劉少胡　(長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北 荊州 434023)

鄒家焱　(中石化石油工程機(jī)械公司第四石油機(jī)械廠，湖北 荊州 434023)

談波　(中石油長(zhǎng)城鉆探工程分公司工程技術(shù)研究院，遼寧 盤(pán)錦 124010)

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鉆井用滾輪式高效減扭防磨工具研究

劉少胡(長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北 荊州 434023)

鄒家焱(中石化石油工程機(jī)械公司第四石油機(jī)械廠，湖北 荊州 434023)

談波(中石油長(zhǎng)城鉆探工程分公司工程技術(shù)研究院，遼寧 盤(pán)錦 124010)

[摘要]隨著高斜度井、大位移井以及水平井的廣泛鉆探，鉆具在井下所遇的摩阻越來(lái)越嚴(yán)重。使用減扭防磨工具能夠有效降磨減阻，提高鉆進(jìn)效率。為此設(shè)計(jì)了鉆井用高效減扭防磨工具，使用solidworks軟件繪制了工具三維圖，并利用ANSYS有限元軟件對(duì)工具關(guān)鍵零部件(本體、滾輪和銷軸)進(jìn)行了有限元校核。根據(jù)工具的工作原理，鉆井用高效減扭防磨工具將鉆柱接頭與套管的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾輪與套管間的滾動(dòng)摩擦，從而有效減小扭矩和摩阻。數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，鉆井用高效減扭防磨工具在正常工作載荷下安全可靠，可以提高減扭防磨工具使用壽命，降低鉆井成本，減少經(jīng)濟(jì)損失。

[關(guān)鍵詞]減扭防磨工具；摩阻；扭矩；應(yīng)力；有限元

隨著高斜度井、大位移井以及水平井的廣泛鉆探，鉆具在井下鉆遇的摩阻越來(lái)越受到關(guān)注。過(guò)高的摩阻和扭矩不但會(huì)對(duì)鉆柱的受力造成威脅，而且對(duì)鉆井平臺(tái)上力和扭矩的輸出設(shè)備提出了更高的要求，從而制約完成預(yù)期的鉆井或完井目標(biāo)。摩擦阻力妨礙了驅(qū)動(dòng)扭矩和鉆壓的有效傳遞，扭矩超過(guò)鉆柱承受能力將會(huì)導(dǎo)致鉆具斷裂失效，致使無(wú)法鉆進(jìn)。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)鉆柱與下井壁套管發(fā)生接觸摩擦直接導(dǎo)致套管和鉆柱的磨損，摩擦阻力越大，狗腿度越嚴(yán)重，側(cè)向載荷越大及轉(zhuǎn)速越高，則磨損越快。因此，研究高效的減扭防磨工具具有積極意義[1～3]。

國(guó)內(nèi)目前常用的防磨工具主要有防磨襯套為純橡膠式和鋼套式2種：橡膠式防磨工具的主要優(yōu)點(diǎn)是防磨效果好，缺點(diǎn)是壽命短，易撕裂，且壓耗大；鋼套式防磨工具的主要優(yōu)點(diǎn)是壽命長(zhǎng)，缺點(diǎn)是防磨效果差，且容易卡死。與常規(guī)防磨工具相比，鉆井用高效減扭防磨工具由本體、內(nèi)襯套筒、分體式外殼、卡箍及滾輪組成。作業(yè)時(shí),內(nèi)套筒作為“犧牲品”與本體相接處,從而將原鉆桿接頭與井眼或套管的高摩阻的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為本體與內(nèi)套筒的光滑的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)[4,5]。這種工具對(duì)鉆井鉆柱減扭防磨具有積極的作用，同時(shí)也防止套管磨損，對(duì)降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)和提高鉆井時(shí)效具有積極的意義。

