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一種新型送入工具的研制與應(yīng)用*

2021-12-13 07:34:12郝宙正程仲張英劉禹銘陳立偉柴希偉
石油機(jī)械 2021年12期
關(guān)鍵詞:管柱外套彈性

郝宙正 程仲 張英 劉禹銘 陳立偉 柴希偉

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司)

0 引 言

在油氣田井下作業(yè)過程中,經(jīng)常通過丟手作業(yè)[1-2]實(shí)現(xiàn)送入工具與留井管柱的分離作業(yè),例如尾管送入作業(yè)、儲(chǔ)層保護(hù)閥回接作業(yè)、水平井壓裂管柱送入作業(yè)及堵塞器投放作業(yè)等。目前,丟手作業(yè)一般采用兩種方法:一種是采用單一機(jī)械或液壓脫手形式,如采用剪切銷釘懸掛和螺紋連接等,但該方法存在銷釘中途剪切提前丟手的風(fēng)險(xiǎn),且在脫手失敗后,無法提供備用方案;另外一種是采用機(jī)械和液壓結(jié)合的形式,該方法尤其適用于機(jī)械脫手困難的大位移井和大斜度井,可為丟手作業(yè)提供雙重解決方案,但是在管柱漏壓的情況下,液壓脫手也存在失敗的風(fēng)險(xiǎn)。上述井下管柱丟手作業(yè)的送入工具種類繁多,適應(yīng)性不強(qiáng)。針對上述問題,研制了一種送入工具總成,通過工作筒實(shí)現(xiàn)送入工具與留井管柱橋接,工作筒采用可控電化學(xué)腐蝕材料(簡稱CEM,Controlled Electrochemical Corrosion Materials),可在設(shè)定時(shí)間自動(dòng)溶解[3-6],避免了后期磨銑修井作業(yè),同時(shí)也為送入工具的分離提供了一種全新的解決方案。該送入工具總成在管柱遇阻時(shí)可提供扭矩,具備液壓、機(jī)械及自溶等3種脫手方式,安全可靠,作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)低,通過工作筒可與多種井下管柱連接完成脫手作業(yè),具備標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)推廣價(jià)值。

本文建立了彈性爪結(jié)構(gòu)和接觸應(yīng)力計(jì)算模型,利用有限元分析建立了彈性爪軸對稱有限元模型,評估了彈性爪插入、上提及解鎖時(shí)3種應(yīng)力狀態(tài),同時(shí)對CEM鎂鋁合金溶解速率進(jìn)行分析,準(zhǔn)確控制工作筒分解時(shí)間。研究結(jié)果有利于指導(dǎo)送入工具的設(shè)計(jì)與研究,推動(dòng)了送入工具標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

送入工具總成結(jié)構(gòu)如圖1所示,該工具由活塞組件、支撐裝置、承扭機(jī)構(gòu)及鎖緊機(jī)構(gòu)組成,它將工作筒與留井管柱送入到位后與其分離。工作筒丟手后,當(dāng)其采用碳鋼材料時(shí),可作為回接與打撈工作筒使用;當(dāng)其為CEM合金時(shí),可在設(shè)定時(shí)間自行溶解。

1—心軸;2—振動(dòng)外筒;3—碟簧組;4—下外筒;5—活塞;6—定子橡膠;7—轉(zhuǎn)子;8—?jiǎng)娱y;9—下接頭。

1—上接頭;2、8—承扭機(jī)構(gòu);3、11—活塞組件;4—外套;5—彈簧;6—固定銷釘;7—襯套;9、10—鎖緊機(jī)構(gòu);12、13—支撐裝置。

1.2 工作原理

通過送入工具將工作筒與留井管柱送入到位后,以20.0 kN的作用力下壓管柱,投入密封球或者飛鏢并開泵正循環(huán),使密封球或者飛鏢到達(dá)預(yù)定承接位置后,繼續(xù)增大管內(nèi)壓入力,安裝在中心管和活塞腔上的剪切銷釘被剪斷,在液壓力的作用下活塞腔移動(dòng)至心軸上端限位處,并帶動(dòng)彈性爪從工作筒連接凹槽內(nèi)脫離,上提管柱即可實(shí)現(xiàn)液壓脫手。

