全系列钻杆用随钻剪销过滤器设计及试验

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452)

图1 常规的井下泥浆过滤器

笔者设计了2种泥浆过滤器，对其结构原理进行阐述。通过对比分析，优选设计方案。对随钻剪销过滤器的外筒、剪切销钉进行结构设计和计算，分析工具的压降。研究结果有利于指导随钻剪销过滤器的设计与研究，推动其在钻井作业中应用。

1 结构及原理

1.1 固定式过滤器

固定式过滤器的结构如图2所示，主要由双公接头、垫环、密封垫、外筒、过滤筒及底座组成。垫环、密封垫过滤筒及底座位于外筒之内；密封垫和底座与过滤筒之间采用螺纹连接，双公接头和垫环限制过滤筒轴向移动。当井下精密仪器需要对泥浆进行过滤时，在井口将固定式过滤器安装在钻柱中，无需工人爬二楼台，降低了工人劳动强度并确保钻井安全。钻井液沿着箭头方向，从双公接头流向过滤筒，泥浆有害固相留在过滤筒内，其余从过滤孔流向外筒与过滤筒形成的环空，继而流出。

图2 固定式过滤器结构示意

1.2 随钻剪销过滤器

随钻剪销过滤器的结构如图3所示，主要包括外筒和过滤器总成2个部分。过滤器总成安装在外筒内部，其由卡簧、剪切销钉、挂套、限位套及过滤筒组成。过滤筒和挂套之间通过剪切销钉连接，孔用弹性挡圈和限位套共同配合限制挂套的轴向位移。外筒上下端设有螺纹，与钻杆连接。

正常钻井时，泥浆中有害固相被随钻剪销过滤器中过滤筒过滤，从而保证了井下精密仪器的安全稳定工作，满足海上作业需求。随着钻井时间往后推移，随钻剪销过滤器中过滤体内部有害固相持续堆积，当泥浆中有害固相填满整个过滤筒后，流道会变窄，泵压会变高，造成随钻剪销过滤器中压力增加。随着压力持续增加，剪切销钉被剪断，从而使得过滤筒(如图4)向下移动。此时，过滤筒和筒体之间的环空增加，泥浆从过滤体上部泄压孔处流至环空，确保泵压稳定，保证井下工具作业安全稳定。随钻剪销过滤器可以提前连接在钻杆上，不需安排专人到二层台值班，可以减轻工人工作强度。

图3 随钻剪销过滤器结构示意[5]

图4 随钻剪销过滤器剪切状态

1.3 对比分析

对比2种过滤器可知：固定式过滤器可以降低工人劳动强度，但过滤能力有限，当过滤量过大，容易堵钻杆流道，从而造成井下安全事故；随钻剪销过滤器是在固定式过滤器基础上加一个环空旁通，当过滤的固相累积量大时，剪切销钉被剪断，过滤筒下移，环空流道还可以流通，钻杆流道不易堵塞。本文选用随钻剪销过滤器，对其进行结构设计和计算，并进行试验分析。

2 随钻剪销过滤器技术参数及特点

表1 随钻剪销过滤器技术参数

随钻剪销过滤器的技术特点:

1) 滤除泥浆中有害固相，保证井下精密仪器的安全稳定，满足海上作业需求。

2) 降低井架工的工作强度，减少不必要的作业程序。

3) 随钻剪销过滤器外筒内壁采用等离子喷涂陶瓷涂层(Al2O3-TiO2)[6-9]，提高其耐冲蚀性能及密封性能。

4) 有害固相收满后，剪切销钉达到设定载荷值而自动剪断，形成环空，不易堵钻杆，减少起下钻趟数。

5) 根据现场情况，钻柱中可以加多个随钻剪销过滤器，并通过设置过滤筒空隙大小，梯度配置随钻剪销过滤器，以期达到最佳效果。

6) 随钻剪销过滤器在钻柱中的位置多变，可以满足多种作业要求。

3 关键零件设计及分析

3.1 外筒结构设计及分析

不论直井还是复杂结构井，钻柱将承受轴向力、转矩及弯矩等载荷[10-11]。随钻剪销过滤器作为钻柱的一部分，受力和钻柱基本相同。通过分析可知，随钻剪销过滤器最薄弱部分为外筒壁厚最小处。由文献[12]知，最大拉/压力计算式为：

F=σsA

(1)

式中：F为最大拉/压力，N；σs为材料的屈服强度，MPa ；A是工具横截面积，mm2。

最大转矩计算式为：

T=τW

(2)

式中：T为转矩值，N·m；τ为许用剪切应力，MPa ；W为抗弯截面系数，与钻柱的截面形状和尺寸相关。

圆环的抗弯截面系数计算式为：

(3)

式中：D为圆环截面外径，mm ；d为截面处内径，mm。

通常，井下工具的材料为40CrMnMo/4145H ,其力抗拉强度为965 MPa,屈服强度为785 MPa。以203.2 mm规格随钻剪销过滤器为例，经过计算，其可承受的最大拉力为8 500 kN，最大转矩8 000 kN·m。查阅海洋石油钻井手册[13]，对比139.7 mm(5英寸)钻杆的抗拉抗扭性能参数可知，该随钻剪销过滤器的外筒强度满足设计要求。

3.2 剪切销钉设计及分析

随钻剪销过滤器是在固定式过滤器基础上改进而来，剪切销钉的剪切力大小决定着该工具的使用性能，剪切力太大，则如同固定式过滤器，剪切力太小，则过滤不干净。因此，剪切销钉的计算尤为重要。查阅文献[12]，工具承受的最大压力计算式为：

Fs=pA

(4)

式中：Fs为工具承受的最大压力，N；p为钻井液压力，MPa。

剪切销钉的截面积计算式为：

(5)