1工具結(jié)構(gòu)及工作原理

鉆井用高效減扭防磨工具包括本體，半開(kāi)擋圈，徑向滾輪，軸向滾輪，固定軸銷，半開(kāi)內(nèi)襯套和半開(kāi)旋轉(zhuǎn)套[6]。本體中部加工有凹槽，用于安裝半開(kāi)內(nèi)襯套，半開(kāi)旋轉(zhuǎn)套和半開(kāi)擋圈。半開(kāi)旋轉(zhuǎn)套外部加工有3個(gè)軸向突出棱，在突出棱上加工有3個(gè)通孔，用于安裝徑向滾輪和軸向滾輪，并在突出棱通孔上開(kāi)有用于安裝固定軸銷的孔，半開(kāi)旋轉(zhuǎn)套兩端加工有用于安裝半開(kāi)擋圈的凹槽，半開(kāi)內(nèi)襯套安裝在半開(kāi)旋轉(zhuǎn)套內(nèi)部。圖1和圖2所示分別為減扭防磨工具二維圖和三維圖。分體式外殼上裝有高強(qiáng)度的滾輪及軸銷，突出的外殼撐起滾輪與井壁或套管直接接觸，將原有的鉆桿接頭懸空，從而將鉆具軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)的接頭與井壁或套管的摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)闇p扭防磨工具滾輪與套管或井壁的摩擦力，減少了摩阻系數(shù)，即減小了軸向所受阻力和扭矩。

注：　1—本體，2—固定螺栓，3—半開(kāi)擋圈，4—徑向滾輪，5—軸向滾輪，　6—固定軸銷，7—突出棱，8—半開(kāi)內(nèi)襯套，9—半開(kāi)旋轉(zhuǎn)套?！　D1　減扭防磨工具二維圖　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2　減扭防磨工具三維圖

2關(guān)鍵部件安全校核

2.1工具本體安全性校核

工具本體是減扭防磨工具的重要零部件之一，在工作過(guò)程與鉆柱通過(guò)螺紋連接，本體承受鉆柱作用的軸向載荷和起到傳遞扭矩的作用。本體中部加工有凹槽，用于安裝半開(kāi)擋圈、半開(kāi)內(nèi)襯套和半開(kāi)旋轉(zhuǎn)套。本體凹槽部位直徑明顯變小，而在工作過(guò)程承受軸向載荷、扭矩和側(cè)向載荷的耦合作用，所以非常有必要對(duì)本體進(jìn)行安全性校核[7～9]。

采用有限元法對(duì)本體在不同的軸向載荷和扭矩耦合作用下的安全性進(jìn)行校核。圖3所示為工具本體應(yīng)力云圖，圖4所示為在不同軸向載荷下，扭矩對(duì)本體最大應(yīng)力影響曲線；由圖4可以看出，在軸向載荷為100、200、300kN作用下，隨著扭矩的增加，本體的最大應(yīng)力隨之增加，但最大應(yīng)力值均未超過(guò)835MPa，本體材料35CrMo的屈服強(qiáng)度為835MPa。同時(shí)可以看出扭矩對(duì)本體應(yīng)力的影響較大，建議鉆井過(guò)程控制高扭矩的輸出。

圖3　工具本體計(jì)算圖

圖5所示為本體在不同扭矩下，軸向載荷對(duì)本體最大應(yīng)力影響曲線。由圖5可以看出，隨著軸向載荷的增加，本體的最大應(yīng)力也在增加，與扭矩對(duì)本體的應(yīng)力影響相比，軸向載荷對(duì)本體應(yīng)力的影響較小。數(shù)值計(jì)算時(shí)最大扭矩為50kN·m，最大軸向載荷為500kN，這時(shí)本體的應(yīng)力載荷較大，但在工具正常工作過(guò)程中這種極限載荷是比較少見(jiàn)的，所以工具在服役過(guò)程本體是可滿足強(qiáng)度要求。

