聂云飞，何育光，张 锐

（中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营257000）

II型钻柱式偏心微扩眼工具强度校核及现场应用研究

聂云飞，何育光，张 锐

（中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营257000）

采用有限元方法开展Ⅱ型钻柱式随钻微扩眼工具强度校核研究，采用有限软件分别对工具本体和刀翼进行强度校核，分析结果表明，所设计Ⅱ型钻柱式随钻微扩眼工具最大许用拉力6 525.4 kN，最大许用扭矩27 kN·m.最终制造工具样机并开展现场应用研究，所设计的Ⅱ型钻柱式随钻微扩眼工具有效地提高了应用井起下钻的通畅程度和电测、下套管作业一次成功率，节约钻井时间约200天，为我国石油行业随钻扩眼技术提供了有效的设备支持。

随钻扩眼；有限元；强度校核；现场应用

钻井过程中泥页岩吸水晶格增大导致的岩石膨胀及高渗透性的砂岩形成的厚泥饼导致的缩径等造成的井眼直径小于钻头直径，易导致起下钻困难、井眼漏失、划眼、卡钻等复杂钻井故障。扩眼技术在钻井作业中通常认为是一种非常规的钻井技术，在石油工业中常被采用解决复杂底层缩径卡钻等复杂情况[1]。其中随钻扩眼技术采用随钻扩眼工具和常规钻头，在全面钻进的同时扩大裸眼段尺寸，使其大于上部套管串内径的一种钻井技术，在处理井下复杂情况、降低钻井综合成本、提高建井质量和安全性等方面具有显著的优势，随钻扩眼工具也正逐渐成为一种重要的钻井配套工具[2-3]。

随钻扩眼钻井工具从结构上分为两大类，一是钻头型随钻扩眼工具，主要包括双心钻头（单独式偏心钻头）、双体式偏心钻头、近钻头随钻扩眼工具；二是具有独立结构的随钻扩眼工具，主要包括两类，即偏心结构和同心结构的随钻扩眼器[2]。2014年上半年，初步开展了相关研究工作，研制出了I型8-1/2″和9-1/2″井眼用钻柱式随钻微扩眼工具如图1所示，该工具具有微偏心结构，可接到钻柱中实现随钻微扩眼，工具具有上、下两组螺旋扩眼刀翼，下刀翼组负责钻进期间的随钻扩眼或下钻过程中的正划眼，上刀翼组负责起钻过程中的倒划眼[5]。

图1 I型钻柱式随钻微扩眼工具

研究课题组在I随钻微扩眼工具基础上借鉴双心钻头设计理论和流体动力学设计如图2所示具有微偏心（双心）结构的II型钻柱式随钻微扩眼工具[4]。

图2 II型钻柱式随钻微扩眼工具三维结构

为进一步确保II型钻柱式随钻微扩眼工具在井下工作时具有较高的强度，本文采用有限元方法开展II型钻柱式随钻微扩眼工具强度校核研究。同时为体现II型工具的现场应用效果，将工具投入实际生产中开展II型钻柱式随钻微扩眼工具现场应用研究，希望能为我国钻井随钻扩眼技术提供关键设备支持[6]。

1 强度校核

为保障随钻扩眼工具在井下工作时具有足够的强度，本节开展II型钻柱式随钻微扩眼工具强度校核研究。如图2所示II型钻柱式随钻微扩眼工具三维结构图，其接头部分外径为168mm，内径为85 mm，本体外径为150mm，内径为85 mm，其抗拉、抗扭强度薄弱位置在本体上。

1.1 本体抗拉、抗扭理论分析

工具采用40GrMnMo材料制造，其抗拉强度为980 MPa，屈服极限为785 MPa.最大抗扭为：

式中：Qb为本体许用抗扭强度（N·m）；σs为本体材料屈服极限（Pa）；IP为工具本体相对轴向的惯性矩（m4）；Rmax为本体外径（m）。

式中：Fm为本体许用拉力（N）；Am为截面积（m2）；σb为抗拉强度（MPa）.

