。舌编织式只在编织舌处产生裂纹而无明显变形 ,说明圆箍强度高 ,不宜变形 ;并且焊接式和死舌编织式 扶正器的弹簧片与圆箍连接为一体 ,固定牢靠 ,承受 下压载荷时扶正器弹簧片受力均匀 ,所以失效载荷 较大 。而铰链活舌编织式扶正器的编织舌强度低受力容易倾斜脱落 ,其弹簧片固定不可靠 ,铰链处也容 易变形 ,承受下压载荷时弹簧片受力不均匀 ,引起铰 链 、圆箍 、弹簧片的变形 ,所以活舌编织式扶正器的 失效载荷较小 。通过试验表明活舌编织式扶正器在下压载荷超过 50 kN 后 ,编织舌就开始发生倾斜变形 。在下套 管过程中由于摩阻作用 ,活舌编织式套管扶正器有 可能发生弹簧片松散落井的现象 。(2) 双弓形扶正器具有较高的强度 。 由于扶正器受下压载荷后 ,弹簧片的双弓间支点接触套管 ,刚性增强 ,其抗破坏能力较高 。而单弓 形扶正器在下压载荷后弹簧片外径极易增大 ,导致其刚性降低 ,弹簧片容易破坏 。所以 ,双弓形扶正器 失效载荷大于单弓形扶正器 。(3) 正常井眼内扶正器失效的可能性不大 。 试验表明 ,在扶正器适应的正常井眼内 ,扶正器破坏载荷均大于 150 kN ,而现场使用时 ,在直井段下 套管的摩阻一般在 100 kN 左右 。可见 ,正常井眼内 扶正器的破坏载荷大于下套管摩阻 。因此 ,正常井 眼内套管扶正器破坏失效的可能性不大 。2 . 串套管安装扶正器在大井眼内受下压力的失效试 验2 . 1 试验方法在大井眼内 ,扶正器下放遇阻时 ,外径有较大的 变化 ,扶正器的刚性降低 。试验方法如图 4 所示 , 试验井眼选择为 0252 ,相当于 0216 钻头 ,井眼扩大 16 % 。2 . 2 试验结果 (见表 3)图 41 . 2试验结果 (见表 2)表 2 0225 井眼内串套管安装扶正器的失效试验数据久变形 ,焊缝无开裂 。表 3 0252 井眼内串套管安装扶正器的失效试验数据大 ,产生永久变形 。大 ,产生永久变形 。落 ,圆箍变形 。曲 。1 . 3试验结果分析(1) 弹簧片连接强度与扶正器失效破坏载荷关 系极大 。试验情况表明整体圆箍焊接式焊缝无开裂 ,死2 . 3试验结果分析(1) 井眼扩大 ,扶正器可靠性降低 。编号结 构下压载荷/ kN破坏现象Y99136单弓焊接174. 9弹簧 片 弯 曲 弓 径 变Y98076单弓 (活舌) 编织171. 2弹簧 片 弯 曲 弓 径 变Y99140双弓 (死舌) 编织224. 3圆 箍 撕 裂 , 铰 链 弯Y99095双弓 (活舌) 编织107. 4弹簧片中间断裂 。编号结 构下压载荷/ kN破坏现象Y99137单弓焊接221. 5弹 簧 片 弯 曲 , 产 生 永Y99105单弓 (活舌) 编织152. 2弹簧片断 裂 、弯 曲 , 产 生 永 久 变 形 , 铰 链 销 脱 落 , 编 织 舌 倾 斜 脱 落 ,圆箍变形 。Y99141双弓 (死舌) 编织245. 2编织舌根部有可见裂 纹 ,其他无变形 。Y99096双弓 (活舌) 编织184. 1弹 簧 片 断 裂 , 铰 链 销 脱 落 , 编 织 舌 倾 斜 脱60 钻 采工 艺2003 年将表 3 数据和表 2 数据对比 ,扶正器在较大井眼内失效载荷普遍降低 ,说明扶正器适应井径扩大 的能力较差 。主要原因 ,在大井眼内 ,扶正器弹簧片 有较大的变形空间 ,扶正器受下压载荷后 ,弹簧片弓径变大 ,扶正器抗下压载荷的能力降低 。(2) 在扩径井眼内 ,弹簧片破坏是扶正器的主要 失效原因 。从表 3 试验情况看 ,扶正器的失效主要是弹簧片变形或断裂 ,弹簧片与圆箍的连接处均没有明显 的破坏 ,说明在大井眼内弹簧片的连接强度不是扶正器的主要失效因素 ,表明弹簧片扶正器适应井眼扩大的能力较低 。(3) 单弓形扶正器在扩径井眼内的适应性较好 。 从表 3 和表 2 数据对比 ,单弓形扶正器失效形式为弹簧片变形弓径变大 ,双弓形扶正器失效形式 为圆箍 、铰链变形和弹簧片断裂 。这是由于双弓形 弹簧片的双弓间支点接触套管 ,刚性增强 ,弹簧片不宜变形 。由此可见 ,单弓形扶正器适应井眼扩径的 能力较双弓形扶正器强 。3 . 串套管安装扶正器在进入小井眼时受下压力的失效试验3 . 1 试验方法试验井眼选择为 0175 ,相当于 0216 钻头 ,井眼 缩径 19 % ,试验方法如图 5 所示 。串套管安装扶正器在进入小井眼时 ,下放阻力增大 ,外径变化更大 ,扶正器刚性降低 。3 . 2 试验结果 (见表 4)表 4 0175 井眼串套管安装扶正器的失效试验数据荷小于下套管摩阻 。实际使用中 ,在套管进入缩径井眼段时 ,扶正器极易破坏 。因此 ,套管扶正器不适 合在缩径井眼内使用 。图 54 . 跨接箍 (或固定环) 安装扶正器在进入小井眼时受下压力的失效试验4 . 1 试验方法跨接箍 ( 或固定环) 安装扶正器在进入小井眼 时 ,整体受轴向拉力 ,扶正器外径变小 ,下放阻力减 小 。单弓形套管扶正器跨接箍安装下井时 ,弹簧片受拉容易伸长 ,外径变小 ,下放阻力减小 ,失效可能 性较小 。双弓形套管扶正器弹簧片在受拉伸长时 , 由于双弓间支点接触套管接箍后 ,扶正器刚性增大 , 外径不易变形 ,下放阻力仍然较大 。因此 ,本文只进 行双弓形套管扶正器跨接箍安装失效试验 。试验 方 法 如 图 6 所 示 。试 验 井 眼 仍 选 择 为0175 ,相当于 0216 钻头 ,井眼缩径 19 % 。片外径变大直到断裂 。片外径变大直到断裂 。