新型液压滑套式随钻安全接头的研制.pdf

第 3 O卷第 2期 钻井工程 。 新型液压滑套式 随钻 安全接 头的研制 陈颖杰 罗俊 丰 曾 欣。 张 杰。 袁建 波 魏 武 许期聪 1 ． 中国石油大学 北京 2 ． 中海石油深圳 分公 司钻井部3 ． 西南石油大学4 ． 中国石油天然气集 团公司川庆钻探工程公司 陈颖杰等． 新型液压滑套式随钻 安全接 头的研 制． 天然气工业， 2 0 1 0 ， 3 0 2 9 1 9 3 ． 摘 要 海洋深水钻 井具有高风 险、 高投 资和 高技 术的特 点， 一旦发生井下钻井事故， 则损失 巨大 ， 如何迅速解 除卡 钻事故， 降低 钻井风险和事故损 失是 当前钻 井工作 的当务之 急。在对钻 井事故处理不 断探 索和总结 的基础 上， 针对 现有 倒扣式和剪断式安全接 头结构上 的局 限性和缺 陷， 研 制出 了一种 能很 好地 处理 井下卡钻事故 的新型 随钻 安全接 头。其 工作原理 为 在正常钻井作 业中， 它连接在钻 具易卡部 分 的上 端， 当遇卡钻 事故 时， 停钻 、 停泵 ， 拆 下 回压 凡尔 以上工具 钻具 内水眼需畅通 向钻具 内投入钢球 ， 按上 方钻杆 ， 开泵憋压使钢球入座滑套上端； 由于泵压 的上升 ， 推 动 中心滑套 剪 断定压定位螺钉 ， 使 中心滑套上 月牙键脱 离键槽 ； 当泵压下 降后停泵 ， 然后正转钻具 ， 使 上下反扣接头处分开 ， 提 升、 取 出 钻具 ； 然后再进行下一步套铣 、 打捞工作。对该工具进 行 了详细的强度分析 计算， 室 内试验和 在渤 中 3 4 5油 田的 两 口 井中使用表 明， 该 安全接 头具有 安全 可靠、 操作简单、 处理事故快等特点。 关 键 词 深 井 超 深 井 卡 钻 随 钻 安 全 接 头 强 度 深 水 钻 井 D0I 1 0 ． 3 7 8 7 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 0 9 7 6 ． 2 0 1 0 ． 0 2 ． 0 2 4 O 引言 随着 世界各 国对 能 源 的需 求 ， 进 军 海 洋 深水 已经 成为全球油气资源开发 的战略制高点l 】 ] 。但是 ， 目前 海洋 深水钻 井技 术是制 约我 国深海 油气 勘探 开发 的主 要 因素 ， 主要 是 因为海洋 深水 钻井 的 高技 术 、 高风 险和 高投 资的 限制 ， 半 潜式钻 井平 台 的平 均 日费从 2 0 0 5年 4 月 的 1 1 ． 6 5万美 元 上 涨 到 2 0 0 8年 4月 的 3 1 ． 1 1万 美元 ， 最 高 达 5 O万 美 元 l_ 2 ] 。从 Hu s k y能 源公 司在 我 国南海 L W3 1的深水气 田钻井 表明平均 日费均在 9 0 万 美元 以上 ， 如 果一 旦 发生 井 下 卡 钻事 故 而 又 能有 效 迅 速地处 理 的话 ， 将 会带来 巨大 的损失 ， 而 且有 时候 又 受 到台风 的威胁 ， 要求 必须 能够迅 速处 理事 故 ， 及 时撤 离 。我们 知道严 重 的卡 钻 事故 其 处 理 程序 ， 一般 都 需 经 历通井 、 套铣 、 倒扣 三道环 节 ， 即用反 扣钻杆 倒扣 、 通 井 、 套 铣等 ] 。处理 时 间 短 则～ 个 月 ， 长 则 可 达 一 年 乃至更 长 ， 费用少 则几 十万元 ， 多则 数百 万元 。更有 严 重者 可导致 该 井 报 废 ， 其 损 失 更 大 ， 1 9 9 7年 埃 克 森 石 油公 司在美 国墨西 哥湾 深水钻 井 时就发生 过 因卡钻 不 能有 效地处 理 而不 得不 侧 钻 的事 故 。 因此 ， 探 寻迅 速 解 除 卡钻事 故 ， 降低事 故损 失 ， 是 深水钻 井工 作者 的 当 务 之 急 ， 其发 展趋 势就 是 不 断 研 制 和完 善 更加 经济 合 理 ， 更加 科学 的先 进 工 具 。