球掛式液壓丟手工具失效原因及解決措施

1、球掛式液壓丟手工具失效原因及解決措施 鄭瑞強(qiáng)(大慶鉆探工程公司 鉆井工程技術(shù)研究院,黑龍江 大慶 163413摘要 :球掛式液壓丟手工具通過(guò)憋壓的方式進(jìn)行丟手, 在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)了懸掛鋼 球卡死,丟手失敗的問(wèn)題。本文通過(guò)受力分析找到了其失敗的原因并提出了兩套解決方案, 分別是增加懸掛鋼球數(shù)量方案和將懸掛球設(shè)計(jì)為懸掛塊方案。 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證, 設(shè)計(jì)合理, 方案 可行,為今后重載條件下的丟手施工作業(yè)提供了參考。關(guān)鍵詞:丟手;結(jié)構(gòu);液壓中圖分類號(hào):文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:Failure causes and Solutions of Ball Hanging Type Hydraulic Releasing T

2、ool Zheng Rui-Qiang(Drilling Engineering Technology Research Institute , Daqing Drilling and Exploration Engineering Company, Daqing 163413, China Abstrac t :The ball hanging type hydraulic releasing tool through the pressure to release, and in the field of application appeared failure by the suspen

3、sion ball stuck. This paper found the cause of the failure by force analysis and put forward two solutions , adding suspension ball number scheme and designing the hanging block schemes. The design is reasonable and feasible, and provides the reference in case of heavy load releasing construction.Ke

4、y word:releasing ; structure ; hydraulic球掛式液壓丟手工具克服了機(jī)械式 J 型槽丟手工具只能通過(guò)懸重力來(lái)判斷丟手接頭是否 脫開的缺點(diǎn),并于 2011年應(yīng)用于 4口井氮?dú)馇菲胶忏@井井段完井管柱的丟手施工中,丟手成 功率 100%【 1】 (結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1所示。但 2014年在芳 16-斜 48井施工中卻出現(xiàn)了懸掛鋼球 卡住,丟手未脫開的現(xiàn)象。 本文通過(guò)對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行對(duì)比、球掛機(jī)構(gòu)受力分析, 找到了球掛 式液壓丟手工具失效的原因, 并有針對(duì)性的提出了增加鋼球數(shù)量和將懸掛鋼球改為懸掛塊兩 套解決方案。 增加鋼球數(shù)量方案加工相對(duì)簡(jiǎn)單, 但接觸方式仍為點(diǎn)面接觸

5、; 懸掛鋼球改為懸 掛塊方案將原來(lái)的點(diǎn)面接觸改進(jìn)為了面面接觸, 更適合于重載條件下的丟手施工作業(yè)。 兩套 方案均進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證,為今后重載條件下的丟手施工作業(yè)提供了參考。1 施工過(guò)程對(duì)比2011年施工的 4口井中有 2口定向井、 2口直井,丟手下深最深為 1460m ,完井方式均為 3 1/2割縫篩管與 3 1/2油管相結(jié)合的方式,管柱最長(zhǎng)為 55m 。 2014年施工的芳 16-斜 48井是 1口定向井,完井方式同樣是 3 1/2篩管與 3 1/2油管相結(jié)合的方式,但完井管柱長(zhǎng)度為 83.5m 。 5口井施工過(guò)程均嚴(yán)格按照操作規(guī)程執(zhí)行,沒有操作不當(dāng)?shù)那闆r。芳 16-斜 48井未脫 開的丟手工

6、具的球座已按設(shè)計(jì)脫落至擋板處, 但周向均布的 4個(gè)懸掛鋼球有 3個(gè)未脫落, 見圖 2。 因此根據(jù)施工情況及未脫開現(xiàn)象初步判斷丟手工具未脫開和丟手懸掛的管柱重量有關(guān)。 5口井施工數(shù)據(jù)見表 1。收稿日期:作者簡(jiǎn)介:鄭瑞強(qiáng) (1983-,男,漢族,河北省饒陽(yáng)縣人,工程師,學(xué)士學(xué)位, 2007年畢業(yè)于東北電力 大學(xué)機(jī)械專業(yè),現(xiàn)主要從事鉆完井工具的研發(fā)工作, E-mail :zhengrq, ,微信及 qq :94586564。 1 2 3 4 5 6 71上接頭;2鋼球; 3絲堵、銷釘;4球座; 5懸掛鋼球; 6下接頭; 7擋板。圖 1球掛式液壓丟手工具結(jié)構(gòu)示意圖 圖 2 未脫開的球掛式液壓丟手工具現(xiàn)