从上面对微扩眼本体的抗拉抗扭强度计算可以看出，考虑安全系数其本体许用抗扭强度为186.7 kN·m，许用拉力为6 525.4 kN.

1.2 有限元强度校核

为进一步分析工具形状引起的应力集中和刀翼强度，采用有限元软件ABAQUS开展工具强度分析。

1.2.1 工具本体强度校核

为简化计算将如图3所示三维模型简化为如图4所示工具本体简化模型。模型中采用六面体C3D8R单元并以SWEEP网格划分方式进行划分，得到如图5所示有限元模型。

图3 三维模型

图4 工具本体简化模型

图5 有限元模型

图6 所示为施加的边界条件及载荷图，在母接头顶部及内部丝扣面设置为固支边界，在公接头外螺纹面设置与点RP-2的coupling全耦合，在点RP-2上直接施加拉力载荷和扭矩。拉力和扭矩大小为1.1节计算得到的允许值和。

图6 边界条件及施加载荷

图7 所示为拉力为6 525.4 kN时工具本体应力分布，由结果可知其最大Mises应力为792.6 MPa出现在内螺纹和外螺纹根处，满足强度要求。

图7 拉力6525.4 kN下工具本体应力分布图

图8所示为扭矩为186.7 kN·m下，工具本体应力分布。如图所示其最大Mise应力值为630.1 MPa，最大应力位于内外螺纹根部及接头过度区域，同时最大应力小于其屈服强度。综上微扩眼器本体设计强度符合设计要求。

图8 扭矩186.7 kN·m下工具本体应力分布图

1.2.2 刀翼有限元强度校核

构建如图9所示刀翼三维模型，对采用四面体网格划分方式并在齿部进行加密，同时采用二次缩减积分单元，得到如图10所示有限元模型。

图9 扩眼刀翼模型图

图10 有限元模型图

在模型上部端面施加固支边界条件，对于扭矩作用位置，假设其作用于两个主刀翼上，受力通过耦合分配到各作用齿上面，载荷及边界条件如图11所示。

图11 载荷及边界条件图

如图12所示为通过施加不同的扭矩，得到工具齿部受力的Mises应力云图，当扭矩为27 kN·m时，其应力值接近屈服强度，即27 kN·m为极限扭矩。

图12 刀翼受力分布图

最终于2015年1月初完成了4套工具样机，工具照片如图13所示。

图13 Ⅱ型微扩眼器实物图

2 现场应用研究

为验证新型微扩眼器的工作效果，自2014年底课题开题以来，累计应用628井次，有效地提高了应用井起下钻的通畅程度和电测、下套管作业一次成功，应用情况如下。

2.1 胜利应用情况

2015年，油田内部先后完成了201口井的现场试验，其中，胜利某钻井公司累计应用143口井，所有的井100%使用了微扩眼工具，表1给出了该公司技术部门的工具应用效果对比。

表1 工具应用效果对比

从表1难看出：使用微扩眼器井的比例2014年为69.69%，2015年达到了100%.电测一次成功率比2014年提高了2.36%，比2013年提高了6.62%.下套管遇阻井为零，而没有使用工具的2012年和2013年分别为3口井和2口井。2015年，143口井均达到了起下钻畅通的水平，而没有使用工具的2012年和2013年分别有16口井和9口井遭遇了起下钻困难问题。

此外，油田内部的其它钻井公司也不同程度地应用了微扩眼器，均取得了预期的效果。

2.2 胜利外部应用情况

2015年三季度，给胜利外部某公司供应两套311.2mm大尺寸工具，先在两口直井上进行了应用，主要为了解决该公司在曹妃甸地区二开裸眼起钻需要全程倒划眼的问题，工具在C6-4-4井首次应用，随后在K10-1-16井二次使用。

