套管钻井扩眼器结构设计与启动特性研究.pdf

2 0 1 1 年第 3 9卷第 3期 石 油机械 C HI NA P E TROL EUM MACHI NERY ●设计计算 套管钻 井扩 眼器 结构 设计 与启动特性研 究 马 汝涛 纪友哲 徐玉超 冯 来 王 辉 1 ．中国石油勘探 开发研 究院2 ．中国石油集 团钻 井工程技 术研 究院3 ．胜利石 油管理 局钻井工 艺研究 院 摘要 针对常规扩 眼器井眼扩大率较小 ，难 以满足套管钻 井作 业要求的 问题 ，设计 了一种用 于套管钻井技术的液压臂式扩眼器。综合考虑钻井液流量 、主喷嘴结构、心轴 与壳体 的摩擦力等 因素对扩眼臂张开程度 的影响 ，建立 了该扩 眼器串联在钻头上方时扩 眼臂 的力学模 型。计算表明， 扩眼臂 的旋转角速度 与心轴上下运动线速度呈线性关 系；扩 眼臂与井壁接触后产生的反推力将阻 碍其开启动作 ，接触力 的大小受多种 因素控制。扩 眼器 由液压驱动 ，扩 眼臂 的开启动作 受喷嘴特 性影响很大。实际应用 中，应优化设计复位弹簧及心轴等部件 ，从而提高扩眼器启动的可靠性。 关键词 套管钻 井 扩眼器 力学模型 结构设计 启动特性 0 引 言 钻井过程中使用常规套管代替钻杆由地面向井 下传递机械能量和水力能量的技术称为套管钻井技 术 。早在 1 8 9 0年 ，C h a p m a n M T即提 出 了 随 钻 下 套管的技 术方 案 ，然 而 ，直到 最 近 的 十几 年 ， 套管钻井才为业界所认可并获得长足发展。与传统 钻井方式相比，这一技术具有节约钻时 ，简化套管 层次 ，节省成 本，降低 井漏 、井塌 风险 等特殊优 势 。加拿大 T e s c o公 司 自 1 9 9 7年开 始进行套 管 钻井 现场试 验 ， 目前 已具备 完备 的地 面 和井 下工 具 ，在陆地和海洋钻 井作业过程 中均获得 重大成 果 ，在业界可谓一枝独秀 。套管钻井底 部钻具 组合主要 由领眼钻头 、钻铤 、稳定器和随钻扩眼器 等组成 ，其中随钻扩眼器是关键部件 ，其性能优劣 直接影响机械钻速的快慢 和井身质量 的好坏。 我 围自2 0世纪 9 0年代末开始关注套管钻井发 展状况 ，至今已做过多次现场试验 ，然而研究焦点 集中在单行程表层套管钻进技术 ，目前 尚未研发出 性能可靠 、专用于套管钻井的随钻扩眼器 ，而能够 指导扩眼器设计 的理论成 果亦 罕有报道E 9 。笔 者设计了一种扩眼器 ，并建立了该扩眼器串联在钻 头上方时扩 眼臂 与心轴 、井壁相互作 用 的力学模 型 ，求解了钻井液流量 、喷嘴结构与扩眼臂开启速 度的相互关系。分析结果有利于指导扩眼器设计 以 及优选钻井参数 ，推动随钻扩 眼器在套管钻井技术 中 的应用 。 1 随钻扩 眼器结构 与工作原理 套管钻井专用随钻扩眼器与常规扩眼器的不同 主要体现在 以下几个方面 ①井眼扩大率较大 ，通 常达到 5 0 ％ 左右 ，常规扩 眼器 一般不超 过 2 5 ％ ； ②] 二 作时间较长 ，为减少起下钻头次数，扩眼器工 作寿命应与领眼钻头相 当；③注重与领眼钻头 、稳 定器等井 下工具 的性能 配合 ，以保 持较高机械 钻 速 ，同时改善井身质量 。 根据套管钻井技术对扩眼器的特殊要求 ，提出 了一种新型结构的扩眼器，如图 1 所示。 图 l 随钻扩眼器结构示意 图 1 一壳体 ；2 --心轴 ；3 一主喷嘴 ；4 一复位 弹簧 ； 5 一扩眼臂 ； 6 一定位销轴 ； 7 一密封圈。 扩眼器壳体 内设置有可以上下活动的心轴 ，心 基金项 目国家 “ 8 6 3 ”计划项 目 “ 套管钻井技术” 2 0 0 6 A A O 6 A1 0 7 ；中国石油集 团公 司科技项 目 “ 车载小井眼套管钻井专用钻机 研制” 2 0 0 8 C一2 0 0 3 。 