趙洪巖

（1.中國石油集團測井有限公司<旋轉(zhuǎn)導向集中研發(fā)項目組>, 北京 100201；2.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院, 黑龍江大慶 163413）

智能導向工具是在鉆具在全旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下鉆進時進行井眼軌道實時導向的一種先進的鉆井工具, 自問世以來在全世界范圍內(nèi)進行了廣泛的應(yīng)用, 實現(xiàn)了鉆井技術(shù)的騰飛。與常規(guī)螺桿+LWD導向鉆進相比, 智能導向鉆進時具有摩阻小、機械鉆速高、井眼凈化效果好、軌道控制精度高、位移延伸能力強等許多優(yōu)點, 因此被認為是現(xiàn)代導向鉆井技術(shù)的發(fā)展方向[1]。

導向控制機構(gòu)作為智能導向工具內(nèi)的重要組成部分, 包括芯軸、電子倉組件、導向機構(gòu)本體、液壓模塊、肋板、彈簧復位板、泥漿軸承和下接頭組件, 在智能導向工具現(xiàn)場施工中起著至關(guān)重要的作用。彈簧復位板的作用在于當液壓模塊活塞從支撐井壁狀態(tài)收回的時候, 依靠彈簧復位板的彈力將肋板從支撐井壁狀態(tài)收回到導向控制機構(gòu)內(nèi), 否則就會刮蹭井壁和破壞井眼, 影響導向效果。故需要設(shè)計出的彈簧復位板能夠滿足快速將肋板收回。采用專門設(shè)計的測試平臺上進行了多次試驗數(shù)據(jù)驗證, 篩選出了符合設(shè)計要求的彈簧復位板, 完全滿足智能導向工具的使用要求。

1 彈簧復位板剛度設(shè)計

1.1 彈簧復位板受力與變形分析

智能導向系統(tǒng)在進行導向作業(yè)施工時, 液壓模塊活塞處于伸出狀態(tài), 彈簧復位板的上部由兩個M8螺栓固定, 彈簧復位板的下端尖頭深入到液壓模塊活塞的下部, 肋板在伸出前, 彈簧復位板已經(jīng)處于受力狀態(tài)。當液壓模塊活塞收回時, 彈簧復位板需要有足夠的彈力將肋板拉回導向控制機構(gòu)內(nèi)。彈簧復位板如圖1所示；彈簧復位板安裝限位圖如圖2所示[2]。

圖1 彈簧復位板

圖2 彈簧復位板安裝限位圖

1.2 力學模型

分析彈簧復位時, 采取如下假設(shè)：

(1)彈簧復位板和肋板之間剛性連接；

(2)彈簧復位板螺紋處端面無變形。

圖3是簡化的力學模型。模型中將整個結(jié)構(gòu)簡化為一端固定, 另外一端自由。液壓模塊活塞未伸出時, 彈簧復位板已處于受力狀態(tài), 產(chǎn)生的撓度變形S為L1, 靠此力將伸縮肋板回收到不旋轉(zhuǎn)外套上。液壓模塊活塞伸出位移最大為L2, 彈簧片的最大允許撓度變形S為L3。因此, 彈簧復位板力學性能要求：彈簧復位板螺紋孔端固定, 另一端受力產(chǎn)生彎曲, 活塞運動到最大位移后, 彈簧復位板仍能夠恢復形變, 即在彈簧復位板彈性范圍之內(nèi), 此類彈簧復位板才能滿足性能要求。

圖3 彈簧復位板受力圖

也就是說, 必須保證：

2 彈簧復位板力學性能實驗分析

2.1 性能測試裝置

彈簧復位板測試平臺如圖4所示, 通過2個M8的螺栓將彈簧復位板固定在測試平臺的固定工裝上, 以此來模擬彈簧復位板與肋板的固定關(guān)系, 并用2個M8的螺栓將固定工裝和測試平臺固定, 以使彈簧復位板右端位于測試平臺上的壓力傳感器的垂直下方。壓力傳感器下移的距離、以及彈簧復位板的反作用力可以在監(jiān)測工控機中準確顯示。

圖4 彈簧復位板測試平臺圖

2.2 彈簧復位板性能測試數(shù)據(jù)分析

A廠家第一批次加工20件彈簧復位板（M6M8兩種規(guī)格各加工10件）, 材料：65Mn, 按硬度HRC 60熱處理, 熱處理工藝：800℃保溫1h, 油淬, 在350℃回火, 硬度HRC在60左右。

抽取其中任意兩件彈簧復位板經(jīng)過測試平臺測試后, 測試數(shù)據(jù)如圖5和圖6所示。橫坐標為彈簧復位板撓度值, 縱坐標為壓力值。其中Ⅱ線為實際測量值, Ⅰ線為直線標定線。

圖5 A彈簧復位板測試數(shù)據(jù)圖

圖6 B彈簧復位板測試數(shù)據(jù)圖

從以上兩個圖中可以看出, 當撓度在16mm以內(nèi)時, 實測力位移曲線與直線標定線幾乎重合, 彈簧復位板在彈性范圍之內(nèi), 當超過16mm后, 彈簧復位板產(chǎn)生塑性變形。

彈簧復位板彎曲變形對比圖見圖7, 左側(cè)為經(jīng)過測試平臺測試過的彈簧復位板, 右側(cè)為未經(jīng)過測試平臺測試過的彈簧復位板。從圖7中非常明顯地可以看到A彈簧復位板變形量非常大, 已經(jīng)產(chǎn)生塑性變形。

圖7 彈簧復位板彎曲變形對比圖

A廠家第二批次加工5件彈簧復位板, 材料：65Mn, 按硬度HRC64熱處理, 65Mn彈簧復位板熱處理工藝：800℃保溫1h, 油淬, 在370℃回火, 硬度HRC在64左右[3]。

抽取其中任意兩件彈簧復位板經(jīng)過測試平臺測試后, 三件均不合格。其中一件在形變14mm時發(fā)生斷裂, 另外兩件發(fā)生塑性變形。如圖8、圖9所示。

圖8 彈簧復位板斷裂圖

A廠家第三批次加工10件彈簧復位板, 材料：65Mn按硬度HRC55熱處理, 65 Mn彈簧復位板熱處理工藝：850℃保溫1h, 油淬, 在360℃回火, 硬度HRC在55左右[4]。

圖9 斷裂彈簧復位板測試數(shù)據(jù)表

抽取其中任意三件彈簧復位板經(jīng)過測試平臺測試后, 產(chǎn)生最大撓度22mm后, 撤去外力后彈簧復位板變形量很小, 彈簧復位板在彈性變形區(qū)域, 初步滿足了設(shè)計要求。如圖10所示。

圖10 彈簧復位板測試數(shù)據(jù)表

3 結(jié)論

（1）將彈簧復位板的受力簡化為力—位移關(guān)系。

（2）測試平臺試驗表明, 在彈簧復位板材質(zhì)65Mn不變得前提下, 不同的熱處理條件下, 彈簧復位板的力學性能變化很大。因此, 熱處理是決定彈簧復位板力學性能的重要因素。