C6-4-4井三开入井，入井深度509 m三开钻进至1 100 m，平均机械钻速78.8 m/h，全程倒划眼起钻，后将扩眼器拆、甩继续三开钻进。从参数上看，微扩眼工具对机械钻速影响不大，在1 100m前该井为海水膨润土浆钻进，井径较大，因此在扩眼方面不容易比较。

K10-1-16井是一口评价井，该井完钻井深1 515 m，二开应用了钻柱式双心随钻微扩眼工具，自402m钻进至1 515m，钻遇地层为明化镇组、馆陶组（未穿），钻具组合。起钻难易程度对比如表2和表3所列。

表2 C6-4-4井与邻井起钻难易程度对比表

表3 K10-1-16井与邻井起钻难易程度对比表

测试过程中两口井与对比井所钻地层相同，钻井参数相近，钻井液性能相似。测试后发现钻柱式双心随钻微扩眼工具具有一定的扩径作用；与邻井对比，K10-1-16井减少二开井段起钻倒划眼效果明显，两口邻井倒划眼井段占全裸眼段的85%多，而使用工具的K10-1-16井倒划眼井段占全裸眼段的33%多一点；钻柱式双心随钻微扩眼工具在浅井钻进过程中对机械钻速影响不大。

综上所述，所研制两种结构型式分别适合软和中硬地层、自118 mm到311.2 mm等6种井眼常用尺寸的系列钻柱式随钻微扩眼工具，单只累计实际工作时间987 h，产品已达到工业化规模应用水平，自定型以来，先后推广应用到胜利及外部油田。累计应用628井次，有效地提高了应用井起下钻的通畅程度和电测、下套管作业一次成功率，节约钻井时间约200 d.

3 结束语

本文采用有限元方法开展Ⅱ型钻柱式随钻微扩眼工具校核研究，分析结果表明所设计Ⅱ型钻柱式随钻微扩眼工具最大许用拉力6 525.4 kN，最大许用扭矩27 kN·m.经现场应用研究，所设计Ⅱ型钻柱式随钻微扩眼工具有效地提高了应用井起下钻的通畅程度和电测、下套管作业一次成功率，为我国石油行业随钻扩眼技术提供了有效的设备支持。

[1]谢涛.随钻扩眼技术在垦利3-2油田的应用[J].石化技术，2016，23（6）：176-177.

[2]宋颐，夏宏南，徐超，等.随钻扩眼工具的研究与优化[J].装备制造技术，2012（8）：282-284.

[3]余荣华，袁鹏斌.随钻扩眼技术研究进展[J].石油机械，2016，44（8）：6-10.

[4]夏焱.随钻扩眼工具结构及与之相匹配的钻具组合设计方法研究[D].北京：中国石油大学，2007.

[5]马清明，王瑞和.随钻扩眼工具及技术研究[J].天然气工业，2006，26（3）：71-74.

[6]Sheshtawy A，Howell M.Cut costs with new BHA for re duced clearance casing programs[J].World Oil，1999（Dec）.

Strength Check and App lication Research of the TypeⅡReam ing While Drilling Tool

NIE Yun-fei，HE Yu-guang，ZHANG Rui
（Drilling Technology Research Iinstitute of Sinopec Victory Petroleum Engineering，Dongying Shandong 257000，China）

Strength check of typeⅡreaming while drilling tool is researched by finite elementmethod in this paper.The model of body and blade is built by the FEM software and the strength of them are checked respectively. The results indicate that themaximum allowable tension is 6525.4kN and the maximum allowable torque is 27kN· m.Finally，the prototype of the tool is fabricated and tested in the drilling field.It indicates that the designed tool can effectively improve the unobstructed degree of trip and the success rate of electrical logging and runing casing，which provides equipment support for while drilling technique of oil industry.

reaming while drilling；finite elementmethod；strength check；field application

TH124

A

1672-545X（2017）04-0001-04

2017-01-02

国家重大专项（编号：2016ZX05021005-003）

作者介绍：聂云飞（1975-），男，山东广饶人，硕士研究生，高级工程师，主要从事钻井井下工具相关研究工作。