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷第 3期 轴上端部装有主喷嘴，下方与复位弹簧相接。心轴 中部设计有齿条机构 ，与扩 眼臂的不完整齿轮相配 合 。当钻井液以一定流量通过喷嘴时，由节流效应 产生的压差将推动心轴压缩弹簧 ，同时带动扩眼臂 绕定位销轴旋转 ，完成扩眼器的开启动作 ；流量降 低到一定程度后 ，心轴在弹簧回复力作用下 向上运 动 ，带动扩眼臂 向壳体内旋转 ，完成扩眼器的关闭 动作 。扩眼臂下方的壳体上镶嵌有硬质合金块 ，可 实现 稳定 器功 能。 该扩眼器活动部件少 ，且动作频率极低 ，故不 至于因部件相对运动而造成损坏 ；传动机构为应用 广泛的齿轮齿条副，力学性能可靠 ；扩眼臂近似为 块状 ，强度较高 ；主喷嘴与心轴分离 ，可根据实际 需要进行更换。 2 随钻扩 眼器启 动特性研 究 套管钻井过程 中，装备有随钻扩眼器 的底部钻 具组合典型结构 ，如图 2所示 ，此时扩眼臂已完全 张开且进入工作状态。 图 2装备有随钻扩眼器的底部钻具组合 1 一上部钻柱 ；2 一扩 眼器 ；3 --扶 正 器 ； 4 一 短钻 铤 ； 5 一领 眼钻 头。 在实际钻井 中，扩眼臂在井下的动作受到多种 因素影响 ，包括钻井工艺参数 泵压 、流量及钻井 液性质等 ；扩眼器机械结构 因素 喷嘴形状 、心轴 外形 、密封圈引起的摩擦力等 ；甚至还可能受地层 因素影响 ，因而难以精确描述。扩眼器的启动主要 体现为扩眼臂的旋转运动 ，旋转角速度受心轴运动 速度的直接影响 ；旋转角加速度受到心轴传递的液 体压力以及扩眼臂接触井壁引起的反推力的影响。 笔者从分析运动部件的受力状况人手 ，建立扩眼臂 与心轴相互作用的力学模型，进而分析了心轴移动 速度及扩眼器内部结构对扩眼臂运动与受力的影响 规律 。 2 ． 1扩 眼臂 受 力分析 扩眼臂 由定位销轴紧固在外壳的矩形槽中，左 右两侧面受壳体限制 ，不可移动 ，只能围绕销轴旋 转。扩眼臂 由齿轮齿条机构驱动 ，齿条与心轴固结 为一体。心轴受到齿轮齿条配合的约束 ，安装后不 可旋转，只能沿壳体轴线上 、下运动。如 图 3所 示，扩眼臂的驱动力来 自齿条施加于轮齿上的压力 图 3 扩 眼 臂 受 力分 析 图 ， ，阻力包括扩跟臂重力 以及与井壁的接触力 ，对旋转中心取力矩平衡 ，有 F m ， L s i n t o t F L ，0v t t a n a 0 1 式中 单个扩眼臂重力 ，N； L ， 第一切 削刃至定位销轴 中轴线距离 ， m ； L 扩眼臂重 心定位销轴中轴线 的距离 ， m ； b ， 扩眼臂 由竖直位置旋转扫掠 的 角度 ，r a d ； F 齿轮齿条啮合部位的接触力 ，N； 齿轮齿 条啮合 线起始点 至定位 销轴 中轴线的距离，m； 心轴速度 ，m ／ s ； 0 1 齿轮压力角 ，设计为 2 0 。 。 2 ． 2心轴 受力分 析 心轴首尾都设计为活塞型式 ，均开有密封槽， 装有密封圈。心轴与壳体内腔配合 ，在液压和弹簧 力作用下可沿壳体轴线上下运动 ，如图 4所示。 心轴静力平衡方程为 ， l Fm ， F， F F 2 2 式中F ， 心轴上端面承受的压力 ，N； F。 心轴下端面承受的压力 ，N； F 密封圈与外壳之间的摩擦力 ，N； F 钻井液对心轴运动的阻力 ，N； F 弹簧 回复力，N。 上述各力 由下列方程式确定 F p ．P 。 w ／ 4 d d 一P 3 v ／ 4 d d 3 2 0 1 1 年 第 3 9卷 第 3期 马汝涛等 套管钻井扩眼 器结构设 计与启动特性研 究 F p P 2 丌 ／ 4 d ； ～d 4 F C 。 