笔 者在 对 钻 井 事故 处 理 不 断 探索 和总 结 的基 础上 ， 根据 钻井 卡钻 特点 ， 研 制 了一 种 能很好 地 处理卡 钻事 故 的新 型液 压滑 套式 随钻安 全 接 头 ， 其 在未来 的深 水钻 井 中应用 前景 十分广 阔 。 新型安全接头工作原理 常用 的安 全接头 有剪 钉式 和反扣 式两 种_ 3 ] 。剪钉 式安 全接头 结构 简单 、 剪切 力 可控 ， 使 用 时因下 管柱过 程 中的顿钻 、 溜钻等原因产生 的纵向振动往往使得它 在 下人 管柱 中途 断开 ； 若 剪 钉 过 多 又会 在 后 续 的打 捞 作 业 中不起 作用 。因此 ， 效果 不 理 想 。反 扣 式安 全 接 头局限性在 于 当管柱被沉砂 固住 ， 封 隔器不能解封 时 ， 管柱不能转动 ， 安全接头也就不能发挥作用 。为了 解 决常规 安全 接头 的 不 可靠 问题 ， 研 制 新 型 随钻 安 全 接 头是 十分必 要 的 。新 型 随钻 安 全 接头 如 图 1所示 ， 它主 要 由上 、 下 接头 、 滑套 、 销 钉 和 钢球 组成 ， 上 、 下接 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 编号 5 0 6 0 4 0 2 2 。 作者 简介 陈颖杰 ， 1 9 8 4年生 ， 硕士研究生 ； 主要 从事油气井 岩石 力学方 面的研究 工作 。地址 1 0 2 2 4 9 北京 市 昌平 区府学 路 1 8号中国石油大学石油天然气工程学院研 0 9级油气井 1班 。电话 1 5 2 1 0 8 7 6 5 4 2 。E ma i l c h e n y i n g j i e 1 2 6 ． c o rn 9 2 天然气工业 2 0 1 0 年 2 月 图 1 新型 随钻安全接头结构 图 头为反扣连结。其工作原理为 在正常钻井作业中， 它 连结在钻具的易卡部分 的上端 ， 当遇卡钻事故时， 停 钻 、 停 泵 ， 拆 下 回压 凡尔 以上工具 钻具 内水 眼需 畅通 向钻具 内投入钢球 ， 接上方钻杆 ， 开泵憋压使钢球入座 滑套 上端 ， 由于泵 压 的上 升 ， 推 动 中心滑套 剪断定 压定 位螺钉， 使中心滑套上月牙键脱离键槽 ， 当泵压下降后 停泵 ， 然后 正转钻 具 ， 使 上下 反扣接 头处分 开 ， 提 升 、 取 出钻具 。再进行下一步套铣、 打捞工作。在钻井过程 中 ， 一 旦发 生活动 钻具无 法解 除的卡 钻事故 ， 可利 用该 产 品的独特 优势 ， 迅速从 卡点处 将卡 点上部 钻具倒 出， 降低钻井风险， 缩短事故处理的时间， 从而提高钻井时 效 ， 节约钻 井成本 。 2 安全接头强度分析 2 ． 1 有 限元模 型的建 立 分析 中使用的软件为有限元前后处理软件 MS C ． P a t r a n 、 Me n t a t ， 有限元 计算分 析软件 MAR C。P a t r a n 及 Me n t a t 主要用于建立有 限元分析模型并进行后处 理 ， MAR C进行计算分析。结构全部采用 8节点 6面 体单元进行计算 。 分 析结构 为 随钻安 全 接 头 的 中轴 受剪 模 型 ， 分两 种几何模型分别分析 ， 以讨论模型受剪 的最优方式 ①上下滑键非对称模型， 扭矩通过外套传给上滑键端 部 ； ②上 下滑键 对称 模 型 ， 扭矩 通 过 8个 销 孔 施加 ， 分 别见如 图 2 、 3 。 计算 中采用两种材料 ， 材料参数见表 1 。上下滑 键非对称模型仅用材料 1计算 ； 上下滑键对称模型则 分别用两种材料计算 。对应材料 1 、 2 分别标记为模型 1和模型 2 。 计算中考虑了材料的硬化行为 ， 其硬化率为 t a n l一 1 2 5 0 ； t a n 2 2 0 7 1 U 2 ． 