新型液壓隨鉆擴眼器的研制*

卿山盟，陳穎，周威

(西南石油大學(xué) 機電工程學(xué)院，四川 成都610500)

摘要：鑒于目前小井眼側(cè)鉆縮徑卡鉆和小井眼固井質(zhì)量差的難題，設(shè)計了一種安全性和可靠性非常高的擴眼器。該工具采用機械式硬支撐設(shè)計方案，具有PDC切削效應(yīng)，可實現(xiàn)隨鉆擴眼，并將118mm鉆頭所鉆進的井眼機械式擴眼至145mm。該工具通過投球憋壓實現(xiàn)刀翼收放。當(dāng)?shù)兑硗耆蜷_時，由連接接頭上的定位套使PDC刀翼的位置穩(wěn)定不變，實現(xiàn)硬支撐。此擴眼器原理正確、結(jié)構(gòu)可靠，為從根本上徹底解決小井眼固井難和小井眼縮徑、卡鉆頻繁等情況提供了一種有效的手段。

關(guān)鍵詞：液壓；隨鉆擴眼；硬支撐；PDC切削

中圖分類號:TE92文獻標(biāo)志碼：A

收稿日期：*2014-12-03

作者簡介：卿山盟(1988-)，男，四川廣漢人，在讀碩士，主要從事井下工具的設(shè)計與研究方面的工作。

Research on a New-pattern Hydraulic Pressure Reamer

QING Shan-meng, CHENYing, ZHOUWei

(SchoolofMechatronicEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,ChengduSichuan610500,China)

Abstract:In view of the problems such as the slim hole sidetracking is easily sticking and has a bad cementing quality, a safe and reliable reamer has been designed in this paper. The tool with PDC cutting effect is designed following the mechanical hard-support design scheme which could achieve reaming while drilling, and could mechanically ream the borehole which drilled by 118mm bit to 145mm. The tool expands and shrinks the blades through pitching pressure. When the blades expand to the opening size, the position sleeve of joints remains the position of PDC blades stability to ensure the hard-support. The tool with correct principle and reliable structure provides an effective solution to solve the slim hole problems of cementing difficulty, reducing diameter and sticking frequently.

Key words: hydraulic pressure; ream while drill; mechanical hard-support; PDC cutting

0引言

隨鉆擴眼技術(shù)是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ你@井新技術(shù)。隨鉆擴眼技術(shù)就是采用隨鉆擴眼工具和常規(guī)鉆頭程序，在全面鉆進的同時擴大井眼直徑的一種鉆井技術(shù)。隨鉆擴眼技術(shù)可實現(xiàn)深井小間隙井段固井，增大生產(chǎn)套管的尺寸，有利于完井及修井作業(yè)。擴眼器的最早雛形可以追溯至上世紀(jì)90年代初期逐漸投入使用的雙心鉆頭，而后產(chǎn)生跟它擴徑原理相同的偏心式擴眼器，接下來的是機械式擴眼器，目前市面上主流的是液壓式擴眼器。目前使用的液壓擴眼器在使用過程中主要存在以下問題：服務(wù)費用昂貴；利用壓差推動刀翼張開，但不能準(zhǔn)確判斷刀翼是否張開到擴眼所需尺寸；井眼尺寸擴大有限；刀翼張到最大后沒有鎖定機構(gòu)，隨著壓力的變化外徑易發(fā)生變化；易產(chǎn)生泥包；水眼處沒有單流閥，水眼容易堵塞[1-3]。

目前，國外Smith、Halliburton、Baker Hughes、NOV等公司在生產(chǎn)擴眼器。其中Smith公司推出的Rhino XS 型液力驅(qū)動式擴眼器最具有代表性。Hughes Christensen公司的Gauge Pro和Andergauge公司的Anderreamer優(yōu)勢獨特，短期內(nèi)即獲得廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì)70年代初, 井下擴眼技術(shù)從國外引入國內(nèi)。大港、遼河、勝利油田等[4]單位在跟蹤考察國外技術(shù)的基礎(chǔ)上, 陸續(xù)研制了不同規(guī)格的擴眼器, 其中遼河油田、勝利油田研制的幾種隨鉆擴眼器比較有代表性。遼河油田設(shè)計的ZK6- 12型同步擴眼器和RWD - 152型隨鉆擴眼器。勝利油田研制的機械式PDC隨鉆擴眼器和BG型擴眼器等。但跟國外的技術(shù)差距較大。為此，筆者研制出一種安全性和可靠性較高的新型隨鉆液壓擴眼器。