7、場(chǎng)照片表 1 球掛式液壓丟手工具現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)井號(hào) 井型 完井管柱 長(zhǎng)度 /m完井管柱數(shù) 量 /根完井管柱 重量 /Kg 丟手工具 下深 /m 丟手是否 脫開 州 54-1 定向井 55 6 752.95 1 444 脫開 州 54-2 定向井 55 6 752.95 1 454 脫開 701-1 直井 55 6 752.95 1 460 脫開 701-2直井455616.051 457脫開FFF芳 16-斜 48 定向井 83.5 9 1143.12 1 457 未脫開2 球掛機(jī)構(gòu)受力分析如圖 3所示,鋼球懸掛機(jī)構(gòu)共涉及 4個(gè)零件,分別是上丟手接頭、下丟手接頭、球座 以及鋼球。以 1個(gè)鋼球?yàn)檠?/p>

8、究對(duì)象對(duì)其進(jìn)行受力分析,忽略鋼球本身的重力,鋼球受下 丟手接頭溝槽斜面對(duì)其產(chǎn)生的壓力 N 1, 上丟手接頭球孔對(duì)其產(chǎn)生的支撐力 N 2, 以及球座 外表面對(duì)其產(chǎn)生的支撐力 N 3。另外以下丟手接頭為研究對(duì)象分析其受力,下丟手接頭受 完井管柱的拉力 G(忽略完井管柱的浮力, 拉力 G 即為完井管柱的重力 , 以及鋼球?qū)ζ錅喜坌泵娴闹瘟?F 【 2】。 圖 3 球掛機(jī)構(gòu)受力分析示意圖下丟手接頭溝槽斜面角度為 30°, 即 F 與 N 3的夾角為 30°。 各力之間的大小關(guān)系為:F=G/sin30°= N1, N 2=sin30° N 1, N 3=cos3

9、0° N 1,在擠壓狀態(tài)下計(jì)算上丟手接頭、下丟手接頭與鋼球接觸處的變形,即鋼球壓入深度 (由于球座在施工時(shí)脫落至設(shè)計(jì)位置,未影響丟手脫開,故不進(jìn)行分析 。 根據(jù)布氏硬度 HB 的計(jì)算公式:HBW=P/Dh式中:P 為載荷值(N , D 為鋼球直徑 (mm, h 為壓痕深度 (mm。丟手工具連接鋼球直徑 15mm ,周向均布 4個(gè),上、下丟手接頭材質(zhì)為 42CrMo ,硬 度為 HB290。帶入已知數(shù)據(jù)得:當(dāng)完井管柱數(shù)量為 6根,重量為 752.95Kg 時(shí),單個(gè)鋼球在 F 力的 作用下,上丟手接頭上的壓痕深度為 0.28mm ,在 N 2 的作用下,下丟手接頭上的壓痕為 0.14mm

10、 ;當(dāng)完井管柱數(shù)量為 9根,重量為 1143.12Kg 時(shí),單個(gè)鋼球在 F 力的作用下,上 丟手接頭上的壓痕深度為 0.42mm ,在 N 2 的作用下,下丟手接頭上的壓痕深度為 0.21mm 。由上可得,隨著完井管柱數(shù)量增多,鋼球?qū)ι稀⑾聛G手接頭的壓痕深度明顯增大, 且成正比關(guān)系。另外在下鉆過(guò)程剎車時(shí)將產(chǎn)生激動(dòng)壓力,從而使作用在鋼球上的擠壓力 更大,壓痕更深,從而導(dǎo)致鋼球脫落困難,甚至卡死,無(wú)法脫落,這也正是芳 16-斜 48丟手未脫開,鋼球未脫落的主要原因。3 丟手改進(jìn)方案FG通過(guò)受力分析發(fā)現(xiàn), 減少鋼球受力或增加擠壓面面積是解決問(wèn)題的關(guān)鍵, 從這兩個(gè)方面 入手,我們?cè)O(shè)計(jì)了兩套改進(jìn)方案。

11、3.1 增加鋼球數(shù)量方案增加鋼球數(shù)量方案即將原來(lái)周向均布四個(gè)鋼球改進(jìn)為周向均布多個(gè)鋼球,如圖 4所示, 從而減少單個(gè)鋼球的受力,確保順利脫開。 圖 4 增加鋼球數(shù)量方案示意圖我們?cè)谠O(shè)計(jì) 5 1/2球掛式液壓丟手工具時(shí)采取了該方案, 并在周向均布 15個(gè) 8mm 連接鋼 球,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證后在朝 146-斜 73井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。該井鉆進(jìn)至 1135m 時(shí)發(fā)現(xiàn)水侵, 加重后井口仍有外溢, 起鉆后決定采用封隔器封堵, 并用丟手釋放, 封隔器下部采用裸眼完 井。完井管柱由下到上為:5 1/2引鞋 + 5 1/2回壓凡爾 + 5 1/2投球憋壓短接 + 5 1/2套管 1根 + 5 1/2液 力扶正