2结果 分析 表 2给出 了两 种模 型 的主要 结果 数据 。从表 2中 可以看出 对于上下滑键非对称模 型， 其高应力主要集 图 2上下滑键 不对称模型网格图 图 3上下滑键对称模型网格图 表 1 计算模型材料参数表 注 E为弹性模量； 为泊松 比； 为强度极 限； 为屈服强度 ； 为 延伸率 。 中在上滑键与外套的连接处， 轴上最大应力只有 3 8 9 ． 4 MP a ， 远没有达到受剪轴的承载极限， 而外套和上滑键 的连接处其局部应力均已超过材料的极 限承载能力。 也即是说， 外套和上滑键 已经破坏 ， 整个结构 已经失 效 ， 而此时受剪轴还处于完全弹性状态 ， 整个结构的应 力和变形很不协调 ； 对于上下滑键对称模型， 由于材料 选取的不同， 导致两种模型的应力值差别较大， 模型 2 的材料屈服应力高 ， 得到的应力分布结果也较大； 但是 其应力分布无明显差别 ， 中轴的受剪效果均很明显。 第 3 O 卷第 2 期 钻井工程 表 2计 算 结 果 表 图 4和 图 5给 出 了两 种模 型轴 向位 移分 布 图 ， 从 图中可 以看 出 对称结 构 的 中轴受 剪 效 果 明 显优 于非 对称 结构 ， 各部 分位移 分布也 更合 理 ， 在 随钻 安全 接头 的设 计 中宜 用对称 结构 。 图 4 非对称模型轴位移分布图 注 放大 6倍 ， 单位为 mm 图 5对称模型轴位移分布图 注 放大 6 倍 ， 单位为 mm 3 安全接 头主要技术参数 基 于 以上分析 ， 我 们 研 制 了 两种 型 号 的新 型 液 压 滑套式随钻安全接头 A J 1 2 7和 AJ 1 4 0 ， 其技术参数见 表 3 。 表 3新型液压 滑套式随钻安全接 头主要技术参数表 4 结 论 研 制 了一种新 型 液 压 滑套 式 随 钻 安 全接 头 ， 该 安 全接头结构合理、 安装方便 、 操作简单、 安全可靠， 可更 加快 速有 效地 处理 卡 钻事 故 ， 能够 满 足 海 洋钻 井 的 要 求 ， 在渤中 3 4 5 油 田的两 口井使用中都得到 了很好的 效果 ， 在未 来 的深水 钻井 中应用 前景 十分广 阔。 参 考 文 献 [ 1 ]P E TT I NG I L L H S ，WE I ME R P ，HE NRY S P，e t a 1 ． W or 1 d wi de de e p wa t e r e xp l or a t i o n a nd pr o du c t i onpa s t ， p r e s e n t a n d f u t u r e E M] ． Of f s h o r e Te c h n o l o g y C o n f e r e n c e ， 0TC1 4 02 4 ． [ 2 ]HAR D I NG，B AR R Y W． 1 9 9 9 w o r l d wi d e s u r v e y o f d e e p w a t e r d r i l l i n g r i g s E J ． O f f s h o r e Ma g a z i n e ， J u l y ， 1 9 9 9 ． E 3 ]程桂华 ， 李 升高 ， 潘红 政 ， 等． 新型 安全 接头 的研制 与应 用 [ J ] ． 石 油钻探技术 ， 2 0 0 1 ， 2 9 2 6 7 7 1 ． [ 4 3刘景三 ， 徐孟策． 侧钻井作业施 工及井下事故的处理 [ J ] ． 钻 采工艺 ， 2 0 0 2 ， 2 5 9 9 1 0 1 ． 收稿 日期2 0 0 9 0 9 1 7 编辑钟水清 3 O 7 4 8 6 4 3 2 1 加 孙 2 l 1 1 1 l 9 7 6 4 2 7 4 2 9 6 3 1 l 4 7 5 叭 2 2 2 ●●7 5 2 2