井下 压 力 58. 3 kN , 弹 簧井下 压 力 31. 2 kN , 其 他3 . 3试验结果分析在缩径井眼内下压载荷很小 ,单弓形扶正器在 未进入缩径井眼时弹簧片就已断裂 ; 双弓形扶正器即使能进入缩径井眼 ,弹簧片在进入后也断裂 。并 且无论单弓形扶正器或双弓形扶正器 ,下压失效载图 6(下转第 68 页)编号结 构下压载荷/ kN破坏现象Y99104单弓曲片(活舌) 编织34. 3未进入井眼 , 扶正器弹簧Y99108单 弓 曲 片(活舌) 编织41. 7未进入井眼 , 扶正器弹簧Y99098双 弓 曲 片(活舌) 编织58. 3进入井眼 ,第一弓入井下 压力 22. 7 kN 。第二弓入片断裂 。Y99145双 弓 曲 片(死舌) 编织31. 2进入井眼 ,第一弓入井下 压力 23. 0 kN , 第 二 弓 入无损坏 ,外径变小 。68 钻 采工 艺2003 年时间推移不断增加 ,最大有效应力达到最大值后 ,随着泥岩蠕变的松弛 ,套管的最大有效应力开始降低 。(4) 水泥环在套管抗围岩非均匀载荷中 ,起着改 变套管边界条件的调节作用 ,即水泥环降低了套管 外壁的径向压力 ,却使得水泥环内壁的环向应力高 于井壁的环向应力 。结论与认识(1) 由于井壁围岩蠕变作用 ,水泥环与地层的第 二界面压力呈椭圆形分布 ,并且椭圆形压力分布与 地应力方向保持一致 ,井壁最大 、最小水平地应力方 向蠕变附加载荷随时间推移 ,0方向压力接近于最 大水平地应力 ,90方向压力高于最小水平地应力 , 井壁附加载荷的非均匀性略小于地应力的非均匀 性 。水泥环与套管的第一界面压力分布接近于圆 形 ,第一界面压力分布非均匀性远小于地应力的非 均匀性 ,故套管外壁压力不是造成套管变形的直接 原因 。(2) 由于井眼的存在 ,围岩的蠕变变形在井眼周 围产生应力集中 ,井壁和水泥环内壁的环向应力最 大值位于最小水平地应力方向 ,最小值位于最大水 平地应力方向 ,正是最大 、最小环向应力的作用迫使 井眼 、水泥环和套管发生椭圆形变形 ,所以环向应力 才是引起套管变形损坏的直接原因 。(3) 套管最大有效应力位于最小水平地应力方 向位置的套管内壁 ,套管最大有效应力随围岩蠕变参考文献王仲茂 ,卢万恒 ,胡江明. 油田油水井套管损坏的机理及防治 M . 北京 :石油工业出版社 ,1994 :6184李志明 ,殷有泉 . 蠕变地层中套管的附加载荷 J . 石油 钻采工艺 ,1999 ,21 (5) :1013黄荣樽 , 邓金根. 流变地层的粘性 系 数 及 其 影 响 因 素 J . 岩石力学与工程学报 ,2000 ,19 (增) :836839 章根德 ,刘存林 . 围岩蠕变对油井变形的影响 J . 岩石 力学与工程学报 ,2000 ,19 (增) :971975王越之 ,刘天生 . 隔 6 井套管损坏原因分析 J . 钻采工 艺 ,2001 ,24 (2) :6971蔡国华 ,王先容 . 高压注水对油田套管的损坏及防治分 析 . 石油机械 ,2001 ,29 (3) :3234( 编辑 :刘英)123456(上接第 60 页)4 . 2试验结果 (见表 5)表 5 0175 井眼跨接箍安装双弓形扶正器的失效试验数据际情况 ,否则扶正器容易失效其可靠性较差 。目前 ,大部分企业都是一个规格一种产品 ,建议生产企业 产品系列化 ,一个规格生产几种不同直径的产品 ,以 利于根据井眼的变化选择适用的产品 。(2) 在扩径井眼内 ,应选择单弓形扶正器 ,在定向 井 、水平井等易有键槽的井眼内应选择双弓形扶正器 。 (3) 扶正器采用固定环或跨接箍安装的可靠性较高 ,尽量不采用串套管安装 。(4) 在缩径井眼或有键槽的井眼内 ,扶正器极易 失效 ,应选择外径较小的扶正器 ,并应采用固定环或 跨接箍安装 。(5) 在结构设计和制造中应注意加强圆箍片的 强度以及弹簧片的连接强度 。(6) 遇阻时 ,下压套管极易使扶正器损坏失效 。27. 7 kN 。4 . 3试验结果分析跨接箍安装方式在下套管过程中扶正器受拉 , 弹簧片可以伸长 ,扶正器外径缩小 ,有利于降低扶正 器入井阻力 。串套管固定环安装扶正器受力变形与跨接箍安 装相同 ,并且双弓形套管扶正器串套管固定环安装 时 ,弹簧片双弓间支点接触套管 , 弹簧片有较大变形 ,下放阻力较接箍安装更小 。因此 ,应推广固定环安装方式 ,特别是井眼有缩径段地层 ,应选择固定环 或跨接箍方式安装扶正器 。参考文献张虎林 ,等 1 提高套管扶正器扶正力的几项措施 1 石油钻探技术 ,1993 21 (3) :3839张虎林 ,苏凯勋 1 单双弓形弹簧片套管扶正器性能对 比 1 中国海上油气 ,1997 9 (5) :4648张虎林 ,苏凯勋 1 双弓形弹簧片套管扶正器性能特点 1钻采工艺 ,1998 21 (1) :57 ,90SY/ T 5024 1999 ,弓形弹簧套管扶正器SY/ T 5334 1996 ,套管扶正器安装间距计算方法( 编辑 :刘英)123结论45(1) 扶正器的生产和使用要适应地层井眼的实编号结 构下压载荷/ kN破坏现象Y99094双 弓 曲 片(活舌) 编织35. 5外径 变 小 , 弹 簧 片 断 裂 , 其它 无 损 坏 。第 一 弓 入 井下 压 力 27. 9 kN , 第 二 弓入井下压力 35. 5 kN 。Y99122双 弓 曲 片(死舌) 编织27. 7外径 变 小 , 其 它 无 损 坏 。 