Ø127mm钻杆防磨套设计及有限元力学分析

刘超平，陈森强

（1.新疆石油工程设计有限公司，新疆克拉玛依834000；2.中国石油西部钻探钻井工程技术研究院，新疆克拉玛依834000）

国内外钻具服务公司为了避免钻杆磨损，最初采取了钻杆接头敷焊硬质合金耐磨带的措施，但随着此类钻杆的广泛应用，发现这种方式存在较大弊端：虽然硬质合金耐磨带保护了钻杆，但对套管的磨损较大。尤其是在深井、超深井的钻探过程当中，由于地质情况复杂、钻井时间长等使得套管磨损严重，这一情况的发生和发展引发了严重的井下事故，造成了严重的经济损失。为了避免钻杆接头磨损套管，钻井研究人员及相关公司研制了一系列新型抗磨材料来替代硬质合金耐磨带[1-5]。其主要目的是利用新型材料和套管的减磨性来防止套管磨损，并降低扭矩，其主要特点有以下几方面：（1）对井下套管的磨损明显减小；（2）敷焊耐磨带没有龟裂现象；（3）对钻杆接头和套管同时起到保护作用；（4）能有效地延长钻杆寿命。

从套管磨损的模式研究可以看出，侧向力和井眼轨迹是引起套管磨损的主要因素，那么降低钻杆和套管之间的摩擦接触或摩擦系数是防止套管磨损的核心和关键。在井眼轨迹、井深、钻井周期、泥浆体系一定的情况下，研制套管减磨装置来降低钻杆和套管之间的摩擦接触或摩擦系数成为解决套管磨损的技术方案之一。

针对前面讨论的钻杆接头补焊耐磨合金带、加装钻杆胶皮护箍和分体式套管防磨衬套等防磨措施存在的不足，近些年许多工具公司开始研制钻柱式套管防磨装置，在钻井过程中可以将这种防磨装置直接连接在钻柱中，由于这种装置的外径大于钻杆接头一定的尺寸，可以在装置位置形成支撑，避免钻杆接头直接磨损套管，并通过外滑套和心轴间的轴承转动来防止套管磨损，并降低钻井扭矩。设计过程中可采用不同的轴承设计(滚动和滑动)，相应使用不同的润滑方式(开式和闭式)[6-11]。

1 防磨套工具设计

根据钻井施工过程中，井下工况复杂、工作时间长及国内具备的现有生产工艺技术水平、能力等综合条件考虑(生产螺杆钻具TC轴承工艺和胎体钻头烧结技术比较成熟)，防磨装置设计采用滑动摩擦副，开式润滑方式。

该装置主要由随钻柱一起转动的心轴，上、下挡环和外部相对不转动的旋转防磨套等部分组成，心轴和外部不旋转防磨套之间、外部不旋转防磨套和上、下挡环之间设计有轴承摩擦副。钻井过程中，根据井下工况选择合适的数量和安放位置连接在钻柱之中，钻柱和外部不旋转防磨套之间相互转动，外部不旋转防磨套和套管之间没有高速的相对转动，从而避免了钻柱旋转磨损套管；另外，由于轴承摩擦副的摩擦系数非常低，同时也大幅度地降低了钻井扭矩。

钻杆接头式旋转防磨装置示意图见图1。该工具主要由防磨本体、复合材料防磨套和挡圈组成。防磨本体两端分别为API螺纹,可连接在钻柱上。钻柱和防磨本体一起旋转,复合材料防磨套与防磨本体之间存在相对转动。

工作原理及技术参数：非旋转钻杆防磨套由本体、防磨套组件、防松顶块等部件组成（如图1所示），防磨套组件材料为较软的树脂复合材料。工具的本体，左端为公扣，右端为母扣，两端分别连接钻杆，本体中间部分加工有环形凹槽。防磨套组件为2个半环结构，将防磨套安装在本体凹槽位置，防磨套与本体之间有一定间隙，保证之间能够相对滑动，使用时，防磨套靠在套管内壁，相对静止不动，由于防磨套外径略大于钻杆接头的外径，这样起到支撑作用，而本体随着钻柱一起转动，避免了钻杆接头和套管直接接触。在常规钻井情况下，该结构将钻杆与套管的钢-钢硬摩擦变为与防护套与钻杆之间的软摩擦（防磨套不旋转），由于防磨套材料的摩擦系数和硬度远低于钢材，且具有良好的耐磨性，因此，使用这种钻杆防磨套可以大幅度降低钻杆和套管的磨损。防磨套组件外环上设计有钻井液流流动通道，钻井液可通过防磨套外流动，而不会出现井下钻井液流动不畅的情况。当防磨套组件损坏到一定程度时，可用新的防磨套组件更换替代，从而继续使用。该工具主要的技术参数如表1所示。