如果液壓脫手失敗,反轉(zhuǎn)管柱當(dāng)扭矩為2.0 kN·m時(shí),剪切上接頭和外套的防轉(zhuǎn)剪切銷釘,隨后以20.0 kN的作用力下壓管柱,上接頭防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)入外套防轉(zhuǎn)凹槽時(shí),中心管帶動(dòng)下接頭下移,彈性爪失去下接頭支撐端面而收回,上提管柱即可實(shí)現(xiàn)機(jī)械脫手。

如果液壓與機(jī)械脫手均沒有成功,一般采取切割打撈的方式進(jìn)行事故處理作業(yè),通常作業(yè)周期長,施工成本高。而該送入工具工作筒采用了鎂鋁合金自溶材料,在設(shè)定時(shí)間能自行溶解,從而為送入工具脫手提供了一種全新的解決方案。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

送入工具最大外徑/最小內(nèi)徑:188.5 mm/64.0 mm;

工作溫度:-20.0~120.0 ℃;

中心管抗拉力:1 200.0 kN;

最大正轉(zhuǎn)扭矩:12.0 kN·m;

額度工作壓力:35.0 MPa;

承扭方式:采用120°均勻布局臺(tái)階抗扭;

脫手方式:下壓狀態(tài)正加壓24.0 MPa脫手;

應(yīng)急脫手方式:下壓正轉(zhuǎn)90°機(jī)械脫手和工作筒自溶脫手。

1.4 技術(shù)特點(diǎn)

(1)具有液壓脫手和機(jī)械脫手2種脫手方式,提高了脫手的安全性和實(shí)用性;

(2)管柱可實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)下入,解決了管柱遇阻后不能正轉(zhuǎn)的問題;

(3)工作筒采用普通碳鋼或CEM合金材料,可作為后期回接工作筒使用,也可在特殊情況下自動(dòng)溶解;

(4)可承受1 150.0 kN的拉伸載荷和500.0 kN的壓縮載荷;

(5)適用于多種井下管柱的脫手作業(yè),通用性強(qiáng)。

2 關(guān)鍵零部件彈性爪設(shè)計(jì)及分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管柱送入過程中,彈性爪是送入工具的關(guān)鍵部件,承受留井管柱的拉壓載荷并具有脫手功能,因此有必要對其進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬計(jì)算[7],證實(shí)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。本文分別從彈性爪進(jìn)入、彈性爪送入及彈性爪解鎖工作筒3個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。彈性爪懸掛機(jī)構(gòu)簡化結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)彈性爪的尺寸形態(tài)建立懸掛機(jī)構(gòu)模型,并劃分網(wǎng)絡(luò)。

1—工作筒;2—外套;3—彈性爪;4—下接頭。

彈性爪送入狀態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。送入狀態(tài)上提夾角位置如圖3a所示。工作筒連接凹槽60°斜面與彈性爪60°斜面貼合,下接頭端面45°斜面與彈性爪45°斜面貼面,彈性爪兩斜面形成向內(nèi)收縮的15 °的夾角,即ABCD區(qū)域沿AC/BD方向呈扇形發(fā)散趨勢,設(shè)計(jì)AB段長度為12.3 mm,CD段長度為13.5 mm,該位置CD段長度比AB段長1.2 mm。在送入狀態(tài)上提夾角位置,送入工具承受管柱下入過程中的拉伸載荷。

送入狀態(tài)下壓位置如圖3b所示。EF段長度為12 mm,工作筒連接凹槽AE段呈60 °斜面,斜面末端AB段長度為14.7 mm,CD段長度為12.9 mm,AB段長度比CD段長1.8 mm,即AB段長度大于CD段,送入工具才能正常脫手。

圖3 彈性爪送入狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖

2.2 彈性爪進(jìn)入工作筒強(qiáng)度分析

將工作筒、外套、彈性爪及下接頭建立簡化力學(xué)模型,導(dǎo)入有限元分析軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析。為保證計(jì)算精度,將彈性爪局部網(wǎng)格加密,采用六面體單元,其他部分使用網(wǎng)格自動(dòng)劃分。圖4為懸掛機(jī)構(gòu)有限元分析模型。工作筒、外套和下接頭均為4145H合金鋼,調(diào)質(zhì)處理,密度為7 830 kg/m3,彈性模量為206 GPa,泊松比為0.28,屈服強(qiáng)度為930 MPa,抗拉強(qiáng)度為1 080 MPa。彈性爪采用合金彈簧鋼60Si2Mn,屈服強(qiáng)度為1 274 MPa,彈性模量為206 GPa,泊松比為0.26。

