韓東東 向良煒 李波 呂廣（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津300452）

在當(dāng)前石油環(huán)境下，調(diào)整井成為穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的主要措施之一。由于平臺槽口數(shù)量有限，鉆井井口日趨緊張，低產(chǎn)低效的老井眼成為了調(diào)整側(cè)鉆的主要目標(biāo)。能否有效利用老井眼，關(guān)鍵因素是滿足鉆井和后期生產(chǎn)需要，這就需要取出淺層套管，尤其是雙層套管，難度很大且國內(nèi)外沒有成熟的經(jīng)驗供借鑒。因此對老井眼側(cè)鉆井筒準(zhǔn)備的前期各層套管處理引起了越來越多的關(guān)注。

在處理各層套管至滿足大井眼側(cè)鉆井筒準(zhǔn)備作業(yè)中，常規(guī)的切割、套銑工藝處理，可滿足處理單層或同時處理多層套管，但受井況的制約，現(xiàn)有套銑工具在作業(yè)中會出現(xiàn)托壓、套劈套管、套漏隔水導(dǎo)管、井口震動劇烈等問題。井況復(fù)雜的情況下只能采用領(lǐng)眼磨鞋來磨銑。為保證井下鉆具的安全性，本文對領(lǐng)眼磨鞋的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行詳細(xì)的理論計算并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。

1 領(lǐng)眼磨鞋結(jié)構(gòu)原理

領(lǐng)眼磨鞋主要由母扣、本體、螺旋刀翼、扶正翼、內(nèi)孔、公扣、合金塊及合金顆粒組成。所述母扣/公扣為石油用專用扣，可根據(jù)客戶要求，選擇不同扣型以滿足不同用途；所述螺旋刀翼焊接在本體上，在保證強(qiáng)度前提下，可以重復(fù)利用本體，從而降低生產(chǎn)成本；所述螺旋刀翼數(shù)量為奇數(shù)，類似三角形穩(wěn)定原理，以提高磨銑過程中的穩(wěn)定性；所述螺旋刀翼一側(cè)敷焊合金塊，用于磨銑套管；所述扶正翼也焊接在本體上，目的也是方便本體重復(fù)利用；所述扶正翼表面敷焊硬質(zhì)合金顆粒，以提高其耐磨性。

現(xiàn)場作業(yè)過程中，當(dāng)套管不居中時，套銑/磨銑效率非常低，新型領(lǐng)眼磨鞋用切削代替磨削，大大提高作業(yè)效率，縮短調(diào)整井項目工期，從而達(dá)到降本增效的目的。同時，該工具為一體式，螺旋刀翼和扶正翼焊接在本體上，加工簡單，維修方便；螺旋刀翼為螺旋狀，減少在使用過程中的變形；螺旋刀翼數(shù)量為奇數(shù)，類似三角形穩(wěn)定原理，以提高在磨銑過程中的穩(wěn)定性；通用性強(qiáng)，適應(yīng)性廣。

2 領(lǐng)眼磨鞋機(jī)械強(qiáng)度分析

2.1 概述

文中以13-3/8"套管用的領(lǐng)眼磨鞋進(jìn)行抗拉/抗扭分析，采用Solidworks 建模并校核，材料用石油井下工具常用材料40CrMnMo，其力學(xué)性質(zhì)如下：抗拉強(qiáng)度845MPa，屈服強(qiáng)度650MPa，以此作為分析極限荷載的依據(jù)。

2.2 理論依據(jù)

式中：F為最大拉/壓力值；σs為屈服強(qiáng)度值，是材料固有屬性，A是工具橫截面積。

式中：T為扭矩值；τ為剪切應(yīng)力值，W為抗彎截面系數(shù)，與鉆柱的截面形狀和大小相關(guān)。

圓環(huán)抗彎截面系數(shù)計算式為：

式中：D為圓環(huán)截面外徑，d為截面處內(nèi)徑。

2.3 校核模型的建立

利用Solidworks 對建立的分析用的三維實體模型網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分采用四面體單元，并適當(dāng)根據(jù)模型的形狀對需要精化的位置進(jìn)行較細(xì)的劃分，最終使模型不存在小的棱角以及小面，最大程度的避免由于網(wǎng)格劃分原因造成的應(yīng)力集中，節(jié)點數(shù)15698，單元數(shù)9480，自由度數(shù)46635。（見圖1）。