第一 弓 入 井 下 压 力 23. 3 kN ,第二弓入入井下压力4 DRILL ING&PRODUCTION TECHNOLOGYVol . 26 No . 3 May 2003Abstract :The oil production process of dual injec2 tion (OPPDI) with concentrated flue gas ( CFG) is a ter2 tiary oil recovery. First ,a flue gas is treated and pressur2 ized by means of some plants ,then ,the flue gas as a sol2 vent injected into oil - bearing formation and mixed with the remaining crude oil in the formation ,finally it is driv2 en out of the formation. The effective parts acting as a sol2 vent among flue gas are CO2 and N2 ,the goals treated is purification and concentrating ; The unfavoured parts in flue gas are water and dust ,the goals treated is dewatering and dust removal . The injection effictiveness of the flue gas in well come between CO2 injection and N2 injection. Making flue gas a injected gas for crude oil production can increase oil recovery efficiency and crude output ,decrease waste gas emission , and is beneficial to protect environ2 ment .CAL CUL ATIO N OF WATER INJ ECTIO N STRINGSUN Aijun(J ilin Oilfield Oil Production Technolo2gy Research Institute ,Songyuan ,J ilin 138003 ,China) ,XU Yingna , L I Honglie and ZHANG Wenfu (J ilin Oilfield Qianda Oil Production Factory) and TENG Liying (J ilin Oilfield No . 1 Oil Production Plant) ,DPT 26 ( 3) ,2003 :5557Abstract : For the influence of wellhead pressure , water injection rate , well depth and well temperature onwater injection string during operation ,the string is caused elastic creep . These factors result in packer effectiveness and influence the water driving effect of separate layer wa2 ter injection. In order to ensure water injection string work normally , the stress and axial delformation of water injection string should be grasped accurately. Elastic force and elongation rate are calculated ,which provide theoreti2 cal proof for the corresponding preventive measures.Key words : oilfield gas injection ,flue gas ,oil pro2duction process ,tertiary oil productionKey words : water injection string ,force analysis ,e2lastic force ,elongation rate .IMPO RTANT MEASURE OF RAISING SYS2TEM EFFICIENCY OF PUMPING WELLZHO NG Gongxiang , L IANG Zheng and PENG Caizhen( SouthwestPetroleum Institute , Nanchong ,Sichuan 637001 ,China) ,DPT 26 (3) ,2003 :5052Abstract : Aimed at the problems of sucker - rod pumping