裴學(xué)良 陳忠?guī)?叢海洋

1.中國石油大學(xué)（華東） 2.中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院

土耳其地下天然氣儲氣庫項(xiàng)目為中國天辰工程有限公司通過國際招標(biāo)方式承建的EPC項(xiàng)目，是世界銀行投資的項(xiàng)目，是中國石油化工股份有限公司（以下簡稱中國石化）中標(biāo)的第一個(gè)鹽穴儲氣庫項(xiàng)目。在每口井完井施工前，需要過311.2mm套管將下部215.9 mm井眼擴(kuò)至444.5mm，該類擴(kuò)眼作業(yè)在國內(nèi)外均屬首次，施工難度相當(dāng)大，國際著名油田技術(shù)服務(wù)公司不僅作業(yè)費(fèi)用昂貴，而且不保證施工結(jié)果。針對該情況，中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院就鹽層大井徑擴(kuò)眼技術(shù)進(jìn)行了研究，研制出了YK304－444.5液壓式擴(kuò)眼器。大井徑擴(kuò)眼工具的研制及其應(yīng)用為土耳其鹽湖天然氣地下儲氣庫項(xiàng)目順利實(shí)施提供了技術(shù)保障，也為以后進(jìn)行此類擴(kuò)眼作業(yè)提供了借鑒作用。

1 擴(kuò)眼工具研制

1.1 擴(kuò)眼施工難點(diǎn)分析

1）擴(kuò)眼尺寸大，增加了擴(kuò)眼工具工作的扭矩，影響擴(kuò)眼施工的機(jī)械鉆速和工具的使用壽命，同時(shí)易產(chǎn)生井下復(fù)雜情況。

2）上部鹽層含膏巖成分多，擴(kuò)眼切削面積又大，水力沖洗不充分，容易導(dǎo)致膏巖“泥包”切削齒，從而造成機(jī)械鉆速低。中部鹽層結(jié)晶顆粒大、脆性大、易斷，擴(kuò)眼過程中臺肩面不穩(wěn)定，易被壓垮，造成擴(kuò)后達(dá)不到井徑要求。

1.2 YK304－444.5液壓式擴(kuò)眼器結(jié)構(gòu)組成與工作原理

YK304－444.5液壓式擴(kuò)眼器主要由本體、活塞總成、上下限位機(jī)構(gòu)和切削刀翼等組成（圖1）。技術(shù)參數(shù)見表1。其工作原理為：開泵后，鉆井液流經(jīng)活塞上的噴嘴產(chǎn)生一定的壓降，由此形成的壓力推動活塞下行，活塞上的支撐裝置支撐3個(gè)擴(kuò)眼刀翼外張。當(dāng)擴(kuò)眼刀翼達(dá)到最大外張位置時(shí)，可進(jìn)行擴(kuò)眼鉆進(jìn)作業(yè)。作業(yè)完畢后，停泵，壓力降消失，活塞在復(fù)位機(jī)構(gòu)的作用下復(fù)位，擴(kuò)眼刀翼將同時(shí)收回刀槽內(nèi)［1－7］。

圖1 YK304－444.5液壓式擴(kuò)眼器結(jié)構(gòu)圖

表1 YK304－444.5液壓式擴(kuò)眼器技術(shù)參數(shù)

2 活塞力學(xué)分析與工具優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 問題描述

3）初步試驗(yàn)情況：工具到底后開始緩慢下放試加壓，加上鉆壓，證明造臺階成功，鉆井液排量約44L／s，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速70r／min，鉆壓30～40kN，機(jī)械鉆速較快，平均達(dá)到8m／h。擴(kuò)至1 388m時(shí)，泵壓下降，比正常值降低了2.5MPa。擴(kuò)眼至1 389m后無鉆壓，扭矩也減小，切削刀翼張不開。工具起出后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部活塞斷裂，活塞頭裂成3瓣，受鉆井液沖蝕嚴(yán)重變形（圖2）。

圖2 活塞頭斷裂照片

2.2 活塞強(qiáng)度的力學(xué)分析

2.2.1 活塞軸向壓力及其對刀翼側(cè)推力

擴(kuò)眼過程中刀翼PDC齒向井壁施加垂直于軸線的側(cè)推力［8－9］，此力來源于加載在活塞承壓面上的流體壓降。該壓降主要由噴嘴壓降和活塞內(nèi)部沿程壓降兩部分組成。

