钻分级箍管柱防反转工具设计与应用

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(中国石油渤海钻探工程有限公司 井下技术服务分公司，天津 300283)

在深井和超深井的长水泥封固段、易渗透地层及低压油气井易漏失段、多层压力体系或上下温差较大的井段固井时，通常采用分级注水泥技术，即利用连接在套管串上的分级箍将固井段分成多段，分多次完成注水泥作业[1-6]。水泥凝固后，为保持井筒畅通，需使用油管连接螺杆钻具+六棱钻头下至分级箍位置，将分级箍钻磨掉[7-11]。钻头钻磨金属材质的分级箍时，入井管柱受到钻头的支反力产生反向转矩而反转，减小了传递到钻头的有效转矩，导致钻头进尺慢，钻分级箍难度大、效率低，严重影响了施工进度[12-14]。目前，井下作业的常规做法有2种，一是采用管钳或缠悬绳将管柱固定，抵消钻进时的反向转矩，该方法存在安全隐患且效果不明显；二是采用简易顶驱固定管柱，但简易顶驱成本消耗大，拆装调试等过程复杂，延长了施工周期。为了安全有效地解决钻分级箍时管柱反转的问题，设计了一种操作简单的管柱防反转工具，并通过现场应用，验证该工具的合理性和有效性。

1 防反转工具设计

为了防止入井管柱反转，在井口安装防反转工具。该工具主要包括工具支架、力臂环和夹紧装置，如图1所示。工具支架是由圆柱滑轨和半月形钢板底座(如图2)焊接而成，利用加强筋加固；力臂环与夹紧装置通过圆柱钢焊接，组成防反转工具，传递反向转矩。

1—圆柱滑轨；2—力臂环；3—半月形钢板底座；4—夹紧装置。

图2 工具支架

夹紧装置主要包括左右本体、紧固螺母、螺栓转动销、转动连接销、端盖、固定螺栓、钳牙和钳牙固定块等，如图3所示。钳牙固定块上焊接钳牙，插入左右本体上，上下通过端盖压紧，分体结构利于钳牙简单方便的更换。转动连接销铰接左右本体的背面，可使夹紧装置本体旋转，利于夹紧装置灵活打开和扣合。螺栓转动销铰接固定在右本体上，利用紧固螺母将合并后的左右本体紧固，从而使钳牙咬合井口管柱，如图4所示。

图3 夹紧装置与力臂环示意

图4 咬合井口管柱示意

防反转工具的工作原理为：在钻分级箍时，工具支架下端的半月型钢板底座与自封封井器下法兰的螺栓孔眼对齐，使用螺栓牢固固定，而自封封井器与双闸板防喷器紧固，相当于将工具支架固定于地面上。安装防反转工具时，将力臂环套入圆柱滑轨，夹紧装置的左右本体套入钻分级箍的井口管柱，拧紧紧固螺母使钳牙夹紧井口管柱，并在井口管柱的上端连接水龙带。钻进过程中，开泵正循环动力液，使螺杆钻具带动六棱钻头钻磨分级箍，如果产生反向转矩，入井管柱带动井口管柱和与之配合的夹紧装置，有反转的趋势，此时，夹紧装置在力臂环和工具支架的限制下，反向转矩传递至工具支架，而工具支架与自封封井器固定连接，从而有效抵抗反向转矩的作用，防止入井管柱反向转动。力臂环在圆柱滑轨上，在钻头钻进时可向下滑动，不影响正常钻进过程。

2 钳牙结构的优化设计

钳牙是防反转工具的关键部件，是井底反向转矩与井口抵抗力的直接作用点。钳牙结构的优劣直接影响了防反转工具的施工效果[15]，首先要保证钳牙的强度，避免钳牙磨损或断裂；其次要保证钳牙与井口管柱间的摩擦力，避免反转矩作用时井口管柱打滑，起不到防反转的作用；最后要保证井口管柱的外壁不被钳牙咬伤。

2.1 牙型设计

普通液压钳的钳牙粗大、锋利且稀疏，与管柱线接触，接触面积较小，一般通过提高径向力的方法增大钳牙与管柱的摩擦力，容易造成管柱划伤甚至变形[16]。在径向力一定的情况下，为了提高钳牙与管柱的摩擦力，且不损伤管柱，可以采用增加钳牙与管柱的接触面积的方法。

