基于自锁式油管打捞工具的仿真分析

基于自锁式油管打捞工具的仿真分析

王琦,杨光建,常方瑞,王嵩,王芬康,仲崇高

胜利油田油气井下作业中心 山东省东营市 257000

摘要：自锁式油管打捞工具，根据钻井取心自锁式岩芯爪锁紧岩芯的原理。当油管本体进入打捞工具内部锁紧的锁紧爪之后，锁紧爪张开并与油管外壁贴合，上提钻具，在爪内碳化物颗粒粉与油管壁的摩擦力作用下，抓紧油管，进而实现油管打捞功能。完成了工具的结构设计，对工具的受力薄弱环节进行了抗拉和抗扭分析。

关键词：自锁式油管；岩芯；锁紧爪；油管打捞；受力

1 国内外打捞工具现状及发展趋势

打捞工具是钻井、采油及修井作业过程中打捞和回收井内被卡、折断或脱扣的金属物的主要工具。落鱼一般分为管状体、块状体和绳状体，包括钻铤、钻杆、套管、油管、钻头以及金属环、片、钳牙和电缆等。因此需要根据井身结构和落鱼具体情况，选择应用各种不同打捞工具实施井下落鱼的解卡和打捞作业。

近年来，国外在打捞工具的研制方面除不断改进和优化打捞工具的结构与材料等之外，还开发与完善了组合打捞工具，并将连续油管作业设施应用于打捞作业。此外，国外厂商还将高科技应用于打捞工具的研究中，开发了井下视频电视测卡仪和井下打捞专家系统等。

我国打捞工具的品种和规格都较以前增加很多，有些产品已实现规格系列化，除常规的公锥、母锥、打捞矛、打捞筒、打捞篮、打捞环和磁力打捞器外，还开发出各种先进的磨铣工具、震击器、防卡解卡工具和专用打捞器等，大大丰富了我国打捞工具的品种和规格。但目前我国在该技术领域与国外相比仍存在有一定差距，下面简单介绍自锁式油管打捞工具。

2自锁式油管打捞工具结构设计

自锁式油管打捞工具可安装在钻杆或油管下端，下插套住油管实现打捞油管的目的，同时还可实现在打捞的过程中进行钻井液的循环，在打捞后上提遇过载还可实现工具的紧急丢手功能。其结构如图1所示。

1 上接头 2筒体 3锁紧套短接 4铣鞋 5剪切销钉

6锁紧爪 7锁紧套 8块合金 9 碎合金

图1 自锁式油管打捞工具结构示意图

其中上接头和筒体、锁紧套短接、铣鞋依次通过螺纹连接。上接头上部为API标准数字螺纹NC31内螺纹（210），可实现与钻杆的快速连接。筒体两端采用Tr98×3梯形双公螺纹，分别与上接头和锁紧套短接连接，能承受较大的扭矩。

锁紧爪位于铣鞋的内腔部分，外侧有锥形斜面与锁紧套贴合，正常形态下锁紧爪处于自由状态，坐落于锁紧套内面。当进行油管打捞时，前端铣鞋部分将油管本体扶正引入到锁紧套内，然后进入锁紧爪内腔。锁紧爪的内径比油管外径小2-3mm，油管进入过程中锁紧爪上行并张开，遇到铣鞋内上部的凸台时，锁紧爪被限位不再上行。继续下压工具，油管进入到筒体内，直到打捞合适的长度后，上提工具，拉断油管。

锁紧爪内面敷焊有碳化物颗粒，与油管外壁能产生较大的摩擦力，当上提工具时，油管拉动锁紧爪下移，与锁紧套内面贴合锁紧并咬合。此时，油管与锁紧爪不再发生轴向移动，上提时产生过提拉力，在合适的吨位下，从油管下部锈蚀的油管薄弱处断裂。

锁紧套与铣鞋采用剪钉连接，其中周向扭矩由花键承受，轴向受力由剪钉承受。为防止下部油管承受拉力打过井口拉力导致工具无法丢手，通过剪钉数量可设定固定的承拉剪切力，当超过该剪切力时，锁紧套可留到井底落入到油管接箍上部。打捞工具顺利上提出井。