12、器 1支 + 5 1/2套管外封隔器 1支 + 5 1/2液力扶正器 1支 +5 1/2球掛式液壓丟手 工具 1支 +5 1/2送入鉆具 N 根。 由于完井管柱不下至井底, 因此之前靠丟手下部管柱自重脫開的丟手工具需要改進(jìn)為靠 液壓脫開的方式。投入鋼球后憋壓,銷釘剪斷,球座下行,壓力升高,高壓液體通過(guò)流道孔 進(jìn)入由下接頭上端與上接頭中部組成的密封活塞腔, 在壓力的作用下, 上、 下接頭主動(dòng)分離,并迫使懸掛鋼球向里收回至球座中部預(yù)留的凹槽內(nèi),上、下丟手脫開 【 3】。改進(jìn)后的 5 1/2 球掛式液壓丟手工具結(jié)構(gòu)示意圖如圖 5所示,現(xiàn)場(chǎng)施工如圖 6所示。 1上接頭; 2鋼球; 3球座; 4懸掛鋼球

13、; 5銷釘; 6下接頭圖 5 改進(jìn)后的球掛式液壓丟手工具結(jié)構(gòu)示意圖丟手工具下接頭 F 圖 6 改進(jìn)后的球掛式液壓丟手工具上丟手起出井口3.2 懸掛鋼球改為懸掛塊方案懸掛鋼球改為懸掛塊方案即將原來(lái)周向均布的鋼球改進(jìn)為周向均布多個(gè)懸掛塊,如圖 7所示,將原來(lái)鋼球的點(diǎn)面接觸變?yōu)槊婷娼佑|, 增加擠壓面面積,從而減少擠壓變形,確保順 利脫開。 1 2 3 4 5 6 7 1上接頭; 2 鋼球; 3球座; 4 懸掛塊; 5銷釘; 6擋板; 7下接頭。 圖 7 懸掛塊式液壓丟手工具結(jié)構(gòu)示意圖懸掛塊式液壓丟手工具包括上接頭、鋼球、球座、懸掛塊、銷釘、擋板、下接頭,該方 案結(jié)構(gòu)原理與原球掛式液壓丟手工具相似,

14、不同之處有兩點(diǎn), 一是懸掛機(jī)構(gòu)是懸掛塊, 接觸 方式有點(diǎn)面接觸改進(jìn)為面面接觸, 接觸面積變大, 結(jié)構(gòu)更加安全可靠; 二是脫開力來(lái)源是活 塞缸內(nèi)的液體壓力, 該結(jié)構(gòu)與改進(jìn)后的球掛式液壓丟手工具相似。 室內(nèi)試驗(yàn)證明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 合理,各個(gè)動(dòng)作均能按設(shè)計(jì)完成。在朝 146-斜 73井常規(guī)丟手未脫開后,采取了該方案進(jìn)行 丟手施工,并獲得成功,現(xiàn)場(chǎng)施工圖如圖 8所示。圖 8 懸掛塊式液壓丟手工具上丟手起出井口4 方案對(duì)比F丟手工具上接頭 懸掛鋼球兩套方案分別從增加鋼球數(shù)量和增加接觸面積入手進(jìn)行了設(shè)計(jì)， 并均采用了通過(guò)液壓活 塞腔提供脫開動(dòng)力的方法，原理可行，結(jié)構(gòu)合理。增加鋼球數(shù)量方案加工相對(duì)簡(jiǎn)單，但接觸

15、方式仍為點(diǎn)面接觸，重載條件下依舊會(huì)出現(xiàn)懸掛鋼球卡住，工具不能脫開現(xiàn)象。懸掛塊方案 徹底將原來(lái)的點(diǎn)面接觸改進(jìn)為了面面接觸， 接觸面積大大增加， 可滿足重載條件下的丟手施 工作業(yè)。 5 結(jié)論 1） 球掛式液壓丟手工具在芳16-斜48井施工失敗的原因?yàn)橥昃苤^長(zhǎng)，懸掛鋼球?qū)?上、下丟手接頭的壓痕深度較深，導(dǎo)致懸掛鋼球卡住，丟手施工失敗。 2） 改進(jìn)后的懸掛塊式液壓丟手工具懸掛塊與丟手上下、下接頭之間為面面接觸，相對(duì) 于鋼球懸掛結(jié)構(gòu)接觸面積大大增加， 并且采用了通過(guò)液壓活塞腔提供脫開動(dòng)力的方法， 可滿 足重載及管柱懸空條件下的丟手作業(yè)。 3） 創(chuàng)新設(shè)計(jì)了懸掛塊懸掛結(jié)構(gòu)，與原球懸掛結(jié)構(gòu)相比，設(shè)計(jì)合理，性能可靠，應(yīng)用于 液壓丟手工具中更適合重載條件下的丟手施工作業(yè)。 4） 懸掛塊式