1新型液壓硬支撐隨鉆擴眼器技術(shù)分析

1.1新型液壓硬支撐隨鉆擴眼器的結(jié)構(gòu)

新型液壓硬支撐隨鉆擴眼器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其解決了偏心式隨鉆擴眼工具所形成的井徑不規(guī)則、擴徑量小和液壓式軟支撐隨鉆擴眼器易形成糖葫蘆井眼的問題，保證了PDC刀架在伸開后軸向和徑向的位置穩(wěn)定不變，達到硬支撐的目的，使鉆出的井眼更加穩(wěn)定，具有不縮徑、不卡鉆的特點。

1.2新型液壓硬支撐隨鉆擴眼器的工作原理

打開時：小井眼擴眼工具借助于高壓鉆井液作用在活塞上下端面上的壓力差產(chǎn)生一定的靜壓力，剪斷剪銷后，利用活塞軸上的斜面和斜面銷推動PDC刀片到設(shè)計時確定的張開尺寸，并將力傳遞給PDC刀片，連續(xù)不斷地作用使PDC鉆頭往下切削巖石而形成機械進尺。同時，利用連接接頭上的定位套，使PDC刀片的位置穩(wěn)定不變，鉆出的井眼尺寸穩(wěn)定。

圖1　新型液壓硬支撐隨鉆擴眼器示意圖 1.下接頭　2.主殼體　3.擴眼刀翼　4.活塞軸　5.橡膠皮碗　6.殼體上接頭　7.小活塞　8.返向缸體　9.變流套　10.反向夜缸　11.反向中心軸　12.剪釘　13.密封圈　14.鋼球

收回時：當(dāng)需要收回PDC刀片時，上提鉆柱1米，投入1英寸鋼球，憋壓剪斷變流套的剪銷，迫使變流套下移，使泥漿進入返向液缸，在高壓泥漿的作用下，推動返向活塞剪斷返向液缸剪銷，迫使返向活塞和固定著PDC刀片的主殼體一起向下移動，強力迫使PDC刀片收回到原始尺寸。此時，由于設(shè)計了特殊的通道，泥漿仍然可以通過一定的孔徑循環(huán)。

1.3性能指標(biāo)和特點

外徑：上部φ105 mm，下部φ99 mm；領(lǐng)眼鉆頭尺寸：φ118 mm；擴眼鉆頭本體尺寸：φ105 mm；擴眼鉆頭擴眼尺寸：φ145 mm；工具長度：1.72 m；打開擴眼鉆頭的液缸活塞直徑：φ80 mm；液缸行程：50 mm。

1.4伸縮式硬支撐擴眼器的工作參數(shù)

(1) 泥漿泵泵壓達到3～5 MPa，打開安全液缸。

(2) 泥漿泵泵壓達到15～20 MPa時，使主殼體缸體安全剪釘剪斷。

(3) 投球后泥漿泵泵壓達到11～13 MPa時，使變流套安全剪釘剪斷。

(4) 變流套下移后，泥漿泵壓達到13～20 MPa時，使返向缸體安全剪釘剪斷。

(5) 小井眼擴眼工具的擴徑量將118 mm鉆頭機械式擴徑至145 mm。

2力學(xué)分析

2.1刀翼受力分析

液壓擴眼器刀翼收放受力[5-6]如圖2所示。

(1) 當(dāng)F較小時：

Frsin θ≤μFrcos θ→θ≤arctanμ

(1)

(2) 當(dāng)F>>Fr時：Fcosθ≥μFsinθ

(2)

θ≤arccotμ

Fy=Ncosθ-fsinθ

(3)