圖4　本體最大應(yīng)力隨扭矩變化圖　　　　　　　　　　　　　圖5　本體最大應(yīng)力隨軸向載荷變化圖

2.2工具滾輪抗擠性能分析

滾輪是減扭防磨工具實(shí)現(xiàn)減扭防磨的關(guān)鍵零件，滾輪分為軸向滾輪和徑向滾輪，通過(guò)固定軸銷固定，并安裝在旋轉(zhuǎn)套上。在井下作業(yè)時(shí)，主要通過(guò)滾輪與井壁或套管的直接接觸，將原本的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦，從而起到減小扭矩和阻力的作用。圖6所示為滾輪有限元計(jì)算應(yīng)力云圖。

圖6　工具滾輪計(jì)算圖

圖7　滾輪最大應(yīng)力隨側(cè)向載荷變化圖

圖7所示為滾輪最大應(yīng)力隨側(cè)向載荷變化曲線圖，根據(jù)工具工作過(guò)程受力情況，滾輪受到的側(cè)向載荷一般為2～6kN。在側(cè)向載荷為6kN時(shí)，滾輪的最大應(yīng)力為607MPa，此時(shí)滾輪最大應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度(滾輪材料為20CrMnTi，其屈服強(qiáng)度大于835MPa)。因此，在常見(jiàn)的側(cè)向力工作范圍內(nèi)，滾輪的安全性可以滿足使用要求。

2.3工具固定軸銷抗剪性能分析

工具固定軸銷也是減扭防磨工具的重要零件之一，材料為20CrMnTi，主要用來(lái)固定滾輪，所以固定軸銷必須具有足夠的強(qiáng)度和硬度，以確保在井下作業(yè)時(shí)減扭防磨工具的安全性。圖8所示為固定軸銷的有限元計(jì)算應(yīng)力云圖，從云圖可以看出固定軸銷最大應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在中部與滾輪接觸部位和兩端固定部位，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符。

圖8　工具固定軸銷計(jì)算圖

圖9　固定軸銷最大應(yīng)力隨剪切載荷變化圖

從圖9的應(yīng)力云圖可以看出，固定軸銷所受的側(cè)向載荷從2～8kN變化，固定軸銷應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度(固定軸銷材料為20CrMnTi,屈服強(qiáng)度為835MPa)。固定軸銷承受一定的側(cè)向載荷，在井下工作時(shí)，固定軸銷受側(cè)向力引起剪切作用。由圖可以看出，在常見(jiàn)的側(cè)向力的工作范圍內(nèi)，固定軸銷的安全性可以滿足工作要求。

3結(jié)論

1)鉆井用高效減扭防磨工具通過(guò)滾輪與井壁或套管的直接接觸，將鉆柱接頭與套管的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾輪與套管間的滾動(dòng)摩擦，從而有效減小扭矩和阻力，工具結(jié)構(gòu)方案可行。

2)利用有限元方法校核了工具本體在軸向載荷和扭矩耦合作用下的強(qiáng)度，滾輪在側(cè)向載荷下的擠壓強(qiáng)度及固定軸銷在剪切載荷下的剪切強(qiáng)度。數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示工具在正常工作載荷下是安全可靠的，進(jìn)一步論證該工具方案是可行的。

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[編輯]洪云飛

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2016)01-0053-04

[中圖分類號(hào)]TE921

[作者簡(jiǎn)介]劉少胡(1984-)，男，博士，講師，現(xiàn)主要從事鉆完井工具、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及管柱力學(xué)的教學(xué)與研究工作；E-mail：liushaoh@126.com。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405032)；流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(szjj2015-041)；長(zhǎng)江大學(xué)青年基金項(xiàng)目(2015cqn44)；長(zhǎng)江大學(xué)人才引進(jìn)啟動(dòng)基金和長(zhǎng)江大學(xué)油氣鉆完井工具研究中心資助項(xiàng)目(OGT201502)。

[收稿日期]2015-10-28

[引著格式]劉少胡，鄒家焱，談波.鉆井用滾輪式高效減扭防磨工具研究[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(1)：53～56.