1—工作筒;2—外套;3—彈性爪;4—下接頭。

在工作筒右側(cè)端面施加固定約束,在外套、彈性爪及下接頭外圓施加圓形對稱約束,在下接頭A端面施加軸向位移30.0 mm,即彈性爪進(jìn)入工作筒錐面的位移。根據(jù)裝配關(guān)系,彈性爪與外套、彈性爪與工作筒以及彈性爪與下接頭均選擇面-面接觸方式。彈性爪與外套組中外套內(nèi)表面為主面,彈性爪外表面為從面;彈性爪與工作筒組中彈性爪外表面為主面,工作筒內(nèi)表面為從面;彈性爪與下接頭組中彈性爪外表面為主面,下接頭內(nèi)表面為從面。通過施加軸向位移載荷模擬計(jì)算彈性爪變形對應(yīng)的等效應(yīng)力分布,結(jié)果如圖5所示。從圖5可見,彈性爪最大等效應(yīng)力發(fā)生在彈性爪開槽根部,應(yīng)力為146 MPa,遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度1 274 MPa,安全系數(shù)n=8.75,即n>1,滿足強(qiáng)度要求。提取單片彈性爪進(jìn)入工作筒的支反力為41.0 N,整組彈性爪由16片組成,故求得彈性爪進(jìn)入工作筒的合力為656.0 N。

圖5 彈性爪進(jìn)入工作筒的等效應(yīng)力分布

2.3 彈性爪送入狀態(tài)強(qiáng)度分析

建立工作筒、外套、彈性爪及下接頭簡化力學(xué)模型,并在A端面施加1 mm位移載荷,導(dǎo)入有限元分析軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析[8-11],通過施加軸向位移載荷模擬計(jì)算彈性爪變形對應(yīng)的等效應(yīng)力分布,結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出,彈性爪最大等效應(yīng)力發(fā)生在彈性爪60°和45°接觸面,最大應(yīng)力為1 131.5 MPa,小于材料屈服強(qiáng)度1 274 MPa,安全系數(shù)n=1.12,即n>1,滿足強(qiáng)度要求。提取單片彈性爪支反力為68.2 kN,整組彈性爪由16片組成,故求得彈性爪的合力為1 091.2 kN,因此證明該位置AB段大于CD段1.2 mm的設(shè)計(jì)合理,同時(shí)表明彈性爪在送入狀態(tài)下可承受1 091.2 kN的拉伸載荷。

圖6 彈性爪送入狀態(tài)等效應(yīng)力分布

2.4 彈性爪解鎖狀態(tài)強(qiáng)度分析

建立工作筒、外套、彈性爪及下接頭簡化力學(xué)模型,并在下接頭左端面施加12.0 mm位移載荷,導(dǎo)入有限元分析軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析,計(jì)算結(jié)果如圖7所示。從圖7可見,彈性爪最大等效應(yīng)力發(fā)生在彈性爪開槽根部A區(qū)域,且該部位發(fā)生了彎曲變形,局部應(yīng)力為865.6 MPa,小于材料65Mn屈服強(qiáng)度1 274 MPa,安全系數(shù)n=1.47,即n>1,滿足強(qiáng)度要求。同時(shí)發(fā)現(xiàn)外套與彈性爪接觸C區(qū)域的最大等效應(yīng)力為525.4 MPa,且外套向圓周外側(cè)產(chǎn)生了0.1 mm的徑向位移,由于外套與工作筒之間單邊間隙為1 mm,大于因局部應(yīng)力產(chǎn)生的0.1 mm徑向位移,所以不存在脫手遇卡的風(fēng)險(xiǎn),但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮外套壁厚和強(qiáng)度。

