刮清一体式套管清洗工具设计研究

石油机械2017 年第45 卷第 5 期CmNAPETROLELMMACmNERY —33 —◄钻井技术与装备►刮清一体式套管清洗工具设计研究陈敏冯定刘少胡吴晗魏世忠(湖北省油气钻完井工具工程技术研究中心）摘要：钻井过程中，井眼清洁状态是影响起下工具和井下安全的重要因素之一。

为此，设计 了刮清一体式套管清洗工具。

利用弹塑性力学分析理论，分析了该工具上、下本体在不同法向载 荷下的扭矩和切应力，以保证工具安全可靠工作；运用A N S Y S有限元软件分析计算了上、下本体 在拉伸、扭转工况下的受力状况，分析结果表明其应力分布趋势与弹塑性力学分析结果相符。

厄瓜多尔塔拉帕厄油田70多口油井的应用结果表明：使用刮清一体式套管清洗工具可缩短修井作业 时长45%，节约成本18 500美元；在初期完井作业中缩短时长26%，节约成本195 000美元。

关键词：清洗工具；刮削；清扫；结构设计；强度校核中图分类号：丁£934文献标识码：入如：10.16082/】.（:吐[^吼.100卜4578.2017.05.006 Design of Scraping & Cleaning Integral Casing Cleanup ToolC h en M in F en gD in g Liu Sh aohu W u H an W ei Shizhong(Hubei Province Oil and Gas Drilling Tool Engineering Technology Research Center) Abstract ：D uring th e d r illin g, th e w ellb o re c le a n in g co n d itio n is o n e ol th e im portant factors that a fiect the d ow n h o le tool tripping and safety. In v iew ol t h i s, the scrap in g and c le a n in g integral c a sin g c le a n u p tool has b e e n d e sig n e d. B a sed on the theory ol e la sto-p la stic m e c h a n ic s, the torque and sh ear stress ol th e up p er and low er body u n d er different norm al lo ad s h a v e b e e n an alyzed to en su re th e sa le and relia b le operation ol th e tool. A N S Y S soft­w are h as b e e n u sed to an alyze the fo rces on the u p p er and low er bod y un d er ten sio n and torsion c o n d itio n, and the resu lts show that the stress distrib u tion trend is co n sisten t w ith th e resu lts ol e la sto-p la stic m e ch a n ics a n a ly sis. T he a p p lica tio n resu lts ol th e over 70w e lls in th e T allap ur O illie ld ol E cu ad or sh ow that th e d e v e lo p ed tool had red u ced th e w orkover c y c le by 45%and saved co st ol $18 500. T h e in itia l co m p letio n operation had a red u ced operation c y c le o l 26%and co st savin g o l $195 000.Keywords：c le a n u p to o l; sc r a p in g；c le a n in g；structural d e s ig n；stress c h e c k0引百在油田井下作业过程中，井眼清洁状况是影响 起下工具和井下安全的重要因素之一[|]。

井眼清 洁是油田井下作业中的技术难点，由于岩屑的重力 作用，在长水平段及大斜度井段岩屑极易发生堆积 而形成“岩屑沉积床”，从而使环空间隙变小，导 致作业周期延长，成本增加。

如果不能较好地清洁和控制岩屑床，将会导致憋栗和沉砂卡钻等诸多严 重问题，直接影响作业效率、井身质量及作业安全等[2-4]针对上述问题，笔者设计了刮清一体式套管清 洗工具。

刮清一体式套管清洗工具可对黏附在套管 内壁上的残渣边刮削、边洗刷，随后将残渣输送至 地面，完成对套管的清洁工作[5-7]。

应用该工具不 仅可减轻残渣对井下工具及套管的侵蚀和损害，延 长套管的使用年限，而且也可降低石油开采成本,*基金项目：长江大学油气钻完井工具研究中心资助项目“水平井岩屑运移机理及携岩工具研究”（OGT201502);长江大学长江青年 基金项目“充气泥浆钻煤层气煤岩运移规律研究”（2015cq6n44)。

一 34 —石油机械2017年第45卷第5期增加开发效益，提高采出石油质量。

1技术分析1.1结构刮清一体式套管清洗工具主要由上本体和下本体组成（见图1)。

上本体与下本体通过螺纹连接，下本体是主要的承载和工作部件。

刮刀和毛刷主要 以内嵌的方式安装在下本体内，由于刮刀要实现变 径，所以支承刮刀片的弹簧一端顶着刮刀片，另一 端由支承轴和衬套支承。

刮刀片是刮清一体式套管清洗工具的一个主要1一上本体;2—支承轴；3—毛刷;4一刮刀；5—衬套;6—下本体。

图1刮清一体式套管清洗工具结构示意图Fig. 1Structural schematic diagram of the scraping & cleaning integral casing cleanup tool零件，它必须坚硬、耐磨，且必须有足够的抗冲击 强度，因此选用合金工具钢制造[8]。

