新型侧钻坐封器的设计*

2014-03-27王国军

机械研究与应用 2014年3期

高峰，曾涛，王国军

(1.西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500;2.中国石化中原石油工程公司井下特种作业公司，河南濮阳 457000)

0 引言

套管井开窗侧钻是中后期油田低成本开发剩余油气藏和套损井恢复产能的重要手段之一。目前，窗口形成的形式以斜向器开窗居多，其卡瓦是侧钻坐封器最重要部件之一，在侧钻开窗时如果卡瓦失效或卡瓦的支撑力量不足而导致卡瓦下滑将引起侧钻开窗的失败［1］。卡瓦牙齿的几何形状、数量、布齿方式，卡瓦的结构，材料等都将影响到卡瓦与套管间的咬合力分布［2］。常见的侧钻坐封器卡瓦系统分为上下两组，其间相距1 m左右，上组卡瓦主要防止转动，下组卡瓦主要防止下滑［3］。笔者设计的新型侧钻坐封器卡瓦是通过采用硬质合金镶齿结构使单卡瓦同时实现防转动、防下滑的作用，即双作用，如图1所示。

图1 卡瓦布齿的三维实体模型

单卡瓦双作用结构是指:在单片卡瓦牙上分布有17颗硬质合金镶齿，中间9颗齿主要承受侧钻时的轴向力，防止斜向器下滑，上下各4颗齿主要防止侧钻时斜向器周向转动。这一结构大大缩短了斜向器开窗工具的总长度，有利于施工的安全性［4－6］。

1 新型侧钻坐封器结构及工作原理

1.1 新型侧钻坐封器的结构

新型侧钻坐封器结构如图2所示，实现了全液压驱动，双缸联动加压，单卡瓦双作用坐封。双缸联动加压为卡瓦牙吃入套管内壁提供足够的坐封力，使之能承受较大的轴向载荷和周向载荷，在剧烈振动下钻进切削套管不会松动，确保侧钻井整个施工过程斜向器稳定可靠。

图2 新型侧钻坐封器结构图

1.2 新型侧钻坐封器的工作原理

当工具下到预定的侧钻位置时，开启钻井泵，钻井液通过限位马牙进入到达活塞的上端面及缸体接头的上端面，并在限球套节流孔的上下面形成节流压差，推动限球套向下移动，进而与钢球接触，并继续下移压缩弹簧憋压;限位马牙－活塞－下缸体在双缸联动的推力下，向下移动，四片卡瓦牙在活塞斜坡的推动下逐渐向外撑开，使卡瓦上的硬质合金牙齿与套管内壁接触并吃入，从而实现轴向和周向固定。此时，由于限位马牙不能恢复到原来的位置，卡瓦牙齿完全吃入套管内壁且不回缩，达到可靠坐封的目的，如图3所示。

图3 单片卡瓦工作示意图

2 新型坐封器的工作力学分析

液缸在额定压力20 MPa下产生的轴向推力为:

即当钻井液压力达到20 MPa时，液缸推力为205 kN。

对活塞进行受力分析，如图4所示。

图4 活塞受力图

联立式(1)和式(4)得:

由N1和N2的关系得:

由作用力和反作用的关系可知，在25 MPa的钻井液压力下，卡瓦作用在套管内壁上的正压力为675.2 kN。

该设计使用的是直径为5 mm的T105号YG8硬质合金齿，其牙齿外形及尺寸见图5和图6，其密度是14.6～14.8 g/cm3，硬度为HRA88.5，抗弯强度大于2 300 N/mm2。

假设镶嵌在卡瓦上的硬质合金齿在活塞推动下，吃入套管内壁深度为1 mm，在1 mm处的截面形状如图6中的阴影部分。其截面面积计算如下:

图5 牙齿外形

图6 牙齿尺寸

由图5和图6可知:θ=163°，r=2.5 mm，l=4.95 mm，d=0.36 mm。

将上述数据代入式(7)得:

每片卡瓦上镶嵌有9颗防轴向窜动的齿，8颗防周向转动的齿，共计17颗齿。假设卡瓦牙齿的作用对象是5寸半的P110型的套管，查石油工程师手册可知:屈服应力σs=965 N/mm2。

则单颗牙齿吃入套管壁1mm需要的作用力为:

单片卡瓦吃入套管壁1 mm需要的作用力为:

则4片卡瓦全部吃入套管壁所需要的总的作用力为:

所以在25 MPa的钻井液压力下，本次所设计的活塞及卡瓦结构，足以吃入套管壁1 mm。

根据T105硬质合金齿的结构可知，其镶嵌入卡瓦本体后，露在外面的有效长度为2.3 mm，在活塞推力下吃入套管壁后单颗牙齿承受轴向压力P的情况如图7所示。

此时，假设轴向压力可达300 kN，此力全部由镶嵌在卡瓦上的防轴向窜动的硬质合金齿承受，因此有:

式中:Mmax为单颗硬质合金齿所承受的最大弯矩;P为作用在单颗防轴向窜动牙齿上的轴向压力;l为轴向压力的作用长度。

图7 卡瓦牙齿吃入套管示意图

由图6可知，l=2.3－1=1.3 mm;由于每片卡瓦上布有9颗防轴向窜动的牙齿，共有4片卡瓦，共计36颗这样的牙齿，所以轴向压力P为:

则由式(10)得最大弯矩Mmax为:

由图6可知，可近似简化为半圆形计算惯性矩，只需要加一个修正系数i，所以:

联立式(13)和式(14)得惯性矩:

所以:W=Iz/ymax=πD3/64

由弯曲应力计算公式得:

由于σmax=2 159 ΜΡa＜［σ］=2 300 ΜΡa，符合强度要求，所以本次所设计的卡瓦牙齿结构及所选用牙齿材料性能均满足使用要求。即本次设计的坐封器在30 t的轴向载荷作用下，卡瓦牙可以承受此载荷且不会损坏，满足防轴向窜动的设计要求。

3 新型坐封器的工作参数

(1)泥浆泵流量达到0.264 L/s时可以打开限球套，使限球套下移憋压。

(2)限球套下移后，泥浆泵泵压达到3.53 MPa时，使缸体接头剪断剪钉。

11月5日5版《“海洋之子”苏纪兰》，其“他最近在听Linkin Park的一首英文歌——《Waiting for the end》”，根据《通用语言文字法》，这里的外文须附其中文。

(3)剪断剪钉后，泥浆泵泵压达到3.53 MPa以上并逐渐增大时，卡瓦被缓慢推出。

(4)剪断剪钉后，泥浆泵泵压达到20 MPa时，硬质合金齿吃入套管壁。

(5)坐封器的卡瓦牙伸出最大外径为128.6 mm。

4 新型坐封器的操作说明

4.1 坐封器入井前的准备工作

(1)上部套管试压其目的是了解套管完好情况，为开窗高度和下工具、下尾管长度提供依据。

试压标准是:注水井12 MPa，30 min压降不超过0.5 MPa为合格;油井试压10 MPa，30 min压降不超过0.5 MPa为合格;气井要做气密试压。

(2)通井通井目的有两个:①了解套管是否有缩径和变形等情况，为侧钻开窗位置选择和固井尾管下入深度提供依据;②为顺利下入造斜器及其它工具创造条件，校正套管内径，严防套管变形。因此通井时，利用标准的通井规进行通井，严格控制下放速度，通井规直径比坐封器造斜器最大直径要大2 mm，且长度大于坐封器造斜器的长度0.5 m以上。