单弯螺杆钻具下入套管可行性分析

祝效华 高 原 刘少胡 许建民

（1.西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500；2.中国石油长城钻探工程有限公司，北京 100011）

弯外壳螺杆钻具下入井口段套管的过程中，由于钻具与套管环空空间较小，而螺杆钻具结构弯角较大，弯螺杆钻具初始下入困难。目前井队基本都未配备专用的压入装置，因此预先评估设计的弯壳体螺杆钻具组合的可下入性就非常重要。

弯外壳螺杆钻具能否顺利下入套管主要取决于钻具组合和井壁间摩擦力的大小。对于弯外壳螺杆钻具下入性研究，本质上是研究弯外壳螺杆钻具依靠自重在套管内的运动、受力与变形。采用有限元仿真技术，以1~2.75°共8种不同结构弯角的Ø172 mm单弯螺杆钻具下入Ø244 mm套管为例，分析了单弯螺杆钻具在下入套管时的应力分布规律及不同结构弯角大小对单弯螺杆钻具下入性的影响。

1 计算模型

1.1 单弯螺杆钻具结构

图1所示为单弯螺杆钻具的几何结构。L1为钻头到螺杆钻具壳体弯点的距离，L2为螺杆钻具壳体弯角到钻具组合顶部的距离。根据不同的造斜要求，结构弯角γ的大小可选择不同的数值。

图1 单弯螺杆钻具组合模型

1.2 有限元计算模型

单弯螺杆钻具下入套管前，套管轴线与Y轴重合，螺杆钻具结构弯角以上部分轴线平行于Y轴。钻头端面中点与套管中轴重合，见图2。

图2 单弯螺杆钻具组合下入套管前模型（部分）

1.3 单弯螺杆钻具下入性判断准则

自由状态的单弯螺杆钻具在下入套管时受到套管内径的限制会发生变形，变形产生的支反力和摩擦力可能导致下入困难。单弯螺杆钻具下入时应遵循下入准则和安全准则。

（1）下入准则。钻具组合依靠钻具本身自重应能够克服摩擦力下入套管。下入准则计算公式

式中，f为摩擦力，N；μ为摩擦因数；∑Fi为下部钻具与套管接触点处的接触力，N。该模型中摩擦因数选取0.25。

（2）安全准则。螺杆钻具组合的工作应力要小于许用应力，不会发生断裂破坏，满足钻具组合的后续作业要求。

2 实例计算及结果分析

分析中采用的钻具组合结构为：Ø216 mm钻头+Ø172 mm单弯螺杆马达+Ø216 mm扶正器+Ø165 mm钻铤+Ø165 mm浮阀接头+Ø165 mm挠性接头+（Ø165 mm震击器）+Ø127 mm加重钻杆，下入Ø244 mm套管。钻头到弯点距离L1为2330 mm，弯点到螺杆钻具组合顶部距离L2为27070 mm。单弯螺杆钻具结构弯角计算选取区间为：1~2.75°。

2.1 结构弯角对单弯螺杆钻具下入性影响

图3、图4为结构弯角1~2.75°的Ø172 mm单弯螺杆钻具下入Ø244 mm套管过程中产生的总支反力，即多个支点支反力绝对值的和。

图3 结构弯角为1~1.5°时的支反力

图4 结构弯角为1.75~2.75°时的支反力

由图3、图4可以看出：弯外壳螺杆钻具在下入套管过程中，总支反力的幅值是变化的，这与弯螺杆组合受迫状态和接触支点个数的变化密切相关，整个下入过程中的支反力峰值及弯螺杆组合重力的轴向分量决定了弯螺杆钻具组合能否顺利下入；总支反力峰值与结构弯角基本上呈正比关系。

根据ABAQUS仿真结果，结合图3、图4，当Ø172 mm螺杆弯角小于等于2.5°时，下入过程中弯螺杆组合重力的轴向分量始终大于总支反力形成的摩擦力，弯螺杆组合可以顺利下入；当螺杆弯角等于2.75°时弯螺杆组合支反力曲线在出现一个波动后趋于平直，此时只有部分弯螺杆组合下入套管，弯螺杆组合重力的有效轴向分量小于支反力形成的摩擦阻力，弯螺杆组合卡在井口，不能继续下入。不同结构弯角螺杆组合下入过程中的最大支反力和摩擦阻力见表1。

表1 不同弯角螺杆组合下入套管时的计算结果

2.2 应力分布规律

由仿真结果可知：单弯螺杆钻具通过套管时，螺杆钻具结构弯角壳体处的应力是整个螺杆钻具组合应力最高的地方，见图5。不同结构弯角螺杆组合下入过程中的最大应力见表1，由表1可知2.5°弯螺杆组合下入过程中的最大应力约为屈服强度的四分之一，从静力学的角度该组合是安全的。

图5 2.5°弯螺杆钻具结构弯角处应力云图

3 结论与认识

（1）研究表明，单弯螺杆钻具组合下入过程中的总支反力，摩擦力以及结构弯角处最大应力都随着螺杆钻具结构弯角的增大而增大。当结构弯角小于等于2.5°时，Ø172 mm单弯螺杆钻具可以依靠本身自重在Ø244 mm套管内顺利下入；当结构弯角等于2.75°时，螺杆钻具无法依靠自身重力顺利下入，需要附加外力强行将螺杆钻具压入套管。

（2）螺杆钻具常在大修后多次入井使用，壳体难免出现疲劳裂纹或材料退化，大角度的壳体在重复下井时应对其疲劳寿命进行预估，以减少壳体井下断裂机率，确保安全钻井。

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