圖7 彈性爪解鎖狀態(tài)等效應(yīng)力

彈性爪機(jī)構(gòu)在解鎖狀態(tài)前后,其根部沿水平方向順時(shí)針偏轉(zhuǎn)3.05°(見圖8),造成了B區(qū)域產(chǎn)生最大彎曲應(yīng)力(725.4 MPa),雖然小于彈簧鋼65Mn屈服強(qiáng)度(1 274 MPa),但考慮到局部應(yīng)力過大會(huì)造成材料斷裂,熱處理過程中應(yīng)控制材料硬度在45~50 HRC之間。

圖8 彈性爪解鎖狀態(tài)彎曲變形

3 可溶性金屬材料應(yīng)用研究

目前國內(nèi)可溶金屬材料的研究尚處于開發(fā)階段,國外雖已出現(xiàn)較成熟的產(chǎn)品,但其核心技術(shù)尚處于保密階段。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料[12],在理論分析和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,工作筒選用了一種具有可溶特性的Mg-Al合金材料(見圖9a)。作為基體主要成分的Mg,電極電位低,形成腐蝕電池的陽極;作為晶界主要成分的Al、Zn、Co,其電極電位高于Mg,形成腐蝕電池的陰極。該材料密度為1.78 g/cm3,硬度70~74 HRB,屈服強(qiáng)度396 MPa,工作筒連接凹槽處最大橫截面積為3 409.5 mm2,求得最大抗拉載荷為1 063.7 kN,大于修井機(jī)最大提升載荷900.0 kN,滿足現(xiàn)場設(shè)備作業(yè)能力要求。

圖9 Mg-Al合金工作筒

Mg-Al合金在KCl溶液中的溶解速率如圖10所示。從圖10可以看出,在溫度80 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的KCl溶液中溶解速率為50~65 mg/(cm2·h),平均溶解速率為57 mg/(cm2·h),且隨時(shí)間推移溶解速率變化穩(wěn)定。按照該鎂鋁合金溶解速率,通過計(jì)算求得該工作筒薄弱點(diǎn)“連接凹槽”(見圖9b)處每小時(shí)溶解厚度為0.52 mm,薄弱點(diǎn)厚度9.80 mm,6.7 h后 “連接凹槽”剩余厚度6.30 mm,最大橫截面積為2 109.6 mm2,求得最大抗拉載荷為658.2 kN。18.8 h后,工作筒薄弱點(diǎn)完全溶解,實(shí)現(xiàn)應(yīng)急脫手。根據(jù)實(shí)際工況,通過改變工作筒“連接凹槽”厚度可以控制Mg-Al合金材料溶解時(shí)間,以達(dá)到不同的作業(yè)目的。

圖10 Mg-Al合金在KCl溶液中的溶解速率

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 送入工具的抗拉和抗壓試驗(yàn)

為測試送入工具的極限承載能力,確保作業(yè)安全,利用拉壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了相關(guān)功能測試,測試照片如圖11所示。將送入工具插入工作筒,上下兩端各連接一個(gè)試驗(yàn)接頭,按照50、100、150、200、500、600、700、800、900及1 100 kN,逐級提高測試力,觀察送入工具結(jié)構(gòu)變形情況,記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù),試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖11 送入工具抗拉和抗壓試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)束后,觀察彈性爪在拉壓載荷下的變形情況,未發(fā)現(xiàn)有明顯的變形,說明彈性爪性能穩(wěn)定。由表1可見,實(shí)際抗拉強(qiáng)度比計(jì)算值大,在最大測試?yán)? 150.0 kN時(shí),彈性爪未發(fā)生破壞,表明計(jì)算誤差在5.4%,考慮到設(shè)備測試能力及現(xiàn)場應(yīng)用情況,未進(jìn)行彈性爪極限抗拉破壞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,送入工具可以承受1 150.0 kN的拉伸載荷和510.0 kN的壓縮載荷。

表1 送入工具抗拉和抗壓試驗(yàn)數(shù)據(jù) kN

4.2 送入工具液壓脫手試驗(yàn)