圖1 領(lǐng)眼磨鞋網(wǎng)格劃分示意圖

2.4 邊界條件設(shè)置

一般要求13-3/8″領(lǐng)眼磨鞋抗拉150 噸（1500KN），抗扭20KN.m，根據(jù)領(lǐng)眼磨鞋實際工作狀態(tài)，抗拉模擬時，假設(shè)領(lǐng)眼磨鞋公扣斷面固定約束，1500KN加載在領(lǐng)眼磨鞋母扣斷面；抗扭模擬時，假設(shè)領(lǐng)眼磨鞋公扣斷面和母扣斷面都固定約束，20KN.m加載在領(lǐng)眼磨鞋刀翼右端面。

2.5 強(qiáng)度載荷分析

13-3/8″領(lǐng)眼磨鞋抗拉分析結(jié)果顯示，當(dāng)領(lǐng)眼磨鞋公扣斷面固定約束，母扣斷面加載1500KN時，領(lǐng)眼磨鞋von Mises應(yīng)力最大值193Mpa，相當(dāng)于材料屈服值的25%，因此工具抗扭強(qiáng)度滿足設(shè)計要求；在母扣斷面加載1500KN 條件下，13-3/8″領(lǐng)眼磨鞋軸向位移變形0.5mm，相對于領(lǐng)眼磨鞋長度2200m而言，變形量非常小，因此領(lǐng)眼磨鞋軸向變形可以忽略不計。

13-3/8″領(lǐng)眼磨鞋抗扭分析結(jié)果顯示，當(dāng)領(lǐng)眼磨鞋公扣斷面和母扣斷面固定約束，刀翼右端加載20KN.m扭矩時，領(lǐng)眼磨鞋von Mises 應(yīng)力最大值588Mpa，小于材料屈服極限值，因此抗扭滿足設(shè)計要求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 實驗井試驗

3.1.1 某井基本情況介紹

綏中36油田某關(guān)停井位于渤海遼東灣海域，鉆遇地層自上而下為：平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組及沙河街組等，井身結(jié)構(gòu)為三開，既?609.6mm+?406.4mm+?311.15mm；由于該井高含水，故設(shè)計從該井130m處側(cè)鉆，新井眼沿用了老井眼表層隔水導(dǎo)管；新井為水平井，設(shè)計井深2358m，井身結(jié)構(gòu)為四開，既? 609.6mm+?406.4mm+?311.15mm+?215.9mm。

3.1.2 試驗結(jié)果分析

不管采用波浪底齒型銑鞋還是長城底齒型銑鞋，都無法有效提高機(jī)械鉆速；同時套管已被套劈，則說明套管不居中；于是提出嘗試采用切削工藝處理剩余13-3/8"套管，切削鉆柱組合：5"鉆桿+13-3/8"領(lǐng)眼磨鞋工具（見圖2）+6-1/2"DC+5"加重鉆桿；切削工藝參數(shù)：鉆壓3～4T，轉(zhuǎn)速60r/min，扭矩8～10KN.m；切削效果明顯，平均機(jī)械鉆速達(dá)到2m/h，鐵屑返出也明顯；為了保持井眼清潔，避免鐵屑在環(huán)空堆積蹩停頂驅(qū)，切削時每2h掃一次稠漿（5 方）；領(lǐng)眼磨鞋刀翼共磨損34cm 且各刀翼磨損均勻，都屬于正常磨損，如圖3 所示，最終處理13-3/8 "套管到141.5m。

圖2領(lǐng)眼磨鞋工具

圖3 出井領(lǐng)眼磨鞋

4 結(jié)語

（1)針對因套管不居中造成套管被套劈情況，建議采用套管切削工具處理，其機(jī)械鉆速達(dá)到2m/h；同時，為了保持井眼清潔，避免鐵屑在環(huán)空堆積蹩停頂驅(qū)，切削時每2h掃一次稠漿（5方）。

(2）通過對領(lǐng)眼磨鞋機(jī)械強(qiáng)度理論計算，為現(xiàn)場使用提供理論參考數(shù)據(jù)，近一步保障了井下工具的安全性。