基于CAE/CFD技術的套管防磨工具優化設計

祝效華劉少胡石昌帥許建民

(1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(西南石油大學),四川成都 610500;2.西南石油大學機電工程學院,四川成都610500;3.中國石油長城鉆探工程有限公司,北京 100101)

?設備與工具?

基于CAE/CFD技術的套管防磨工具優化設計

祝效華1,2劉少胡2石昌帥2許建民3

(1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(西南石油大學),四川成都 610500;2.西南石油大學機電工程學院,四川成都610500;3.中國石油長城鉆探工程有限公司,北京 100101)

在深井和大位移井鉆進中,常常由于鉆井周期長及狗腿度嚴重等問題導致套管和鉆桿接頭嚴重磨損甚至磨穿,帶來安全隱患和巨大的經濟損失。針對現有套管防磨工具使用壽命短和壓耗大的問題,應用CAE和CFD技術分析了其過流壓耗及間歇碰撞滾滑狀態下的工作應力,提出了有針對性的改進措施,改進后結構的峰值工作應力和壓耗分別減小20.8%和17.3%,可磨損體積增大14.0%;對擋圈及鎖緊結構進行了優化設計,降低了其拆裝難度。優化后的防磨工具壓耗更小,可以有效減小套管和鉆桿的磨損。

CAE/CFD技術;套管;防磨工具;應力分析;流場;優化設計

深井和大位移井鉆井周期長,部分井段常常會出現嚴重狗腿度,因此套管和鉆桿在大的側向力及軸向拉力作用下形成間歇碰撞式滾滑接觸摩擦副,過流巖屑構成摩擦副間的“磨料”,若不采取相應的保護措施,套管和鉆桿接頭在長時間的摩擦作用下將嚴重磨損。套管磨損后整體強度降低,在復雜地質條件下極易過早擠毀和破漏,從而嚴重影響油井壽命和油氣開采效益[1-2]。接頭是鉆桿磨損的主要部位,鉆桿嚴重磨損后將降級使用或直接報廢。套管和鉆桿用量大,在建井成本中占有相當大的比重,因此研究高效的防磨技術措施具有積極意義。

目前,減磨和防磨技術措施主要有[3-8]:1)在鉆井液中加入潤滑添加劑;2)使用鉆柱接頭式旋轉防磨護套;3)使用鉆桿膠皮護箍;4)使用滾珠套式防磨工具;5)采用非旋轉防磨接頭;6)采用鉆桿接頭敷焊減磨合金帶技術;7)采用分體式套管防磨襯套。筆者以現場中使用效果較好的鉆柱接頭式旋轉防磨護套為研究對象,利用CAE和CFD技術,對其進行了進一步的優化設計。

1 工具結構及工作原理

鉆柱接頭式旋轉防磨護套三維示意圖見圖1。該工具主要由防磨本體、復合材料防磨套和擋圈組成。防磨本體兩端分別為API螺紋,可連接在鉆柱上。鉆柱和防磨本體一起旋轉,復合材料防磨套與防磨本體之間存在相對轉動。

圖1 鉆柱接頭式旋轉防磨護套三維示意

2 防磨護套結構應力分析與優化

旋轉防磨護套與鋼的摩擦系數小,對套管和鉆桿保護效果好。過流結構特征對防磨護套的使用壽命有較大影響,設計不當易導致防磨護套撕裂。筆者應用非線性CAE技術對其進行了轉動狀態下的碰摩分析,護套為大變形材料,分析時采用了Mooney-Rivlin模型[9]:

式中,W為應變能密度;Cij為Rivlin系數;I1、I2分別為第1、第2 Green應變不變量。

不同時刻,防磨護套與套管內壁的碰撞摩擦部位不同,取分析結果的峰值應力時刻(如圖2(a)所示),該時刻其最大應力為9.717 MPa,最大應力在防磨護套端部內表面三角形凹槽和外表面突出棱根部的連接區域,與防磨護套現場撕裂情況(見圖3)一致;此外,在外表面突出棱和軸向凹槽的過渡區也存在高應力。

圖2 改進前后防磨護套的應力云圖

圖3 改進前防磨護套撕裂實例

為減小防磨護套在碰摩過程中的峰值應力,采用有限元法進行了多次分析,最終提出如下改進措施:1)將防磨護套內表面的三角形凹槽改成半圓凹槽;2)增大外表面突出棱與軸向凹槽的圓弧過渡尺寸;3)減小防磨套最大外徑,同時對防磨套外表面凹槽的下部1/3段進行加厚。

改進方案的峰值應力如圖2(b)所示,其最大應力減小為7.699 MPa,減幅為20.8%,改進措施有效緩解了應力集中現象。改進前后防磨護套的可磨損體積分別為372 642.43 mm3和423 800.70 mm3,改進后增幅為14.0%。減小峰值應力和增大可磨損體積可以有效延長防磨護套的使用壽命。