图1 防磨套结构示意图

表1 工具技术参数

2 有限元力学分析

钻井作业时，套管将不可避免地受到钻杆对套管柱内壁的摩擦作用，造成套管的磨损。一般对套管产生磨损作用的是钻杆接头和钻杆本体两部分，其中起着主要影响的是钻杆接头，而且接头与套管间接触正压力越大，对套管的磨损程度就越显著。为了研究钻杆安装防磨套后对套管产生的影响作用，需要对套管内壁未发生磨损、套管内壁发生偏磨、防磨套与套管内壁的相互作用以及防磨套组件与本体相互作用进行对比有限元力学分析。

2.1 套管未发生磨损

本文采用平面应变单元的力学模型来代替空间模型，可以大大减少计算工作量，又能通过加密网格保证计算精性。针对接触这样的复杂非线性问题，这一点显得更加重要。采用四分之一模型代替整个模型，对其进行了简化。套管内外均受力，内压力为套管内的液柱压力25MPa，外力为均匀的水平地应力45MPa。单元类型为CPEG4R，即4节点的双线性平面应变减缩积分单元。

图2 套管未发生磨损时的分析结果

从分析结果看出(图2)，在套管未发生磨损的情况下，套管在受内外压力作用下，产生的应力很均匀，不存在应力集中的地方。最大应力为241MPa,位于套管的内壁，对于常用的N80套管来说，屈服强度为550MPa，所以套管不会发生屈服变形和破坏。

2.2 套管发生偏磨情况

当钻杆接头和套管直接接触时，由于井眼轨迹的弯曲，钻柱的连续旋转会造成套管内壁发生偏磨，本文选择当偏磨量为1.5mm时进行研究，磨损形状为月牙形，施加的载荷与套管未发生磨损的情况相同。

从分析结果看出（图3），当套管内壁发生偏磨时，会在偏磨位置产生应力集中，最大应力为327MPa,在相同的载荷情况下，套管上产生的应力明显提高。此次只是选用偏磨量为1.5mm，当偏磨量继续增加时，最大等效应力值会变得更大。

2.3 防磨套与套管相互作用

钻杆连接上防磨套后，有前面工作原理所述，工具的防磨套组件会直接与套管内壁发生接触，能避免钻杆接头直接与套管内壁接触，而防磨套组件为较软的材料，从而有效地防止套管内壁的磨损。建立防磨套与套管相互作用的有限元模型时，为了简化模型，仅需要将单独的防磨套组件取出来，与套管进行作用分析。

建立的套管—防磨套模型，依然采用4节点双线型平面应变单元，在工作过程中，套管固定不动，防磨套的某一外侧区域压在套管的内壁上。

通过加载不同的压力来分析套管和防磨套之间的应力应变。如图4所示。

图3 套管发生偏磨时的分析结果

图4 不同压力下的套管磨损程度

通过3组不同数据：5MPa、10MPa、20MPa的分析，随着压力的增大，套管和防磨套之间的应力逐渐增大，但最大应力仍只有119MPa，比没有防磨套时的327MPa小很多（图4），因此，在钻井过程中，在钻杆和套管之间增加防磨套是非常有必要的。

2.4 防磨套组件与本体相互作用

防磨套工具在实际工作时，工具的本体是随着钻柱一起旋转，而防磨套组件是相对静止不动的。心轴本体是钻杆类的金属材料，防磨套组件为较软的复合树脂材料，在钻杆旋转过程中，本体也会对防磨套组件产生磨损，由此有必要对防磨套组件与心轴本体的相互作用进行有限元力学分析。防磨套与本体相互作用模型中，心轴本体以60RPM旋转。防磨套组件相对固定，心轴本体内承受10MPa的液压力。在模拟分析中，预先设置心轴本体和防磨套在某一区域接触。

图5 防磨套—本体的相互作用分析结果

从图5中看出，防磨套与本体之间最大的接触应力14.8MPa,防磨套上产生的等效应力为8.9MPa,在此情况下防磨套损坏的可能性很小。

3 结论

本文设计出一种新的尺寸为Ø127mm钻杆用防磨套工具，工具主要由防磨本体、复合材料防磨套和挡圈组成,该工具将钻杆与套管的钢—钢硬摩擦变为与防护套与钻杆之间的软摩擦。利用有限元软件分别对套管内壁未发生磨损、套管内壁发生偏磨、防磨套与套管内壁的相互作用以及防磨套组件与本体相互作用开展了力学分析，分析结果认为钻井过程中使用该防磨套能够有效地保护套管，避免过度磨损。

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