在工具周向 均布3个刮刀刀片，来确保无论套管刮削器下人到 套管时是否转动，都会360°地刮削套管内壁；在 工具周向均布3个毛刷，来确保无论套管刮削器下 人到套管时是否转动，都会360°地刷洗套管内壁；另外，刷毛的材料要有足够的强度和韧性，以保证 刷洗工作的顺利进行；刷毛和刮刀采用左旋和右旋 的位置相互配合。

1.2工作原理局部屈服和危险截面的局部应力集中。

因此，根据 弹塑性力学分析理论对工具本体进行力学分析，并 进行安全性校核[2]。

2.1本体受法向载荷力学分析4V(1)Z F N^ri」(2)式中：T为扭矩；心为法向载荷；'为阻力；r 为旋转半径；A为摩擦因数，通常取0.22；4为角刮清一体式套管清洗工具随管柱旋转垂直往复 式工作，旋转下放时，前主刮削刃进行径向和纵向 刮削；旋转提升时，后主刮削刃对被刮的表面同时 进行径向和纵向修整。

旋转运动是刮削器的主运 动。

刮刀的径向进刀依靠弹簧所产生的弹性反力作 用实现。

该弹性反力把刀刃压人被刮削表面，在刮 削器旋转过程中刮削该表面，随着被刮削表面内径 的扩大，弹性反力使刀片逐渐外伸，从而实现连续 径向进刀。

刮削器的不断下放实现刮刀的纵向刮 削；同时套管刷刷洗套管内壁，进一步确保套管内 壁的清洁。

1.3主要技术参数刮清一体式套管清洗工具长1.82 m，本体外 径148 mm、内径44 mm，刮刀完全伸开最大外径 161 mm，刮刀收缩后外径128 mm。

2力学分析工具上、下本体与管柱通过螺纹连接，本体随 管柱一起下人井下[9]，其工况非常恶劣，受力情 况难以确定，在工作过程中承受轴向载荷、法向载 荷和扭矩的耦合作用，将导致工具本体开孔周围的速度，4 = nd6〇其中 n= 60 r/min；为合成速度，〃=r2 +42;r为起下钻速度，式中取2m/s。

2.2切应力分析由材料力学可知，上、下本体可简化成空心圆轴，空心轴的抗扭截面系数公式为：3% = 16 (1 - a4)(3)对应的切应力公式为：a=—(4)^p式中：W p为抗扭截面系数；a为空心轴内径与外 径之比，a= d/D；a为切应力。

根据设计，0取148 mm，^取44 mm，法向载 荷 F N 分别为 100、150、200、250 和 300 kN，r取0.086 m。

将参数带人式（1)〜式（4)中，可得 本体法向载荷与扭矩和阻力的关系曲线，如图2所 示。

本体扭矩与切应力的关系曲线如图3所示。

清洗工具上、下本体的材料均为20CrMnTi，其许用应力值为835 MPa。

由图2和图3可知：扭 矩与法向载荷成正比关系，切应力远小于许用应 力，因此工具很安全。

2017年第45卷第5期 陈敏等：刮清一体式套管清洗工具设计研究一 35 —+上本体扭矩■上本体阻力-下本体扭矩下本体阻力^ 15® 10100150200250300法向载荷/kN图2本体法向载荷与扭矩和阻力的关系曲线2.4本体受内压力学分析本体受内压时，在保证本体的变形处于弹性阶 段内，内压作用产生的应力必须小于材料屈服极 限[10]。

由Lam、e(拉美）公式得本体受内压产生的 3个主应力（^t为周向应力，为轴向应力，K 为径向应力）：f P龙-P〇R2(P i-p〇)^2及21〇■—----------H----------------t R2-R2R2-R2一Fig. 2 The relationship between the body,s normalload and torque and resistanceFig. 3 The relationship between the bodytorque and the shear stress2.3本体受轴向载荷力学分析本体受轴向载荷公式为：Fa=S(5)式中：F为本体受的轴向力，N;^为本体的最大应力，MPa;S为本体横截面积，mm2。

根据工具实际工作状况，F分别取50、100、150、200、250和300 kN，代人式（5)中，可得 不同轴向载荷下的最大应力，如图4所示。