式中：A1为剪切销钉截面积，mm2；τ1为材料的许用剪切应力，MPa。

剪切销钉的直径计算式为：

(6)

式中：d为剪切销钉的直径，mm。

由表1知，203.2 mm规格随钻剪销过滤器的销钉在压差为2～3 MPa时被剪断，设计计算时取压差为3 MPa。由图5可知，过滤筒内径为76 mm，选取剪切销钉的材料为黄铜，材料的剪切强度为330 MPa。通过式(4)、(5)及(6)计算，可得知剪切销钉直径为7.24 mm。为了便于加工和装配，本文选取2个直径为3.5 mm的黄铜剪切销钉，对称装配。

3.3 工具压降计算及分析

在满足钻井功能前提下，井下钻柱越简单越好。当井下精密仪器对泥浆固相含量有要求时，就必须安装泥浆过滤器。对于深井，为了返屑和井下安全，钻柱中辅助工具的压降最好为零。因此，有必要计算该工具的压降。

图5 随钻剪销过滤器局部放大图

查阅文献[14]，随钻剪切过滤器的压降计算为：

(7)

式中：pb为工具压降，MPa；ρ为泥浆密度，g/cm3；Q为排量，L/s；C为流量系数，无因次,取C=0.95～0.98；de为当量直径，mm。

当量直径计算式为：

(8)

式中：dn为孔的直径，mm。

渤海油田常见钻遇的地层自上而下有：第四系平原组、新近系明化镇组和馆陶组、古近系东营组和沙河街组[15]。目前，在钻沙河街组时泥浆密度为1.40～1.42 g/cm3，采用215.9 mm(8英寸)井眼完钻，排量50～60 L/s。为了计算该工具的最大压降，取泥浆的密度为1.42 g/cm3，排量为60 L/s，C为0.98,6个ø30 mm的孔。通过式(7)和(8)计算，可得随钻剪销过滤器的压降为0.1 MPa，故对返屑影响不大，可以忽略不计。

4 模拟井试验

4.1 试验条件

为了验证剪切销钉设计的剪切力值，在中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司的试验井场JJSY-4井对随钻剪销过滤器进行销钉剪切力试验，试验器材主要有ZJ50DBS钻机、井场设备、棉纱等杂物、随钻剪销过滤器、变扣及水等。泥浆泵的缸套尺寸为165.1 mm，每冲的液量为19.58 L，通过增加泵的冲次来增加泵压。

4.2 试验过程

试验钻柱组合：203.2 mm规格随钻剪销过滤器(其过滤筒内塞棉纱布，如图6)+变扣(631×410)+短钻杆。短钻杆与顶驱连接，泵的冲次增加到20 min-1，有清水返出，泵压为0；泵的冲次由20 min-1增加至90 min-1，泵压仍无明显变化，仍有清水返出。停泵，卸开顶驱与短钻杆，继续向随钻剪销过滤器中添加棉纱布等杂物，然后继续接顶驱进行试验。第2次开泵，逐步增加泵的冲次，冲次增加到100 min-1时，泵压出现轻微波动，继续增加泵的冲次，泵压增加至2 MPa后回落。继续增加泵的冲次到130 min-1时，泵压增加到3 MPa。再继续增加泵的冲次到140 min-1，泵压突然降为0，并有清水返出。

图6 随钻剪销过滤器过滤筒塞棉纱布情况

4.3 结果分析

试验结束后，拆开随钻剪销过滤器，其过滤筒内部被棉纱布等杂物堵满，剪切销钉被剪断，如图7所示。第1次试验未成功，主要是棉纱布太少，无法堆满过滤筒。第2次试验，剪切销钉在泵压3 MPa时断裂，从而证实了剪切销钉设计的合理性。

图7 试验后的随钻剪销过滤器过滤筒

5 现场试验

随钻剪销过滤器于2020年在渤海油田BZ34-9区块试用4井次，现场使用效果非常好。现场统计数据如表2。

表2 随钻剪销过滤器的现场试验数据

由表2可知，虽然随钻剪销过滤器在使用过程中剪切销钉都未剪断，但钻进过程中，井下精密仪器信号非常好；以A8井为例，总计漏失泥浆2 400 m3，钻进过程多次进行堵漏作业，堵漏浆颗粒非常大(棉籽壳)，多次出现堵塞马达和井下精密仪器情况，耽误钻井工期20 d。此后，在钻柱组合中连接随钻剪销过滤器，有效解决堵钻柱水眼问题。起钻检查马达和井下精密仪器，都十分干净。检查随钻剪销过滤器，在过滤筒中有很多堵漏颗粒和有害固相。

6 结论

1) 针对井下精密仪器对泥浆固相含量要求非常高，而常规扣型钻杆需工人从二层台安装泥浆过滤器和非常规扣型钻杆无位置安装泥浆过滤器的问题，研发了一种随钻剪销过滤器，不仅能满足所有新旧钻井平台要求，而且降低井架工劳动强度。

2) 对随钻剪销过滤器的外筒、剪切销钉进行结构设计和计算，并分析工具的压降。203.2 mm规格的随钻剪销过滤器，外筒的抗拉和抗扭强度远高于139.7 mm(5英寸)钻杆的强度，其剪切销钉在压降为3 MPa时被剪断；165.1 mm规格随钻剪销过滤器，其剪切销钉在压降为2 MPa时被剪断； 88.9 mm规格随钻剪销过滤器，其剪切销钉在压降为1 MPa时被剪断。该工具的压降几乎可以忽略不计。

3) 现场应用4井次，随钻剪销过滤器能有效过滤泥浆中的有害固相，避免了钻井马达和精密仪器被泥浆中的固相堵塞，减少了起下钻作业，保证了海洋石油钻井安全和钻井时效。该工具具有先进性和良好的市场推广价值。