=Fsinθ(cosθ-μsinθ)

式中：φ=arctan μ；F為活塞推力，kN；N為滑道支持力，kN；f為滑道摩擦力，kN;Fr為巖石徑向反作用力，kN;Fy為刀翼徑向推力，kN。

當(dāng)活塞軸上的液壓推力F足夠大時，可以得到刀翼產(chǎn)生的抵抗外部的徑向力Fy與斜面傾角θ及μ有關(guān)，且θ∈[0,45°],μ∈(0.35,0.5)。

圖2　刀翼受力圖

2.2活塞軸的行程與刀翼的伸出量之間的關(guān)系

由圖3可知：

H=tanθ×L

(4)

要保證擴徑量達到規(guī)定尺寸，就要綜合考慮活塞軸行程L及θ的取值。綜上，得到：θ∈(18.2,22.8),L∈(35,60)。

初步設(shè)計取中間值：φ=22.78°,θ=22°,tanθ=0.4,μ=0.42,H=20。

將上述數(shù)據(jù)帶入式(4)得：L=50

arctan0.42)-0.5×0.42F

=0.2284F

圖3　活塞軸的行程與刀翼的伸出量關(guān)系示意圖

2.3剪釘?shù)挠嬎?/p>

剪釘全部使用45號鋼制造，σb=600 N/mm2,τb=0.6，σb=360 N/mm2。

2.3.1打開鉆頭活塞與液缸的剪釘

剪釘數(shù)量m=2，剪釘直徑d=8 mm，剪斷時載荷：

(5)

活塞軸下端泥漿出口直徑d1=10 mm，噴嘴面積S=0.785 mm2，則鉆井液流過小口徑嘴口時產(chǎn)生的壓力降ΔP1為18.5 MPa, 主缸體活塞向下的推力為39.551 kN。即泥漿排量必須大于9 L/s時，才可以剪斷該剪釘。

2.3.2投球剪斷的剪釘

剪釘數(shù)量m=1，剪釘直徑d=6 mm，剪斷時載荷：

(6)

只有在投球之后，承壓面積成為S=804 mm2，只要液壓力為1 MPa時，推力就達到0.804 kN，則當(dāng)液壓力達到13 MPa時，就可以剪斷此剪釘。

2.3.3返向活塞與液缸的的剪釘

剪釘數(shù)量m=2，剪釘直徑d=8 mm，剪斷時載荷：

(7)

返向活塞與液缸承壓面積為S=2 383 mm2，液壓力為1 MPa時，推力為2.383 kN，則當(dāng)返向液缸壓力達到16 MPa時，就可以剪斷此剪釘。

3地面測試與現(xiàn)場應(yīng)用

118 mm液壓擴眼器加工完成后，進行地面組裝，組裝順序為: 殼體—下接頭—上接頭。

地面測試主要對下部銷釘剪切、刀翼張開到位及刀翼收回情況進行試驗，具體步驟如下:

加壓泵對工具加壓3～5 MPa，打開安全液缸；繼續(xù)加壓至15～20 MPa，刀翼張開;張開直徑145 mm，刀翼鎖定；投球后加壓至11～13 MPa，變流套安全剪釘剪斷；變流套下移后，泥漿泵壓達到13～20 MPa

時，使返向缸體安全剪釘剪斷刀翼收回。

4結(jié)論

118 mm隨鉆液壓擴眼器在試驗井進行了現(xiàn)場應(yīng)用，經(jīng)過鉆后測井井徑曲線對比分析，使用本擴眼器擴眼后，井眼的擴大率為20%～25%，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。新型液壓擴眼器擴眼直徑誤差小于5%，擴眼外徑調(diào)節(jié)范圍最大可至直徑的25%左右，能夠滿足小井眼擴眼要求。新型隨鉆液壓擴眼器克服了傳統(tǒng)的純靠流體的壓差來張開刀翼方法的不足，而采用投球、憋壓推動活塞高效運行的方法，使擴眼器刀翼伸出和收回的動作準(zhǔn)確無誤。

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