為驗(yàn)證送入工具的液壓脫手功能,將送入工具緩慢推入工作筒,測得此時(shí)推入力為680.0~720.0 N,而理論計(jì)算值為656.0 N,實(shí)際推入值比理論計(jì)算值大,誤差為3.6%~9.7%。這是因?yàn)閺椥宰εc工作筒之間會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦力,造成送入工具推入力增大。將送入工具插入工作筒后,以10.0~20.0 kN的作用力下壓,確保工具連接到位,上、下兩端各連接一個(gè)試驗(yàn)接頭,通過加壓泵向送入工具緩慢加壓至24.0 MPa(剪切銷釘剪切壓力),穩(wěn)壓1 min之后泄壓。

液壓脫手試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)脫手壓力為24.0 MPa時(shí),彈性爪與工作筒可順利分離,彈性爪收回至外套內(nèi)(見圖12),未出現(xiàn)變形卡死現(xiàn)象,送入工具可順利退出工作筒,最大退出拉力為2.0 kN,沒有發(fā)現(xiàn)異常情況。彈性爪在拉伸載荷下無明顯變形或斷裂現(xiàn)象,證明該脫手機(jī)構(gòu)理論分析與熱處理硬度選擇合理,同時(shí)也表明該工具符合現(xiàn)場使用要求。

圖12 送入工具脫手試驗(yàn)

4.3 現(xiàn)場試驗(yàn)

送入工具在實(shí)驗(yàn)室功能性試驗(yàn)取得成功后,2020年6月在海上作業(yè)區(qū)塊成功完成了喇叭口扶正器丟手作業(yè),丟手作業(yè)管柱如圖13所示。目標(biāo)井基本情況如下:井身結(jié)構(gòu)為?762.0 mm(30 in)套管×106.5 m +?339.7 mm(13in)套管× 1 065.6 m+?244.5 mm(9in)套管×2 322.9 m+?177.8 mm(7 in)尾管,最大井斜58.3°,每30 m井段最大狗腿度3.85°。

由于落魚頂部工況復(fù)雜,直接下入小油管沖洗管柱對接落魚較為困難,決定采取下入喇叭口扶正器(導(dǎo)向)對接至落魚頂部,回收下入工具,然后下入?78.7 mm(3in)油管與70 m小油管至撈矛水眼下,進(jìn)行沖洗解堵作業(yè)。丟手洗井結(jié)構(gòu)如圖14所示。

1—小油管;2—喇叭口;3—落魚;4—?244.5封隔器;5—?177.8封隔器;6—XD滑套;7—?177.8封隔器。

本次丟手作業(yè)喇叭口扶正器送入正常,懸重?zé)o異常變化,工具送入到位后,井口投脫手鋼球緩慢加壓至25.0 MPa,穩(wěn)壓15 min后泄壓,上提管柱無過提顯示,上提3 m,緩慢加壓至30.5 MPa,剪切丟手球座,送入工具順利脫手,出井后彈性爪與滑塊結(jié)構(gòu)安全可靠,工具無損傷。

本次作業(yè)是該送入工具總成在渤海區(qū)塊的首次成功應(yīng)用,送入井深2 850 m,采用液壓脫手方式,脫手壓力25.0 MPa,球座剪切壓力30.5 MPa,成功完成喇叭口扶正器丟手作業(yè)。

5 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

(1)研制的新型送入工具結(jié)構(gòu)合理,性能可靠,解決了管柱下入過程中不能旋轉(zhuǎn)的問題,適用于尾管送入、儲(chǔ)層保護(hù)閥回接、水平井壓裂管柱送入及堵塞器投放等多種作業(yè)。

(2)工作筒采用CEM鎂鋁合金材料,可在設(shè)定時(shí)間自動(dòng)溶解,避免了后期磨銑修井作業(yè),提供了一種全新的送入工具脫手方案。

(3)對送入工具關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析,通過對彈性爪進(jìn)入工作筒、彈性爪送入及彈性爪解鎖3個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬,證明了該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

(4)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明,該送入工具總成在管柱遇阻時(shí)可提供扭矩,具備液壓、機(jī)械及自溶3種脫手方式,安全可靠,適用于多種井下管柱脫手作業(yè),具有標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)推廣價(jià)值,可有效降低作業(yè)成本。后期應(yīng)針對CEM鎂鋁合金材料在不同工況的溶解速率進(jìn)行深入研究,準(zhǔn)確控制分解時(shí)間,提高作業(yè)可靠性。

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