剪切接头的设计与应用

摘要：随着油田的开发进入中后期井筒内的情况日益复杂，井下作业提速、提效是一直以来提倡的主题，现设计出一种为可预见性井下事故的发生和处理所应用的剪切接头配合利用钢缆进行小负荷作业的新工具。剪切接头在不影响入井工具正常连接的情况下能够在发生卡钻后满足将钢缆安全退出的需要，并为打捞作业预留打捞鱼头。剪切接头符合井下作业技术要求，能够在钻具与钢缆之间起到有效地连接。

关键词：剪切接头；剪切力；切应力；解卡；悬重

中图分类号：TG333.2+1文献标识码： A 文章编号：

1剪切接的结构和工作原理

1.1结构

剪切接头是分体式设计由提升接头、连接接头、销钉三个元件组成如图1，提升接头穿入连接接头，其中提升接头与连接接头上均设计有6个销钉孔分上下两排布置，上排2个销钉孔直线分布，其功能是调节剪切力的大小，下排4个销钉孔以90°圆周排列，提升接头连接扣采用“T”型扣.

图1

1-提升接头；2-连接接头；3-销钉。

1.2工作原理

剪切接头是连接在绳冒与工具或管柱之间，正常情况下剪切接头作为连接工具一并下入井内进行通井或探砂作业，作业结束后随入井工具起出，当作业过程中钻具遇卡时，在上提解卡吨位小于剪切接头的销钉剪切力时，剪切销钉不会剪断，当解卡吨位大于剪切接头的销钉剪切力时，销钉被剪断，提升接头从连接接头中退出随钢缆提出井内，将连接接头部分丢在井内以便于下一步打捞作业。

1.3主要技术参数

剪切接头整体外径为78mm,长度为250mm，抗拉强度为706MPa,销钉直径为8mm，长度为18mm，单根销钉剪切极限值为12.5吨，连接接头内径为62mm.

2剪切试验分析

2.1剪切接头销钉剪切受力分析

剪切力的计算应用截面法，将销钉剪切面分成上下两部分如图2，取其中一部分为研究对象，依平衡可知，剪切面上内力的合力Q必然与外力P平行如图3，大小由平衡条件为：Q=P因Q与剪切面相切，故称为剪切力。

图 2 图 3

切应力的计算采用近似但切合于实际的计算方法：假定内力在剪切面内均匀分布，这样很容易求出切应力τ为：τ=Q/A；式中 τ代表切应力；A代表剪切面的面积；Q代表剪切力。

剪切变形和切应变：在井内剪切接头在被提升的过程中分别有上提和下拉的力会使销钉出现剪切变形，为分析剪切变形，在销钉的受剪部位，绕A点取一直角六面体，并把该六面体放大，当构件发生剪切变形时，直角六面体的两个侧面abcd和efgh将发生相对错动，使直角六面体变为平行六面体，图中线段ee/或ff/为相对滑移量如图4，称为绝对剪切变形。而矩形直角的微小改变量γ为：γ≈tanγ=ee//ae

图 4

2.2实现剪切的强度条件

剪切的强度条件：在井内钻具遇卡后为保证销钉在必要情况下被剪断，必须使销钉的实际切应力大于材料的许用切应力，这就是剪切的强度条件为：τ=Q/A≥[τ];式中[τ]代表许用切应力。

当切应力不超过材料的剪切比例极限τ时，切应力τ与切应变γ成正比，这就是材料的剪切虎克定律：τ=Gγ;式中：G材料的切变模量；γ材料的微小改变量。

3现场应用

截止2012年6月剪切接头在现场已完成了6口井的实验。

跃新725井，软通井作业，原人工井底1952.51m，连接工具为Φ114mm通井规，剪切接头安装4个销钉，在通至井深790m时遇阻，遇阻前悬重2吨，加压2吨未通过，上提悬重增至4吨解卡，解卡后悬重变回2吨，起出钻具，剪切接头在井内使用约40分钟，起出后经过检查剪切接头完好，销钉取出检查略有变形。

跃新725井，探砂面作业，原人工井底1952.51m，连接工具为Φ73mm笔尖，剪切接头安装4个销钉，下至井深1893.54m遇阻，遇阻前悬重3.2吨，上提钻具悬重无变化，连探3次探得砂面为1893.54m，起出钻具，剪切接头在井内使用约1小时30分钟，起出后经过检查剪切接头及销钉完好。

跃3200井，软通井作业，原人工井底1884.46m，连接工具为Φ116mm通井规，剪切接头安装4个销钉，通至井深1880m遇阻，遇阻前悬重3.3吨，上提钻具悬重无变化，探得人工井底为1880m符合设计要求，起出钻具，剪切接头在井内使用约1小时30分钟。

七65-9井，软通井作业，原人工井底1224.96m，连接工具为Φ114mm通井规，剪切接头安装4个销钉，通至井深1223.87m遇阻，遇阻前悬重2.5吨，上提钻具悬重无变化，探得人工井底为1223.87m，起出钻具，剪切接头在井内使用约1小时20分钟。

乌1-05井，软通井作业，原人工井底2198m，连接工具为Φ116mm通井规，剪切接头安装5个销钉，通至井深2196.37m遇阻，遇阻前悬重3.4吨，上提钻具悬重无变化，探得人工井底为2196.37m，起出钻具，剪切接头在井内使用约2小时。

跃Ⅱ8-17井，软通井作业，原人工井底1911.84m，连接工具为Φ114mm通井规，剪切接头安装4个销钉，通至井深1908.35m遇阻，遇阻前悬重3.2吨，上提钻具悬重无变化，探得人工井底为1908.35m符合设计要求，起出钻具，剪切接头在井内使用约2小时。后四口井起出后经过检查剪切接头及销钉完好。

4结论与认识

（1）剪切接头符合井下作业技术要求，能够在钻具与钢缆之间起到有效地连接，解决了钢缆因连接工具旋转而产生的扭劲无法释放的问题。

（2）在作业过程中，发生卡阻后，当上提拉力不超过销钉的剪切比例极限时，能够满足解卡需求。

（3）在井筒良好的情况下，剪切接头在作业过程中受力均匀，销钉不会发生因受到大变化拉力所造成的变形或剪断，为保证施工的正常运行，需根据井深调节剪切接头上销钉的安装数量。

参考文献

[1]吴建.四川盆地水平裸眼井段下入封隔器工艺探讨[J].钻采工艺，2010,33（5）

[2]姚凯.侧钻井完井及采油工艺配套技术的研究以应用[J].钻采工艺，2011,34（4）

[3] 李莉.斜置半椭圆表面裂纹应力强度因子分析[J].石油矿场机械，2011,40（2）

[4] 成大先.机械设计图册[M].化学工业出版社，第一卷.

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