设计了一种四棱台形钳牙，如图5所示。圆弧面上离散均布着细致紧密的四棱台形牙齿，将与管柱的线接触升级为面接触。牙齿围绕管柱周向均匀贴合，紧密抱紧管柱，不仅可获得足够抵抗管柱反转的摩擦力，而且点状分布的牙齿可将径向力均匀分散到管柱上，减少井口管柱上与牙齿接触处的应力集中，使得受力更加均匀，井口管柱和牙齿的应力、应变均减小，从而避免牙齿和管柱的损害。

图5 钳牙示意

2.2 材料优选

为了延长钳牙的使用寿命，优选碳素钢T8作为牙齿的加工材料，表面渗碳处理，并在钳牙表面喷涂硬质合金涂层，使牙齿具有足够的韧性和较高的硬度。牙齿材料的屈服强度930 MPa，弹性模量223 GPa，泊松比0.277。牙板经过多次冷挤压后内部组织增强，为高韧性的结构钢件。牙齿和牙板通过扩散焊复合，进一步处理后使钳牙寿命大幅提高。利用科尔马诺熔焊作为镶焊料将钳牙焊接到钳牙固定块上，保证在使用过程中不开裂。

2.3 布置方式优化

为了改善牙板的受力情况，最大限度地增加牙齿与管柱的接触面积，采用六牙板周向交接全封闭式布置方式，如图6所示。六块牙板60°周向均匀布置，完全抱紧管柱，对称性的布置方式使每个牙板受力均衡，使牙齿对管柱的作用力更均匀。

牙板设计为内凹弧形，根据管柱的外径设计牙板的角度。钻分级箍时的管柱为73 mm(2英寸)加厚油管，设计牙板的圆周角为49°，牙板圆弧内径为29 mm，如图7所示。可保证牙板与管柱曲面全切贴合，使管柱不易打滑。

图6 牙板布置方式示意

图7 牙板尺寸

3 现场应用

该防反转工具已在现场应用10余口井。以大港油田羊3H35井为例，该井使用ø139.7 mm油层套管，造斜点264.89 m，完钻井深1 766 m，井斜角93.10°/1 662.53 m；分级箍所在井深1 599 m，长度0.84 m。完井管柱结构自下而上为：ø139.7 mm双阀式引鞋(1 750 m)+ø139.7 mm短套管+砾石充填工具(1 748 m)+ø139.7 mm短套管+ø139.7 mm精密复合滤砂管串(1 745～1 625 m)+ø139.7 mm套管串+ø139.7 mm盲板(1 614 m)+ø139.7 mm短套管+ø190 mm裸眼封隔器2套(两端加ø210 mm扶正器，1 611～1 602 m)+ø139.7 mm短套管+ø168 mm分级箍(1 599 m)+ø139.7 mm套管串(至井口)，如图8。

图8 羊3H35井完井管柱示意

在井口安装防反转工具，在相同施工参数下继续钻进，如图9所示。现场应用显示，防反转工具成功抑制了入井管柱的反转，继续施工4 h，钻穿分级箍，钻头进尺0.60 m，机械钻速0.15 m/h，钻速提高了5.25倍，提速效果显著。施工过程中，无需人员在井口进行操作，保证了施工的安全进行，且整个工具工作稳定，无任何受力薄弱环节。施工后井口管柱无明显牙痕。由此可见，该防反转工具安全有效，可提高钻分级箍的工作效率，缩短施工周期，不损伤井口管柱，解决了钻分级箍时出现的管柱反转问题。

图9 现场应用

4 结论

1) 设计了一种防反转工具，通过夹紧装置抱紧井口管柱，在力臂环和工具支架的限制下，有效抵抗反向转矩的作用，防止入井管柱反向转动。解决钻分级箍时管柱反转问题。

2) 设计的四棱台形钳牙，优选牙齿材料为碳素钢T8；六牙板周向交接，全封闭式布置，使夹紧装置紧密咬合井口管柱，且对钳牙和井口管柱不造成损害。

3) 防反转工具可提高机械钻速5.25倍，施工过程中无任何受力薄弱环节，施工后井口管柱无明显牙痕。

4) 该工具结构简单，安全有效，可提高钻分级箍的工作效率，缩短施工周期，不损伤钳牙和井口管柱，可彻底解决钻分级箍时出现的管柱反转问题。