基于Solidworks 的防卡稳定器机械强度分析

胡国金 魏 然 庹海洋 金 琳 韩雪银 孙永乐

（1、中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452 2、中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300452）

1 概述

卡钻是工时损失的主要根源之一，卡钻事故耗费了大约3%的上游总投入；在卡钻事故中大约60%～70%的事故是机械事故；如何缓解卡钻及解除卡钻事故是钻井界一个永恒的研究课题；卡钻缓解技术是在发生卡钻时，能建立循环和压力平衡通道，使得钻具可以活动而不被卡死，防止造成地层压漏，使卡钻事故得到缓解[1-3]。

基于此，一种防卡稳定器便应运而生，即常规稳定器+破裂膜，形成不仅具有常规稳定器功能，而且具有压力补偿流道，平衡两端压力；因此提高了钻井时效，降低了钻井风险，并且节约了钻井成本。同时，为保证防卡稳定器井下工作的安全性，本文对防卡稳定器机械强度进行详细的理论计算和优化设计，并进行了现场应用。

2 防卡稳定器结构原理介绍

防卡稳定器主要由母扣、内孔、螺钉、压板、压帽、破裂膜、流道、扶正翼、本体及公扣组成；工具结构如图1 所示，所述母扣/公扣为石油用专用扣，也可为特殊扣，这样可以满足不同客户的要求；所述压板数量为6 个，用于压死破裂膜；所述扶正翼数量为3 个，其表面喷涂耐磨合金或者镶嵌硬质合金柱，客户可以自行选择；所述流道和中心孔不连通；所述压帽在破裂膜之下，用于支撑破裂膜。

当发生环空堵塞时，在稳定器扶正翼上下两端将形成压差，当压差超过破裂膜设定阈值，则使得工具破裂膜破裂，从而打开该工具上的压力补偿流道，平衡两端压力；假如钻井液丧失循环能力，泵压迅速增加；如果不立即采取补救措施，钻具就很容易发生卡钻，堵塞形成一个密封腔，除了发生卡钻；同时也会引发，环空压力升高压破地层，诱发井漏和隐藏的一系列井控问题；当发生堵塞形成的腔内压力得到释放时，钻具将有效地得到解卡。

3 防卡稳定器机械强度分析

3.1 概述

文中以11-3/4 " 防卡稳定器进行抗拉/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42CrMnMo，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。

3.2 理论依据

由参考文献[4]知，最大拉/压力计算式为：

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。

最大扭矩计算式为：

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。

3.3 校核模型的建立

利用Solidworks 对防卡稳定器进行三维建模并划分网格，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14440，单元数8880，自由度数51248。

3.4 边界条件设置

对模型的抗拉载荷及边界条件：防卡稳定器一端进行固定，另一端加荷载。模型的抗扭载荷及边界条件：防卡稳定器刀翼上端进行固定，对刀翼加扭矩。

图1 防卡稳定器结构示意图

3.5 强度载荷分析

11-3/4″防卡稳定器抗拉分析结果如图2、图3 所示，通过反复加载（300T、500T），防卡扶正器最大应力都未达到材料最大屈服强度，且最大屈服强度为1.44e+008Mpa，小于材料抗拉强度，满足设计要求。

图2 防卡稳定器von Mises 应力（300T）示意图

图3 防卡稳定器von Mises 应力（500T）示意图

11-3/4″防卡稳定器抗扭分析结果如图4、图5 所示，通过反复加载(50KN.m、80KN.m)，防卡稳定器受扭，都未出现防卡稳定器扭曲现象，满足设计要求。

图4 防卡稳定器von Mises 应力（50KN.m）示意图

图5 防卡稳定器von Mises 应力（80KN.m）示意图

目前海洋钻井φ311mm 井眼钻具组合是：12-1/4″PDC 钻头 +9″ Xceed+8-1/4″ ARC +8-1/4″ MWD+8″ NMDC+8″F/V×+11-3/4″倒划眼稳定器+5-1/2″加重钻杆+5-1/2″钻杆。根据钻具组合可知，11-3/4″防卡稳定器机械强度只要和常规稳定器的机械强度相当就行，查阅钻井手册，其机械强度满足设计要求。

4 现场应用

4.1 渤中34 区块某井概况

在渤中34 区块某井12-1/4″井眼井段进行了为期3 天的现场应用，钻具组合：12-1/4″PDC 钻头+9-5/8″PDM×1+8″F/V+11-3/4″防卡稳定器+8″NMDC+8″MWD + 8″SNMDC+7-3/4″（F/J+JAR）+X/O+ 5-1/2″HWDP×14。

4.2 试验结果分析

某井所处井区明化镇地层胶结疏松，地层蠕变性很大，经常出现井眼缩径现象；下钻遇阻和倒划眼憋压憋扭及抬钻具等现象，尤其倒划眼起钻时间比例在起钻时长中占据70%～85%。某井在正常钻井至2876m 后，倒划眼起钻至1011m，为保证井眼清洁性，中途2560m、2200m、1912m、1523m 及1011m 大排量循环干净；然后直接起钻至井口。倒划眼起钻过程中返出较多井壁削落的细碎岩屑，全过程仅局部井段泵压轻微波动，无憋卡现象；起钻至井口，检查防卡稳定器，工具完好；虽然倒划眼过程中，倒划眼速度和常规稳定器相差不大，但是其能建立循环和压力平衡通道，使得钻具可以活动而不被卡死，为处理卡钻事故赢得时间。

4.3 现场推广应用

随着11-3/4″防卡稳定器在BZ34 区块应用成功后，于2020 年在渤海油田其它区块进行推广应用，现场使用了4 井次，现场效果良好。虽然防卡稳定器在使用过程破裂膜都未破裂，起钻后检查该工具都十分完好，破裂膜处存在少许泥巴，并不影响工具使用效果，因此，该工具具有先进性和良好的市场推广价值。

5 结论

5.1 防卡稳定器不仅具有常规稳定器功能，而且具有压力补偿流道，平衡两端压力；因此提高了钻井时效，降低了钻井风险，并且节约了钻井成本。

5.2 建立了防卡稳定器的极限抗拉载荷和抗扭载荷的模型，并利用有限元软件进行分析计算，结果表明防卡稳定器的极限抗拉载荷和抗扭载荷都能满足钻井的实际需要。

5.3 通过对防卡稳定器机械强度理论计算，为现场使用提供理论参考数据，近一步保障了井下工具的安全性。