噴嘴壓降值由式（1）計(jì)算：

式中ρ為鉆井液密度，g／cm3；Q 為泵排量，L／s；C為系數(shù)，0.95～0.985；D 為噴嘴當(dāng)量直徑，cm；hj為壓降，MPa。

活塞內(nèi)部沿程壓降由式（2）計(jì)算：

式中λ為沿程水力摩阻系數(shù)；l為流道長度，m；d為流道直徑，m；v為流速，m／s；hy為沿程壓降，MPa。

由壓降在活塞承壓面產(chǎn)生的推力：

式中N為活塞承壓面產(chǎn)生的推力，N；p為總壓降，Pa；D0為活塞承壓面的直徑，m；D為噴嘴當(dāng)量直徑，m。

經(jīng)計(jì)算可以得到活塞對刀翼側(cè)推力值，如表2所示。

表2 三刀翼每個(gè)刀片的側(cè)推力表

2.2.2 活塞受力計(jì)算

對于活塞強(qiáng)度的計(jì)算，由于活塞的形狀是三維的，且不規(guī)則，用理論公式來求解是非常困難的，這里我們應(yīng)用ABAQUS有限元分析軟件對活塞的受力進(jìn)行分析［10］。

首先，我們對實(shí)物模型進(jìn)行簡化［11－13］。由于我們關(guān)注的不是擴(kuò)眼器整體的受力，而是活塞的受力情況。再考慮活塞及刀翼在幾何模型上的對稱關(guān)系，我們?nèi)?／3的活塞和1個(gè)刀翼進(jìn)行建模。

圖3 幾何模型簡化圖

1）初始擴(kuò)眼時(shí)活塞受力

擴(kuò)眼開始的過程中，在流體壓力作用下，活塞承壓面受力向下移動，對刀翼施加作用力，由于刀翼只能繞銷軸轉(zhuǎn)動，活塞在下移時(shí)，刀翼向井壁張開，PDC齒向井壁施加垂直于軸線的側(cè)推力。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分過程中選擇六面體形狀，劃分方法選擇Sweep進(jìn)階方式，單元選擇C3D8R。在施加約束和載荷中，我們在1／3分割端面加上對稱邊界，在活塞與刀翼接觸面上施加Y軸方向的約束，在活塞的上端面上施加載荷，載荷大小根據(jù)活塞承壓面和活塞本體截面積計(jì)算得到，這里大小為13MPa。

Mises應(yīng)力云圖如圖4所示，活塞受力的危險(xiǎn)點(diǎn)為與刀翼接觸位置、活塞頭頸部位置、活塞喇叭口1／3端面底端。最大 Mises應(yīng)力值分別為：57.1MPa、54 MPa、50.7MPa。

2）刀翼完全張開后活塞受力

當(dāng)?shù)兑磉_(dá)到最大擴(kuò)眼外徑后，由于下限位機(jī)構(gòu)作用，刀翼不再向外轉(zhuǎn)動。此時(shí)，活塞在流體壓力作用下，相當(dāng)于上端面固定住。而刀翼在擴(kuò)眼過程中，由于井壁對刀翼的作用力，經(jīng)過力矩作用后，相當(dāng)于對活塞施加一個(gè)壓力。

因而，在載荷和約束的施加上，對活塞上端面施加一個(gè)Y方向的約束，而對刀翼與活塞接觸面施加一個(gè)壓力。經(jīng)計(jì)算，該壓力值約為35MPa。

圖4 初始擴(kuò)眼活塞受力Mises應(yīng)力云圖

圖5 刀翼完全張開活塞受力Mises應(yīng)力云圖

在刀翼完全張開后，由井壁反作用力，使刀翼背部對活塞的作用力相對較小。最大受力位置在喇叭口1／3對稱面部位，約為55MPa（圖5）。

綜合上面兩種情況活塞的受力計(jì)算來看，在活塞與刀背接觸位置、喇叭口1／3對稱面部位和活塞頸部為危險(xiǎn)位置。符合活塞頭實(shí)際破壞情況：其斷裂成3瓣，并且破口與計(jì)算的危險(xiǎn)位置基本重合，活塞與刀背接觸位置、喇叭口1／3對稱面部位和活塞頸部均被破壞。

由于有限元軟件計(jì)算的受力值遠(yuǎn)低于活塞破壞的強(qiáng)度值，其原因可能有2種因素：①活塞的材質(zhì)存在缺陷，由裂紋導(dǎo)致斷裂所需要的應(yīng)力值遠(yuǎn)低于其強(qiáng)度破壞理論值；②工具在井下實(shí)際工況下受力比較復(fù)雜，其真實(shí)受力比較大，使活塞受力達(dá)到破壞所需值。

