高效導向螺桿鉆具的研究與應用

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摘要：

在井眼軌跡控制過程中，進行滑動導向與復合鉆進時，利用常規(guī)導向螺桿會出現鉆頭加載困難以及形成螺旋井眼的問題，從而對井眼軌跡的控制效果產生影響。為解決該問題,以前用過寬帶的直棱和螺旋穩(wěn)定器,本文特針對導向螺桿的結構做了改進與創(chuàng)新，準備在螺桿鉆具驅動頭位置設計帶寬很窄螺旋穩(wěn)定器。本文就針對改進后的導向螺桿鉆具進行討論。   關鍵詞：導向螺桿；井眼軌跡控制；鉆具 一、高效導向螺桿鉆具     由于利用常規(guī)螺桿會出現鉆頭加載困難、形成螺旋井眼等問題，因此對其進行結構創(chuàng)新，即在螺桿鉆具驅動位置設計一種受螺桿鉆具驅動旋轉的窄帶螺旋穩(wěn)定器，其主要作用包括：首先，作為底部鉆具組合的近鉆頭支點，從而有效的提高BHA的滑動導向能力；其次，近鉆頭近滿眼設計可以修正井壁；最后，滑動導向鉆進過程中，近鉆頭穩(wěn)定器處于旋轉狀態(tài)，與常規(guī)的導向螺桿鉆具相比，近鉆頭穩(wěn)定器的滑動阻力更小，所以拖壓問題即可得到徹底解決。這種導向螺桿的結構變化使得鉆井過程中BHA的力學特征發(fā)生了改變。 二、高效導向螺桿鉆具的承載能力     改變了高效導向螺桿鉆具的結構，相應的就會改變鉆進過程中螺桿鉆具的受力特征。傳動軸是軸力與扭矩的核心承載部件，其有著十分復雜的受力特征，也是螺桿鉆具中最薄弱的環(huán)節(jié)，所以要對其強度特征做全面分析，并提出結構優(yōu)化方案。下面以172mm高效導向相鉆具為例進行分析。 （一）傳動軸強度的計算模型 下圖1為172mm高效導向螺桿鉆具的傳動軸結構參數與邊界條件：   圖中各段的長度分別如下： L0=500mm、L1=180 mm、L2=420 mm、L3=400 mm、L4=360 mm；傳動軸的外徑尺寸為80 mm?？梢酝ㄟ^ANSYS軟件進行螺桿鉆具幾何模型的建立，并劃分網格。鉆頭左端固定，傳動軸聯軸器部分鉸支，對Y方向的自由度加以約束。以螺桿鉆具軸向載荷傳遞特征為參照，將軸向均布載荷q加載于圖中所示臺階面上，再以傳動軸的工作原理為基礎，分別將徑向均布線載荷q1與q2施加于圖中軸上對應的位置，傳動軸右端施加扭矩。利用solid185—8節(jié)點實體單元劃分網格。3575個節(jié)點以及15853個四面體單元組成整個模型，傳動軸彈性模量：210 GPa；泊松比：0.25；密度：800 kg/m3。結合BHA的結構與實際工況將鉆頭側向力與扭矩計算出來，即可取得上文所提的分布載荷。 （二）傳動軸的應力計算與分析      通過ANSYS系統(tǒng)可以將傳動軸受到外載與約束作用狀態(tài)下的應力分布計算出來，從計算結果可知，最大應力值為434 MPa，發(fā)生在傳動軸過渡截面處。針對不同外徑計算其最大應力值，從計算結果可以得知，如果材質的條件不變，傳動軸的外徑越大，則作業(yè)的安全系數越高，如果把傳動軸的外徑由提高5mm，可以提升16%的承載能力，所以傳動軸外徑的取值為85mm。 三、近鉆頭穩(wěn)定器的結構設計與螺桿動力系統(tǒng)的優(yōu)化 （一）優(yōu)化近鉆頭穩(wěn)定器的結構     從某種意義上說，高效導向螺桿鉆具的應用效果由近鉆頭穩(wěn)定器的結構來決定，因此近鉆頭穩(wěn)定器要具備兩個條件，其一，穩(wěn)定器基于旋轉狀態(tài)的支點效應、穩(wěn)定性以及盡量低的額外扭矩；其二，要將巖屑及時排導出去。