F 5 F C 2 6 F 0v t 7 式 中P 壳体空腔中心轴上方钻井液压力 ，P a ； p 壳体空腔内心轴下方钻井液压力 ，P a ； p 阻尼孔附近环空钻井液压力 ，P a ； d n 心轴上部主喷嘴内径 ，m； d ． 心轴头部外径 ，m； d ， 心轴本体部分外径 ，m； d 心轴尾部外径 ，m； d 心轴尾部 内径 ，m； C 0形密封圈与壳体之间摩 阻系数 ，无 量纲 ； C ， 粘性阻尼系数 ，无量纲 ； F ， 心轴轴 向合力 ，N； 弹簧刚度 ，N ／ m； ‰弹簧预压缩量 ，I n 。 图 4传 动 机 构 受 力分 析 2 ． 3 扩眼臂启动特征参数分析 表征扩眼臂 开启程 度 的几何 参数 为 0 见 图 3 ，然而 0为静态值 ，虽然可以求解 ，但结果不具 一 般性 。笔者考虑另一相关参数 ，即扩眼臂 绕销轴的旋转角速度 。于是得到 与心轴速度 之 间的关系 l F m ， J r s i n to t l t a n cx _ ～ 一∞ c o s t o t v t t a nt ～一 。 。 一、 K L r 0v t t a n 8 因钻井液的粘性阻尼相对于其他力很小 ，求解 过程 中已将其忽略。同时 ，若不考虑扩眼臂与井壁 的接触 ， 0 ；此外 ，依据受力平衡条件 ， 与 t 无关 ，上式进一步简化为 ∞ 9 ～ ∞ y A L m 式 9 说明 ， 与 之 间呈线性关 系，其 比 例系数仅与扩眼臂质量 、形状 、安装位置 以及弹簧 刚度有关 。在 一定 的前提 下 ，如果 希望 小一 些 ，从而减轻扩眼臂开启结束时 的冲击 ，可以减小 弹簧刚度 见图 5 ，或设法增大扩眼臂质心 与旋 转 中心 的距 离 。 I ∽ ● 勺 妻 一 ＼ 征 图 5 扩 眼 臂 角速 度 与 心轴 速 度 关 系 曲线 根据工作场合 的需要，扩 眼臂开启过程 中可能 直接与井壁接触，此时 南方程 1 获得 ，即有 1 【 F r ro Ⅲ a n 一 ￡ in ∞ J 1 0 观察式 1 0 可 以发现 ， 受到钻井液压力 、 心轴形状 、喷嘴特性 、扩眼臂形状和质量 以及心轴 运动速度等 多种 因素影 响。不妨令 t 0 ，此时有 WmF ，将式 9 代人式 1 0 ，则有 [ 一 F pz 一 F 】 1 1 求解 F 。 。 时还将用 到钻头水 眼压降 △ p 以及 因 心轴 内钻井液流道突变弓 l 起的局部水头损失 ， ，这 里 ，将 取为常数 ；而 ， 由下式计算 r 1 2 1 3 葡 式 中 局部水头损失系数 ，无量纲 ； ，心轴 内钻井液流速 ，m ／ s 。 图 6表明扩眼器 主体结构一定时 ，接触力 随流量的增大而增大 ，即水力能量越大 ，输出的力 也越大 ，但随喷嘴通 径增 大，流量对 的影 响程 度逐渐减小 ；在 流量相 同时 ， 随主喷嘴直径 的 减小而增 大，其原因在于喷嘴通径越小 ，节流效应 越显著 ，产生 的压降也越 大。压 降作用于心轴 的 上 、下端 面，引起压力差的增大，这一压力通过齿 轮齿条传递给扩眼臂 ，使得 F 增大 。 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷第 3期 Z ＼ R 摇 糙 ／ 2 2 Il l n l／ ／ f／ 一 do 3 0 m n 1 图6接 触力与流量关 系曲线 3 结 论 1 设计 了一种专用于套管钻井 的液压臂式 随钻扩 眼器 ，受力分 析表 明扩 眼器 不可作 为独 立工 具进行设计 ，而应同时考虑该部件与其他部件 ，特 别是钻头的水力能量分配所带来的影响。 2 扩眼器 的启动主要体现 为扩 眼臂 的旋转 运动 ，其旋转角速度与心轴上下运动的线速度呈线 性关系 ，比例系数与扩眼臂质量 、形状尺寸 、复位 弹簧的刚度等因素有关 ；扩眼臂与井壁接触后产生 的反推力将阻碍扩眼臂的开启动作 ，接触力的大小 受多种因素控制；当扩眼器结构一定时 ，该力随主 喷嘴流量的增大而增大 ；而流量一定时 ，该力随主 喷嘴通径的增大而减小。 