3 防磨護套過流壓耗分析

在深井中使用防磨護套要求其過流壓耗越小越好。減小防磨護套外徑以及平滑處理突出棱和凹槽間的過渡區可以減小過流壓耗,根據該思路提出改進措施(同上節),選用RNGκ-ε湍流模型對改進前后的防磨護套進行流體動力學分析,控制方程[10]如下。

連續性方程:

運動方程:

動量方程:

RNGκ-ε方程:

邊界條件設置:防磨護套過流流場可視為不可壓縮湍流流場,入口流量取12 L/s,出口按相對壓力設定,取0 MPa,工具表面和井壁按固壁無滑移邊界條件處理。

改進前后防磨護套的壓力場云圖和速度場矢量圖分別見圖4和圖5。由圖4可知,改進前后過流壓耗分別為1.314×10-2MPa和1.086×10-2MPa,壓耗減小17.3%;由圖5可知,改進前后峰值速度分別為5.916 m/s和6.623 m/s,速度增幅為10.0%。通過流體動力學分析可知:1)改進后過流壓耗大幅度減小,有利于減小循環系統的壓力負荷,減小憋泵及循環管線刺漏的概率;2)過流峰值流速略有增大,這對防磨護套壽命有一定的負面影響,但該流速仍遠小于橡膠制品的臨界沖蝕流速(凈化鉆井液中該臨界值為45 m/s,未凈化鉆井液中該臨界值約為15～20 m/s)。

圖4 改進前后防磨護套流場壓力云圖

圖5 改進前后防磨護套流場速度矢量圖

4 擋圈結構及配套拆裝工具設計

防磨護套工作一段時間后,外徑磨小,防磨護套擋圈與井壁存在碰撞與摩擦,擋圈螺紋易粘扣,導致卸扣困難,現用擋圈如圖6(a)所示。

為避免粘扣和方便拆裝,對檔圈提出如下改進措施(見圖6(b)):1)將該連接螺紋改為梯形螺紋,梯形螺紋具有牙根強度高、對中性好及不易松動等特點;2)在擋圈下端開槽,設計了與該槽配合的拆裝套(見圖7)。使用改進后的擋圈結構和配套拆裝套可以有效避免擋圈粘扣,并可減少液壓大鉗拆卸過程中對工具本體和擋圈的損壞。

圖6 改進前后擋圈示意

圖7 擋圈拆裝套示意

5 結束語

應用CAE/CFD技術完成了接頭式旋轉防磨護套的力學分析和改進設計,改進后結構的峰值工作應力和過流壓耗分別減小20.8%和17.3%,可磨損體積增大14.0%?？梢?防磨護套改進后可有效減小套管和鉆桿的磨損。

[1] 關舒偉,李春福,李學藝,等.非均勻外擠壓力作用下內徑偏磨套管的應力分析[J].石油鉆探技術,2009,37(2):38-40.

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[3] 孟偉,楊玉坤,王寶新.鉆井配套技術在川東北的應用與實踐[M].北京:地質出版社,2007:144-154.

[4] 李克向,周煜輝,蘇義腦,等.國外大位移井鉆井技術[M].北京:石油工業出版社,1998:341-349.

[5] 韋忠良,孫金美.常規套管防磨器損壞原因分析研究[J].鉆采工藝,2009,32(1):68-70.

[6] 謝桂芳,高翔.深井套管防磨技術研究與應用[J].石油礦場機械,2008,37(2):69-74.

[7] 韓秀明,樊建春.鉆桿防磨技術的現狀和發展[J].石油礦場機械,2007,36(3):17-22.

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[審稿 吳姬昊]

Tool Optimization of Casing Antigalling Based on CAE/CFD Technology

Zhu Xiaohua1,2Liu Shaohu2Shi Changshuai2Xu Jianmin3
(1.State Key L aboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Ex ploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan,610500,China;2.College of Electromechanical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan,610500,China;3.Great Wall Drilling Company,CN PC, Beijing,100101,China)

During drilling deep wells and extended-reach wells,casing and drill string joint worn occursfrequently due to long drilling period and high dog leg severity,which brings high risks and economic loss.This paper used CAE &CFD technology to analyze flow pressure loss and working stress under intermittent collision and skid state,and proposed measures for improvement correspondingly.After the improvement,working stress and pressure loss of structures were reduced by 20.8%and 17.3%respectively,worn volume was raised by 14.0%.The optimized design of retainer ring and locking structure reduced the dismounting difficulty.The optimized tool has a lower pressure loss, and can effectively reduce abrasion of casing and drill pipe.

CAE/CFD technology;casing;preventing wear tools;stress analysis;flow field;optimizing design

book=2010,ebook=142

TE925+.2

A

1001-0890(2010)02-0058-04

2009-07-01;改回日期:2010-01-19

國家自然科學基金項目“空氣鉆井鉆具與井壁碰摩機理及量化評價方法研究”(編號:50804040)資助

祝效華(1978—),男,山東菏澤人,2000年畢業于西南石油學院機械制造專業,2005年獲西南石油大學機械設計及理論專業博士學位,副教授,主要從事桿管柱力學及井下工具等方面的科研工作。

聯系方式:(028)83035262,zxhth113@yahoo.com.cn