因此穩(wěn)定器利用螺桿過封閉扶正翼，旋轉一周可以保證支撐外徑的穩(wěn)定性，并且旋轉行進時也可以保持較好的穩(wěn)定性，額外扭矩最小。不同外徑相鉆具的扶正翼螺桿角與穩(wěn)定器整體泄流面積，可以通過計算鉆井液軸向流速與切向速度來確定。以前慣用的螺旋扶正器帶較寬，和井壁接觸多，所以磨擦阻力大，為些選用比常規(guī)小一倍的帶寬，這樣即起到扶正作用，又減少了扭矩的損失。 （二）優(yōu)化螺桿動力系統(tǒng)結構     改變高效導向螺桿鉆具的結構，就要求螺桿鉆具的動力輸出與使用壽命更高。具體而言，螺桿動力系統(tǒng)的結構優(yōu)化包括以下幾個方面：第一，采用等壁厚定子工藝，可以提高20%的輸出扭矩與功率；第二，轉子采用鍍鉻工藝，再與等壁厚定子相配合可以延長螺桿鉆具壽命；第三，利用球柱傳動密封萬向軸，串軸承壓力角設計為55°，可大幅提升軸向承載力；第四，長導程設計與單級導程的增加，可以有效提高輸出扭矩。 四、帶高效導向螺桿鉆具BHA導向力分析 （一）BHA結構與參數    下圖2為改進導向BHA結構：   采用高效導向螺桿鉆具可以將近鉆頭穩(wěn)定器和鉆頭端面的距離大大縮短，相應的BHA的導向特征也會發(fā)生改變。BHA的結構如下：215.9mm鉆頭、172mm高效導向螺桿鉆具、165mm鉆鋌、欠尺寸穩(wěn)定器等，上圖2中： L1：鉆頭端部與近鉆頭穩(wěn)定器支點的距離，為0.5m； L21：近鉆頭穩(wěn)定器支點與彎點距離，為1.8m； DS1：近鉆頭穩(wěn)定器的外徑，為214mm； DS2:上穩(wěn)定器外徑，為214mm； L2：上穩(wěn)定器支點與近鉆頭穩(wěn)定器支點距離，為16m； 鉆壓為120KN，鉆井液密度為1.02 g/cm3。 （二）參數影響規(guī)律 在結構參數不同、井眼軌跡條件不同的情況下，利用導向力計算軟件SABHA計算出對應的導向力特征。由計算結果可知，井斜角越大，滑動導向力與復合鉆井的導向力也會越大。由于與常規(guī)導向BHA相比，這兩種工況狀態(tài)下導向力有大幅提升，所以可以稱改進后的導向螺桿鉆具為高效導向螺桿鉆具。 各參數對導向力的影響規(guī)律可以總結如下：滑動導向鉆進時，導向為增斜力，并且上圖2中的L2越大，滑動導向就會隨著斜角的增加而增加；L2為18m時，上穩(wěn)定器支點與近鉆頭穩(wěn)定器支點的距離最優(yōu)，導向力最大。復合鉆進過程中，井斜角低于10°時，合導向力為降斜力；如果L2超出14m，井斜角大于10°，則導向力回歸增斜力，并且井斜角越大，導向力也越大；井斜角超出50°后，增斜力的變化逐漸平緩。此外，在井眼軌跡控制過程中，造斜鉆進與穩(wěn)斜鉆進需要使用同一套鉆具組合才可以有效提高鉆井的效率，所以選擇鉆具組合結構參數，要同時考慮滑動導向效果與復合鉆井導向效果。 參考文獻： [1] 王春陽，黃繼慶，陸天明，等．螺桿鉆具整機性能試驗研究［J］．鉆采工藝，2010(1) [2] 陳湖濱，劉同富，裴建忠，等．影響螺桿鉆具工作壽命的使用因素分析［J］．鉆采工藝，2009(1) [3] 狄勤豐．滑動式導向鉆具組合復合鉆井時導向力計算分析［J］．石油鉆采工藝，2007(1) [4] 張小柯，狄勤豐．鉆柱渦動時彎扭組合交變應力下的強度計算［J］．天然氣工業(yè)，2009(7)．