钻分级箍抗反扭矩工具的设计

刘玉洲，王方祥，李道松，刘康乐，李海涛

(中国石油集团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[1～7]。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，将分级箍内部的关闭塞、重力塞等钻磨掉[8～10]。钻头钻磨金属材质的关闭塞、重力塞时，入井管柱受到钻头的支反力，产生反向扭矩而反转，减小了传递到钻头的有效扭矩，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[11～13]。目前，井下作业的常规做法是采用管钳或缠悬绳将管柱固定，抵消钻进时的反向扭矩，但该方法存在安全隐患且效果不明显。为安全有效地解决钻分级箍时管柱反转的问题，笔者设计了一种操作简单的抗反扭矩工具，利用数值模拟方法对关键部件的结构进行了优选，并通过现场应用验证了工具设计的合理性和有效性。

1 抗反扭矩工具的总体结构

为防止入井管柱反转，在井口安装抗反扭矩工具，如图1所示。抗反扭矩工具主要包括工具支架、力臂环、工具短节和短节套，工具支架是由圆柱滑轨和半月形钢板底座(见图2)焊接而成，利用加强筋加固。力臂环与短节套通过六方钢柱焊接，组成抗反扭矩工具传递反向扭矩的桥梁。工具短节为多面柱体，与短节套的多面孔配合(见图3)，常用传递扭矩结构主要包括四方、六方、八方和花键结构。

图1 抗反扭矩工具及管柱结构示意图 图2 工具支架示意图

图3 六方配合力臂环与短节套示意图

抗反扭矩工具的工作原理如下：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250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。安装时，将工具短节连入钻分级箍管柱上，与之配合的短节套套入工具短节，同时将力臂环套入圆柱滑轨，并在工具短节的上端连接水龙带。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，如果产生反向扭矩，入井管柱和工具短节带动与之配合的短节套有反转的趋势，此时，短节套在力臂环和工具支架的限制下，反向扭矩传递至工具支架，而工具支架与自封封井器固定连接，从而有效抵抗反向扭矩的作用，防止入井管柱反向转动。力臂环在圆柱滑轨上随着钻头钻进向下滑动，不影响正常钻进过程。

2 工具短节结构优选

工具短节是抗反扭矩工具的关键部件，是井底反向扭矩与井口抵抗力的直接作用点，其刚度和强度条件直接影响了抗反扭矩工具的施工效果。工具短节的四方、六方、八方和花键结构如图4所示。由于工具短节不仅受到反向扭矩的作用，还受到工具内腔中高压流体的表面压力、入井管柱和吊卡的拉力，受力情况复杂，不适合利用解析法求解。所以，笔者采用数值模拟方法，以工具短节在反向扭矩作用下同时满足刚度和强度条件为原则，优选其结构。

2.1 物理模型

工具短节的物理模型建立时，忽略螺纹等对刚度、强度影响不大的因素。将入井管柱简化为长100mm、外径80mm的轴套，给工具短节施加反向扭矩。工具短节另一端施加固定约束，自由度为零，即为反扭矩工具对反向扭矩的抵抗作用，防止管柱反转。与∅2in油管连接，工具短节长度l为600mm，外接圆直径D为73mm，内径d为62mm。施加约束和载荷后建立的物理模型如图5所示。

由于工具短节与轴套均为规则的薄环形实体，因此采用扫掠网格法划分网格[14]，如图6所示。四方结构共划分36316个节点和10800个单元，六方结构共划分33822个节点和10380个单元，八方结构共划分42460个节点和13460个单元，花键结构共划分54944个节点和17400个单元。

2.2 计算条件

为模拟工具短节和轴套之间的接触，采用增强的拉格朗日方法控制两者间的互相穿透，保证求解结果的精确性。法向刚度设置为1，法向刚度因子设置为1，设置法向刚度在每次迭代求解后自动更新，以保证其收敛性。在模型中笛卡尔坐标系的基础上建立圆柱坐标系，并添加圆柱坐标系下的切向位移云图和等效应力云图等求解项，在ANSYS中进行求解。