system which includes low system efficiency and large energy loss ,and on the basis of analyzing system ef2 ficiency of sucker - rod pumping system ,we suggests mea2 sures of raising system efficiency : ( 1) Applying and re2 searching integrated design - count software of raising sys2 tem efficiency ; (2) Optimum seeking or researching pump equipment ; ( 3 ) Strengthening management on sucker - rod pumping system. The present study has proven that the efficiency of sucker - rod pumping system may be remark2 ably raised through applying these technologies.QUAL ITY REL IABIL ITY ANALYSIS OF BOW SPRING CASING CENTRAL IZERL I Qin , CHEN Zihui and WANG Hanyang ( HuabeiPetroleum Drilling Technology Institute , Renqiu , Hebei062552 ,China) ,DPT 26 (2) ,2003 :5860Abstract : This paper introduces the installation method and effectiveness experiment of bow spring casing centralizer. On the basis of the experimental data and ex2 perimental results , the quality reliability of bow spring casing centralizer is analysed. The results show that the centralizers adopting fixed ring or straddle collar installa2 tion has higher reliability. Meanwhile , some matters need2 ing attention on production and design of casing centralizer are proposed.Key words : bow spring casing centralizer ,effective2ness experiment ,experimental result ,quality reliabilityKey words : pump well ,system efficiency ,software , equipment ,managementTHE STUDY OF THE CO NTROLL ING THIM2BL E DAMA GE AT THE WEST OF SO UTH ZO NE OF DA QING OIL FIELDSL IU Shaoxuan ( The Second Oil Recovery Plant of Daqing Oilfields Co . Ltd , Daqing , Heilongjiang 163414 , China ) , and L IU Pengcheng , WANG Xiaodong andZHANG Wencai ( China University of Geosciences (Bei2jing) ,Beijing 100083 ,China) ,DPT 26 (2) ,2003 :6164Abstract :Based on the instances and the characters analysis of the thimble damage at the west of south zone of Daqing oilfields ,the paper established the numeri2 cal simulation models combined the formation characters for controlling the thimble damage . Applying the STSA fi2 nite element software package , the paper simulated the boundary of the stratum pressure and flow pressure , the relations between the single well variable shape quantity of the whole zone or block and stratum pressure ,the relations between the sin