3自锁式油管打捞工具强度分析

自锁式油管打捞工具公、母接头采用现有的127-9.19G级钢钻杆接头，本体外径127mm、壁厚9.19mm、公、母接头外径165.1mm、公接头内径87mm、母接头内径82.6mm、最小抗拉强度793MPa、最小屈服强度724MPa、最大屈服强度931MPa。

其上接头外径为116.00mm，内径为98.00mm，符合116内外加厚钻杆接头G级钢级标准设计。本体外径为110.00mm，本体内径为80.00mm。根据要求，简化了上接头与筒体的实际模型，通过ABAQUS建立了上接头与筒体的轴对称平面模型，通过对筒体施加载荷来具体分析T形螺纹的受力情况以及屈曲极限强度。

3.2网格划分及属性设置

对模型进行网格划分，采用切分实体的方法划分网格，以保证该区域求解结果的精度以及节约计算成本。在网格划分时，沿T形螺纹两边垂直方向切分到底，使得在计算时结果更加精准。模型采用CAX4R四结点双线性轴对称四边形单元, 减缩积分, 沙漏控制。

为分析模型各相关参数对钻具抗拉应力以及屈曲的影响，设置上接头以及筒体模型属性。上接头与筒体保持统一属性，均为API X65钢材，其中泊松比0.30、弹性模量2.07X1011MPa、本体外径110mm、壁厚9.19mm、公、母接头外径116mm、公接头内径105mm、母接头内径98mm、最小抗拉强度793MPa、最小屈服强度724MPa、最大屈服强度931MPa。

由于公扣与母扣的丝扣在受力时产生接触，通过对T形螺纹接触面建立表面-表面接触关系，接触属性的设置其中切向行为是无摩擦，法向行为是硬接触，约束执行方法采用绑定，主表面为筒体，从表面为上接头。

设置在筒体施加初始压强为1MPa，方向为垂直向下，在载荷边界条件设置为上接头底部为完全固定，以防止施加载荷过程中出现载荷方向错误的问题。

4结果分析

通过分析可得，最大Miss应力值为451.0MPa，最大应力值出现在上接头与T形螺纹之间，说明筒体在承受轴向载荷时，上接头受力比较严重，一旦达到屈服极限，容易发生屈曲变形，会导致上接头与筒体螺纹失效，导致脱落。

根据这一现象，对上接头与筒体的螺纹进行线性以及非线性屈曲分析，首先在筒体轴向方向施加1MPa的压强，根据有限元分析得到上接头与筒体的理论屈服强度为785MPa。

然后添加第二个Riks分析步，施加载荷为785MPa，对T形螺纹的非线性屈曲进行有限元分析，通过LPF曲线可知，当弧长步为第33步时，载荷比例因子达到最大，为0.36，即考虑材料塑性时，T形螺纹的最大屈曲极限为282.6MPa，可以得知，当轴向压强达到282.6MPa时，上接头与筒体及其T形螺纹会发生屈曲变形失效。 拉力计算：屈服强度为282.6MPa，筒体截面面积为0.001959m2，则实际最大拉力强度Fmax=553.61KN。也就是说当拉力载荷F达到553.61KN时，上接头与筒体会发生屈曲变形，导致整体失效。

图6  LPF曲线示意图

参考文献

[1] 王方祥,张乾,姜有才等.连续油管长水平段防自锁技术[J].油气井测试,2021,30(02):25-29.

[2]宋孚增,刘常福,徐文庆.自锁式油管泄油锚定器的研制与应用[J].石油矿场机械,2004(04):69-71.

[3] 王淳.油田井下打捞作业及其工具改进研究[J].中国石油和化工标准与质量,2023,43(03):28-30.

[4] 刘胜军,崔文青,段雨安等.水平井腐蚀油管打捞工艺研究[J].化工设计通讯,2022,48(12):29-31.