基于solidworks的领眼磨鞋机械强度分析

2020-04-22韩东东向良炜李波吕广中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司天津300452

化工管理 2020年9期

韩东东向良炜李波吕广（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司天津300452）

在当前石油环境下，调整井成为稳产增产的主要措施之一。由于平台槽口数量有限，钻井井口日趋紧张，低产低效的老井眼成为了调整侧钻的主要目标。能否有效利用老井眼，关键因素是满足钻井和后期生产需要，这就需要取出浅层套管，尤其是双层套管，难度很大且国内外没有成熟的经验供借鉴。因此对老井眼侧钻井筒准备的前期各层套管处理引起了越来越多的关注。

在处理各层套管至满足大井眼侧钻井筒准备作业中，常规的切割、套铣工艺处理，可满足处理单层或同时处理多层套管，但受井况的制约，现有套铣工具在作业中会出现托压、套劈套管、套漏隔水导管、井口震动剧烈等问题。井况复杂的情况下只能采用领眼磨鞋来磨铣。为保证井下钻具的安全性，本文对领眼磨鞋的机械强度进行详细的理论计算并进行现场应用。

1 领眼磨鞋结构原理

领眼磨鞋主要由母扣、本体、螺旋刀翼、扶正翼、内孔、公扣、合金块及合金颗粒组成。所述母扣/公扣为石油用专用扣，可根据客户要求，选择不同扣型以满足不同用途；所述螺旋刀翼焊接在本体上，在保证强度前提下，可以重复利用本体，从而降低生产成本；所述螺旋刀翼数量为奇数，类似三角形稳定原理，以提高磨铣过程中的稳定性；所述螺旋刀翼一侧敷焊合金块，用于磨铣套管；所述扶正翼也焊接在本体上，目的也是方便本体重复利用；所述扶正翼表面敷焊硬质合金颗粒，以提高其耐磨性。

现场作业过程中，当套管不居中时，套铣/磨铣效率非常低，新型领眼磨鞋用切削代替磨削，大大提高作业效率，缩短调整井项目工期，从而达到降本增效的目的。同时，该工具为一体式，螺旋刀翼和扶正翼焊接在本体上，加工简单，维修方便；螺旋刀翼为螺旋状，减少在使用过程中的变形；螺旋刀翼数量为奇数，类似三角形稳定原理，以提高在磨铣过程中的稳定性；通用性强，适应性广。

2 领眼磨鞋机械强度分析

2.1 概述

文中以13-3/8"套管用的领眼磨鞋进行抗拉/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，其力学性质如下：抗拉强度845MPa，屈服强度650MPa，以此作为分析极限荷载的依据。

2.2 理论依据

式中：F为最大拉/压力值；σs为屈服强度值，是材料固有属性，A是工具横截面积。

式中：T为扭矩值；τ为剪切应力值，W为抗弯截面系数，与钻柱的截面形状和大小相关。

圆环抗弯截面系数计算式为：

式中：D为圆环截面外径，d为截面处内径。

2.3 校核模型的建立

利用Solidworks 对建立的分析用的三维实体模型网格划分，网格划分采用四面体单元，并适当根据模型的形状对需要精化的位置进行较细的划分，最终使模型不存在小的棱角以及小面，最大程度的避免由于网格划分原因造成的应力集中，节点数15698，单元数9480，自由度数46635。（见图1）。

图1 领眼磨鞋网格划分示意图

2.4 边界条件设置

一般要求13-3/8″领眼磨鞋抗拉150 吨（1500KN），抗扭20KN.m，根据领眼磨鞋实际工作状态，抗拉模拟时，假设领眼磨鞋公扣断面固定约束，1500KN加载在领眼磨鞋母扣断面；抗扭模拟时，假设领眼磨鞋公扣断面和母扣断面都固定约束，20KN.m加载在领眼磨鞋刀翼右端面。

2.5 强度载荷分析

13-3/8″领眼磨鞋抗拉分析结果显示，当领眼磨鞋公扣断面固定约束，母扣断面加载1500KN时，领眼磨鞋von Mises应力最大值193Mpa，相当于材料屈服值的25%，因此工具抗扭强度满足设计要求；在母扣断面加载1500KN 条件下，13-3/8″领眼磨鞋轴向位移变形0.5mm，相对于领眼磨鞋长度2200m而言，变形量非常小，因此领眼磨鞋轴向变形可以忽略不计。

13-3/8″领眼磨鞋抗扭分析结果显示，当领眼磨鞋公扣断面和母扣断面固定约束，刀翼右端加载20KN.m扭矩时，领眼磨鞋von Mises 应力最大值588Mpa，小于材料屈服极限值，因此抗扭满足设计要求。

3 现场应用

3.1 实验井试验

3.1.1 某井基本情况介绍

绥中36油田某关停井位于渤海辽东湾海域，钻遇地层自上而下为：平原组、明化镇组、馆陶组、东营组及沙河街组等，井身结构为三开，既Ø609.6mm+Ø406.4mm+Ø311.15mm；由于该井高含水，故设计从该井130m处侧钻，新井眼沿用了老井眼表层隔水导管；新井为水平井，设计井深2358m，井身结构为四开，既Ø 609.6mm+Ø406.4mm+Ø311.15mm+Ø215.9mm。

3.1.2 试验结果分析

不管采用波浪底齿型铣鞋还是长城底齿型铣鞋，都无法有效提高机械钻速；同时套管已被套劈，则说明套管不居中；于是提出尝试采用切削工艺处理剩余13-3/8"套管，切削钻柱组合：5"钻杆+13-3/8"领眼磨鞋工具（见图2）+6-1/2"DC+5"加重钻杆；切削工艺参数：钻压3～4T，转速60r/min，扭矩8～10KN.m；切削效果明显，平均机械钻速达到2m/h，铁屑返出也明显；为了保持井眼清洁，避免铁屑在环空堆积蹩停顶驱，切削时每2h扫一次稠浆（5 方）；领眼磨鞋刀翼共磨损34cm 且各刀翼磨损均匀，都属于正常磨损，如图3 所示，最终处理13-3/8 "套管到141.5m。