2.3 擴(kuò)眼工具優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，活塞的強(qiáng)度設(shè)計(jì)雖滿足要求。但如果井下出現(xiàn)受力，有可能出現(xiàn)危險(xiǎn)情況發(fā)生。在此對活塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并與之前的受力進(jìn)行對比。

優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖6所示，將活塞頭部的喇叭口改成直通，并將活塞頸部進(jìn)行了加厚。經(jīng)計(jì)算，在初始擴(kuò)眼階段，頸部最大Mises應(yīng)力值減小了49.2%，在喇叭口1／3對稱面上應(yīng)力值減小了34.3%。刀翼完全張開后，最大Mises應(yīng)力值減小了15.3%。兩種工況下在活塞與刀翼接觸面上的應(yīng)力情況基本沒有發(fā)生變化。主要原因是刀翼承受了活塞的下壓力，接觸面積與改進(jìn)前基本沒有發(fā)生變化，所以應(yīng)力情況也基本相同。

圖6 活塞結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖

綜合上面兩種情況的受力，優(yōu)化后的活塞受力情況相對優(yōu)化前有了明顯的改善。對于活塞與刀翼接觸面上受力不能夠明顯的降低，采用在活塞頭外表面做滲氮處理方法來提高其強(qiáng)度和硬度。

3 現(xiàn)場應(yīng)用分析

截至目前利用YK304－444.5液壓式擴(kuò)眼工具已經(jīng)進(jìn)行了4口井的擴(kuò)眼作業(yè)。作業(yè)過程中使用情況見表3。從表3可以看出，UGS－8井為首次使用YK304－444.5液力擴(kuò)眼器進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè)，對工具在井下受力情況估計(jì)不足，導(dǎo)致出現(xiàn)了活塞脫開，銷軸、切削刀翼、限位塊機(jī)構(gòu)脫落和擴(kuò)后井徑偏小等現(xiàn)象。針對這些情況，對工具進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)：限位機(jī)構(gòu)采用了燕尾槽結(jié)構(gòu)，切削刀翼增加了清洗流道。優(yōu)化后在UGS－7井使用過程中，工具各方面性能得到了大大改善，機(jī)械擴(kuò)速得到了很大提高，但仍然出現(xiàn)了活塞斷裂的情況，故運(yùn)用有限元分析軟件和ProE軟件對擴(kuò)眼工具進(jìn)行了力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后在UGS－6和UGS－9井使用過程中，擴(kuò)眼工具未出現(xiàn)異常情況，擴(kuò)后直徑均勻，滿足了擴(kuò)眼要求。通過理論與實(shí)踐的結(jié)合，多次的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在大井徑擴(kuò)眼技術(shù)方面取得了突破性進(jìn)展，達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。

表3 YK304－444.5液力擴(kuò)眼器使用情況對比表

4 結(jié)論與建議

1）YK304－444.5液力擴(kuò)眼器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，工作原理可行，通過理論結(jié)合實(shí)際，并利用先進(jìn)的有限元和三維ProE軟件對擴(kuò)眼工具進(jìn)行力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，目前該擴(kuò)眼器擴(kuò)眼技術(shù)已經(jīng)成熟，達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。

2）通過現(xiàn)場試驗(yàn)，優(yōu)選出了YK304－444.5液力擴(kuò)眼器在進(jìn)行大井徑擴(kuò)眼作業(yè)的技術(shù)參數(shù)：①鉆壓應(yīng)控制在30kN以內(nèi)，以減小擴(kuò)眼過程中的扭矩；②排量介于45～55L／s，轉(zhuǎn)速60～70r／min；③在進(jìn)行鹽層擴(kuò)眼時(shí)要求使用飽和鹽水鉆井液。

3）為進(jìn)一步提高擴(kuò)眼速度和鉆井時(shí)效，建議進(jìn)一步進(jìn)行以下方面的研究工作：①對切削刀翼進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在切削刀翼冠部輪廓結(jié)構(gòu)、切削結(jié)構(gòu)和水力結(jié)構(gòu)方面加強(qiáng)研究，以提高擴(kuò)眼速度。②進(jìn)行擴(kuò)眼器、雙級擴(kuò)眼鉆頭和領(lǐng)眼鉆頭的流量分配研究。③擴(kuò)眼方案使用215.9mm牙輪鉆頭＋KKB215.9－304＋ YK304－444.5擴(kuò)眼器擴(kuò)到直徑444.5mm，一趟鉆完成擴(kuò)眼作業(yè)。

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