3 扩眼器 由液压驱动 ，计算表 明，扩 眼臂 的开启动作受 喷嘴特性 影响很大。实际应 用过程 中，应通过试验确定主喷嘴的流量系数及局部水头 损失，并据此优化设计复位弹簧及心轴等部件 ，以 提高扩眼器启动的可靠性。 参考文献 [ 1 ] C h a p m a n M T ． We l l s i n k i n g a p p a r a t u s U 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a r r e n T M ， Ho u t c h e n s B， Ma d e l l G． Di r e c t i o n a l d r i l l i n g w i t h c a s i n g[ C]． S P E ／ I A D C 7 9 9 1 4，2 0 0 3 ． Wa r r e n T M，J o h n s R，Z i p s e D ． I mp r o v e d c a s i n g l a i n n i n g p r o c e s s[ C ]． S P E ／ I A D C 9 2 5 7 9 ，2 0 0 5 ． 姜伟 ，涂学翔 ． 套 管钻井技 术首 次在我 同海上 钻 井作业 中的应 用[ J ] ．石 油 钻 采工 艺 ，2 0 0 3 ，2 5 3 2 72 9 ． 牛洪波 ，胥豪 ，陈建隆 ．胜利滩海油 田表层套管 钻井技术研究与应用 [ J ]．石油钻探技术，2 0 0 7 ， 3 5 53 23 4 ． 第一作者简 介马汝涛 ，生于 1 9 8 2年 ，2 0 0 8年毕业于 中同石油 大学 华 东 ，获硕 士学 位 ，现 为 中国石 油勘 探 开发研究 院博 士研 究生 ，主要从 事套管 钻井井下 工具研 发 T 作 。地 址 1 0 0 1 9 5北 京 市 海 淀 区。 电 话 0 1 0 5 27 81 8 3 0。 E ma i l ma ru t a o g ma i l ． c o i n。 收稿 日期 2 0 1 0 0 81 3 本文编辑南丽华 南 阳二机集 团低 温钻机项 目获河南省科学技术进步一等 奖 随着世界性 经济发展 和能源危 机矛 盾的 日益加剧 ，石油勘 探开发 不得不更 多地 深入到深 海和极地 高寒地 区。北纬 3 8 。 以北的高纬度地 区蕴 含了大量 的石 油资源。我 国东北 、西北 以及俄 罗斯 、加拿大 等地 区 ，冬 季温度 低 、时间长 ，要求 钻机 能够在 一 4 5℃环境下正常丁作 。现行钻机都属于常温环境钻井装备 ，难 以适应高寒 地 区石油勘 探开发作业 要求。美 国 A P I 规范推荐钻机适 应的最低温度 为 一 2 O℃ ，国际上对适应 于 一 2 O℃ 以下温度环 境的钻 机还缺乏 系统研究 ，尚无统一 的设计 制造标准。 作为石油钻采装备研制的专业骨干企业 ，南阳二机集团及早筹划，率先与清华大学、郑州轻工业大学联合开展了低温 钻机设计与制造技术 的研 究开发 ，并在钻机 的低 温适 应性研究 方面取得 了重 大突破 。通过 对钻机制造 材料 、结构设计 、制 造技术等方面的系统攻关 ，使 钻机 的最 低服役 温度 由 一 2 0℃提升 到 一4 5℃ ，拓展 了钻机 的适 应范 嗣，并 在国际上 首次制 定 出低温钻机标 准 ，主要技术 指标 达到 同际 先进水 平 ，形成 --4 t L 具有 自主知识 产权 的核心 技术 。南 阳二机 石油 装备 集 团有限公司研 制开发的 “ 适用于 一 4 5℃高寒地 区的石油钻机” 项 目被评为河南省科学技术进步一等奖。 杨挺