球挂式液压丢手工具失效原因及解决措施

郑瑞强

(大庆钻探工程公司 钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413)



球挂式液压丢手工具失效原因及解决措施

郑瑞强

(大庆钻探工程公司 钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413)

球挂式液压丢手工具通过憋压的方式进行丢手，在现场应用过程中出现了悬挂钢球卡死，丢手失败的问题。通过受力分析找到了其失败的原因并提出了2套解决方案，分别是增加悬挂钢球数量方案和将悬挂球设计为悬挂块方案。经现场验证，设计合理，方案可行，为今后重载条件下的丢手施工作业提供参考。

丢手工具；结构；液压

球挂式液压丢手工具克服了机械式J型槽丢手工具只能通过悬重力来判断丢手接头是否脱开的缺点，并于2011年应用于4口井氮气欠平衡钻井井段完井管柱的丢手施工中，丢手成功率100%[1](结构如图1所示)。但是，2014年在芳16-斜48井施工中却出现了悬挂钢球卡住，丢手工具未脱开的现象。本文通过对施工过程进行对比及对球挂机构受力分析，找到了球挂式液压丢手工具失效的原因，并有针对性地提出了增加钢球数量和将悬挂钢球改为悬挂块2套解决方案。增加钢球数量方案加工相对简单，但接触方式仍为点面接触；悬挂钢球改为悬挂块方案将原来的点面接触改进为了面面接触，更适合于重载条件下的丢手施工作业。两套方案均进行了现场验证，为今后重载条件下的丢手施工作业提供了参考。

1—上接头；2—钢球；3—丝堵、销钉；4—球座；5—悬挂钢球；6—下接头；7—挡板。

1　施工过程对比

图2　未脱开的球挂式液压丢手工具现场照片

井号井型完井管柱长度/m完井管柱数量/根完井管柱质量/kg丢手工具下深/m丢手是否脱开州54-1定向井556752.951444脱开州54-2定向井556752.951454脱开701-1直井556752.951460脱开701-2直井455616.051457脱开芳16-斜48定向井83.591143.121457未脱开

2　球挂机构受力分析

钢球悬挂机构共涉及4个零件，分别是上丢手接头、下丢手接头、球座以及钢球，如图3所示。以单个钢球为研究对象对其进行受力分析，忽略钢球本身的重力，钢球受下丢手接头沟槽斜面对其产生的压力F1，上丢手接头球孔对其产生的支撑力F2，以及球座外表面对其产生的支撑力F3。另外，以下丢手接头为研究对象分析其受力，下丢手接头受完井管柱的拉力G(忽略完井管柱的浮力，拉力G即为完井管柱的重力)，以及单个钢球对其沟槽斜面的支撑力F[2]。

图3　球挂机构受力分析示意

下丢手接头沟槽斜面角度为30°，即F与F3的夹角为30°。各力之间的大小关系为：

F=G/(sin30°·n)=F1(式中n为钢球数量)

F2=F1sin30°，F3=F1cos30°。

在挤压状态下计算上丢手接头、下丢手接头与钢球接触处的变形即为钢球压入深度(由于球座在施工时脱落至设计位置，未影响丢手脱开，故不进行分析)。

根据布氏硬度WHB的计算公式：

WHB=P/(πDh)

式中：P为载荷值，即钢球对支撑面的正压力，N；D为钢球直径，mm；h为压痕深度，mm。

丢手工具的连接钢球直径为15 mm，周向均布4个，上、下丢手接头材质为42CrMo，硬度为290 HB。

带入已知数据得：当完井管柱数量为6根，质量为752.95 kg时(即G=7 529.5N)，在单个钢球对下丢手接头沟槽支撑面的正压力F的作用下(即P=F)，下丢手接头上的压痕深度为0.28 mm。同理，在F2的作用下，上丢手接头上的压痕为0.14 mm；当完井管柱数量为9根，质量为1 143.12 kg时，钢球在下丢手接头上的压痕深度为0.42 mm，在上丢手接头上的压痕深度为0.21 mm。

由上可得，随着完井管柱数量增多，钢球对上、下丢手接头的压痕深度明显增大，且成正比关系。另外，在下钻过程刹车时将产生激动压力，从而使作用在钢球上的挤压力更大，压痕更深，从而导致钢球脱落困难，甚至卡死，无法脱落，这也正是芳16-斜48丢手未脱开，钢球未脱落的主要原因。