图4 工具短节的结构 图5 物理模型

图6 工具短节网格划分图

2.3 结果分析

2.3.1 刚度条件

刚度计算即考察工具短节在扭矩作用下发生扭转变形的大小，以单位长度扭转角为判断标准。根据机械设计手册[15]，工具短节属于一般传动轴，选择其许用单位长度扭转角为1°。工具短节应满足刚度条件为：

(1)

式中：θ为单位长度扭转角，(°)；l为工具短节长度，m；γ为最大切向位移，m；D为外接圆直径，m;[θ]为许用单位长度扭转角，(°)。

通过数值模拟获得四方、六方、八方和花键结构工具短节的切向位移云图，如图7所示。由图7可见，四方结构工具短节的最大切向位移为1.194mm，通过式(1)计算得单位长度扭转角为1.87°，不满足刚度条件；六方结构工具短节的最大切向位移为0.357mm，通过式(1)计算得单位长度扭转角为0.56°，满足刚度条件；八方结构工具短节的最大切向位移为0.457mm，通过式(1)计算得单位长度扭转角为0.72°，满足刚度条件；花键结构工具短节的最大切向位移为0.387mm，通过式(1)计算得单位长度扭转角为0.61°，满足刚度条件。比较六方、八方和花键结构工具短节的单位长度扭转角可知，在工具短节的外接圆半径和长度相同的条件下，传递相同的扭矩时，六方结构工具短节的扭转变形最小，最安全可靠。

图7 工具短节切向位移云图

2.3.2 强度条件

工具短节的加工材料为45#钢，屈服强度为355MPa，安全系数取2，许用应力为177.5MPa。通过数值模拟获得工具短节的等效应力云图，如图8所示。取云图中最大等效应力与许用应力对比，若小于许用应力，则满足强度条件。

由图8可见，四方结构工具短节的最大等效应力为318.88MPa，不满足强度条件，不能满足设计安全需求；六方结构工具短节的最大等效应力为152.06MPa，八方结构工具短节的最大等效应力为170.67MPa，满足强度条件；花键结构工具短节的最大等效应力为254.72MPa，由于花键结构的外表面加工出多个沟槽，使得整体强度降低，最大等效应力增大，不能满足强度条件。由以上分析可知，六方结构和八方结构同时满足刚度条件和强度条件，但八方结构的单位长度扭转角和最大等效应力均大于六方结构，在传递相同的扭矩时八方结构更易发生扭转破坏和屈曲变形，并且在加工难度上讲，八方结构比六方结构更难加工，因此，确定工具短节为六方结构。

图8 工具短节等效应力云图

3 现场应用

该抗反扭矩工具在现场应用10余口井，现以2018年4月在大港油田羊1H11井的现场应用为例。大港油田羊1H11井使用∅139.7mm油层套管，造斜点898.57m，完钻井深1630m，水平段长163m，井斜角90°，分级箍所在井深1506m，长度0.84m。完井管柱结构自下而上为：∅139.7mm双阀式引鞋(1627m)+∅139.7mm短套管+∅139.7mm多功能洗井阀(1625m)+∅139.7mm精密复合滤砂管串(1623～1560m)+∅139.7mm短套管+∅139.7mm盲板(1521m)+∅139.7mm短套管+∅190mm裸眼封隔器2套(两端加∅210mm扶正器，1518～1509m)+∅139.7mm短套管+∅168mm分级箍(1506m)+∅139.7mm套管串(至井口)，见图9。

图9 完井管柱示意图 图10 螺杆钻具和六棱钻头 图11 现场应用

4 结论

1)设计了一种解决钻分级箍时管柱反转问题的抗反扭矩工具，通过工具短节与短节套的配合，在力臂环和工具支架的限制下，有效抵抗反向扭矩的作用，防止入井管柱反向转动。

2)以工具短节在反向扭矩作用下同时满足刚度和强度条件为原则，利用数值模拟方法优选工具短节为六方结构。

3)抗反扭矩工具结构简单、安全有效，现场应用中，可提高机械钻速126%，施工过程中无任何受力薄弱环节，彻底解决了钻分级箍时出现的管柱反转问题。