3　丢手工具改进方案

通过受力分析发现，减少钢球受力或增加挤压面面积是解决问题的关键，从这两个方面入手，设计了2套改进方案。

3.1增加钢球数量

增加钢球数量方案，即将原来周向均布、4个钢球改进为周向均布多个钢球，如图4所示，从而减少单个钢球的受力，确保顺利脱开。

图4　增加钢球数量方案示意图

1—上接头；2—钢球；3—球座；4—悬挂钢球；5—销钉；6—下接头。

图6　改进后的球挂式液压丢手工具上丢手起出井口

3.2悬挂钢球改为悬挂块

悬挂钢球改为悬挂块方案，即将原来周向均布的钢球改进为周向均布多个悬挂块，如图7所示，将原来钢球的点面接触变为面面接触，增加挤压面面积，从而减少挤压变形，确保顺利脱开。

1—上接头；2—钢球；3—球座；4—悬挂块；5—销钉；6—挡板；7—下接头。

悬挂块式液压丢手工具包括上接头、钢球、球座、悬挂块、销钉、挡板、下接头，该方案结构原理与原球挂式液压丢手工具相似，不同之处有两点：一是悬挂机构是悬挂块，接触方式有点面接触改进为面面接触，接触面积变大，结构更加安全可靠；二是脱开力来源是活塞缸内的液体压力，该结构与改进后的球挂式液压丢手工具相似。室内试验证明该结构设计合理，各个动作均能按设计完成。在朝146-斜73井常规丢手未脱开后，采取了该方案进行丢手施工，并获得成功。

4　方案对比

两套方案分别从增加钢球数量和增加接触面积入手进行了设计，并均采用了通过液压活塞腔提供脱开动力的方法，原理可行，结构合理。增加钢球数量方案加工相对简单，但接触方式仍为点面接触，重载条件下依旧会出现悬挂钢球卡住，工具不能脱开现象。悬挂块方案彻底将原来的点面接触改进为面面接触，接触面积大幅增加，可满足重载条件下的丢手施工作业需要。

5　结论

1)球挂式液压丢手工具在芳16-斜48井施工失败的原因为完井管柱较长，悬挂钢球对上、下丢手接头的压痕深度较深，导致悬挂钢球卡住，丢手施工失败。

2)改进后的悬挂块式液压丢手工具，其悬挂块与丢手上下、下接头之间为面面接触，相对于钢球悬挂结构接触面积大幅增加，并且采用了通过液压活塞腔提供脱开动力的方法，可完成重载及管柱悬空条件下的丢手作业。

3)创新设计了悬挂块悬挂结构，与原球悬挂结构相比，设计合理，性能可靠，可应用于液压丢手工具中，更适合重载条件下的丢手施工作业。

4)悬挂块式液压丢手工具解决了球挂式液压丢手工具在重载条件下悬挂钢球卡住、丢手失败的问题，在轻载和重载条件均可替代球挂式液压丢手工具，应用前景广阔。

[1]李玉海.球挂式液压丢手工具研制[J].石油矿场机械，2012，41(2)：71-73.

[2]吴姬昊.石油工程用丢手机构的分析与研究[J].石油矿场机械，2004，33(2)：63-65.

[3]王禾丁，谷开昭，朱爱萍.液压丢手工具丢手压差的设计计算[J].石油矿场机械，2002，31(2)：41-43.

Failure Causes and Solutions of Ball Hanging Type Hydraulic Releasing Tool

ZHENG Ruiqiang

(Drilling Engineering Technology Research Institute，Daqing Drilling and Exploration Engineering Company，Daqing 163413，China)

The ball hanging type hydraulic releasing tool by a pressure to release，and in the field of application appeared failure by the suspension ball stuck.This cause of the failure by force analysis was found and two solutions were put forward，adding suspension ball number scheme and designing the hanging block schemes.The design is reasonable and feasible，and provides the reference in case of heavy load releasing construction.

releasing tool；structure；hydraulic

1001-3482(2016)05-0072-04

2015-11-03

郑瑞强(1983-)，男，河北饶阳人，工程师，2007年毕业于东北电力大学机械专业，现主要从事钻完井工具的研发工作，E-mail：zhengrq@cnpc.com.cn。

TE934.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.016