新型液压随钻扩眼器的研制.pdf

机械 研究 与应用 2 0 1 5 年 第1 期 第2 8 卷， 总 第1 3 5 期 设计与制造 新型液压 随钻扩 眼器 的研 制 卿山盟， 陈颖， 周 威 西 南石油 大学 机 电工程学院， 四川 成都6 1 0 5 0 0 摘要 鉴于目前小井眼侧钻缩径卡钻和小井眼固井质量差的难题 ， 设计 了一种安全性和可靠性非常高的扩眼器。 该工具采用机械式硬 支撑设计 方案， 具有 P D C切 削效应 ， 可 实现随钻 扩眼 ， 并将 1 1 8 m m钻 头所钻进 的 井眼机 械式扩 眼至 1 4 5 m m。该 工具通过投球 憋压 实现 刀翼收放 。 当刀翼完全打开时 ， 由连接接 头上 的定位套使 P D C刀翼的位 置稳 定不变． 实现硬支撑。此扩眼器原理正确、 结构可靠， 为从根本上彻底解决小井眼固井难和小井眼缩径、 卡钻频繁等情 况提供 了一种 有效的手段 。 关键词 液压 ； 随钻 扩眼 ； 硬 支撑 ； P D C切 削 中图分类号 T E 9 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 7 - 4 4 1 4 2 0 1 5 0 1 - 0 0 9 9 - 0 3 Re s e a r c h o n a Ne w- - pa t t e r n Hy dr a u l i c Pr e s s ur e Re a me r Q I N G S h a n - me n g ， C H E N Y i n g ， Z H O U We i S c h o o l o f Me c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g， S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y ， C h e n g d u S w h u a n 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f t h e p r o b l e ms s u c h a s t h e s l i m h o l e s i d e t r a c k i n g i s e a s i l y s t i c k i n g a n d h as a b a d c e me n t i n g q u a l i t y ，a s a f e a n d r e l i a b l e r e a me r h a s b e e n d e s i g n e d i n t h i s p a p e r ． T h e t o o l w i t h P DC c u t t i n g e f f e c t i s d e s i g n e d f o l l o win g t h e me c h a n i c al h a r d s u p p o d e s i gn s c h e me wh i c h c o u l d a c h i e v e r e a mi n g wh i l e d r i l l i n g ，a n d c o u l d me c h a n i c all y r e a m t h e b o r e h o l e w h i c h d ri l l e d b y 1 1 8 mm b i t t o 1 4 5 mm．T h e t o o l e x p a n d s a n d s h ri n k s t h e b l a d e s t h r o u g h p i t c h i n g p r e s s u r e ．Wh e n t h e b l a d e s e x p a n d t o t h e o p e n i n g s i z e ， t h e p o s i t i o n s l e e v e o f j o i n t s r e m a i n s t h e p o s i t i o n of P D C b l a d e s s t a b i l i t y t o e n s u r e the h a r d s u p p o ．T h e t o o l wi t h c o r r e c t p r i n c i p l e a n d r e l i a b l e s t r u c t u r e p r o v i d e s a n e f f e c t i v e s o l u t i o n t o S O l V e the s l i m h o l e p r o b l e ms o f c e me n t i n g d i f fi c u h y ，r e d u c i n g d i a me t e r a n d s t i c k i n g f r e q u e n t l y ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c p r e s s u r e ；r e a m w h i l e d ri l l ；me c h a n i c a l h a r d s u p p o r t ；P DC c u t t i n g O 引 言 随钻扩眼技术是一种具有发展潜力 的钻井新技 术。随钻扩眼技术就是采用 随钻扩眼工具和常规钻 头程序 ， 在全面钻进的同时扩大井眼直径的一种钻井 技术 。随钻扩眼技术可实现深井小 间隙井段 固井 ， 增 大生产套管的尺寸， 有利于完井及修井作业。扩眼器 的最早雏形可以追溯至上世纪 9 0年代初期逐渐投入 使用的双心钻头 ， 而后产生跟它扩径原理相同的偏心 式扩眼器 ， 接下来的是机械式扩 眼器 ， 目前市面上主 流的是液压式扩眼器。目前使用的液压扩眼器在使 用过程 中主要存在 以下 问题 服务费用昂贵 ； 利用压 差推动刀翼张开 ， 但不能准确判断刀翼是否张开到扩 眼所需尺寸 ； 井眼尺寸扩大有 限； 刀翼张到最大后没 有锁定机构 ， 随着压力的变化 外径易发生变化 ； 易产 生泥包 ； 水 眼处没有单流阀， 水眼容易堵塞 J 。 目前 ， 国外 S m i t h 、 H a l l i b u r t o n 、 B a k e r H u g h e s 、 N O V 等公司在生产扩眼器。其中 S m i t h公 司推出的 R h i n o X S型 液 力 驱 动 式 扩 眼 器 最 具 有 代 表性 。H u g h e s C h r i s t e n s e n公 司的 G a u g e P r o和 A n d e r g a u g e公 司 的 A n d e r r e a m e r 优势独特 ， 短期内即获得广泛应用。 2 0 世纪7 0年代初 ， 井下扩眼技术从国外引入国 内。大港 、 辽河 、 胜利油 田等 单位在跟踪考察国外 技术的基础上 ，陆续研制 了不同规格的扩眼器 ，其 中辽河油 田、 胜利油 田研制的几种随钻扩眼器 比较有 代表性。辽河油田设计的 Z K 6 1 2型同步扩眼器和 R WD一1 5 2型随钻扩眼器。胜利油 田研制的机械式 P D C随钻扩眼器和 B G型扩 眼器等。但跟 国外的技 术差距较大。为此 ， 笔者研制出一种安全性和可靠性 较高的新型随钻液压扩眼器。 1 新型液压硬支撑随钻扩眼器技术分析 1 ． 1 新型液压硬支撑随钻扩眼器的结构 新型液压硬支撑随钻扩眼器结构如图 1所示 ， 其 解决了偏心式随钻扩眼工具所形成 的井径不规则 、 扩 径量小和液压式软支撑随钻扩 眼器易形成糖葫芦井 眼的问题， 保证了 P D C刀架在伸开后轴向和径向的 位置稳定不变 ， 达到硬支撑的 目的， 使钻 出的井眼更 加稳定 ， 具有不缩径 、 不卡钻的特点 。 1 ． 2 新型液压硬支撑随钻扩眼器的工作原理 打开时 小井眼扩眼工具借助于高压钻井液作用 在活塞上下端面上 的压力差产生一定的静压力 ， 剪断 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 0 3 作者简介 卿山盟 1 9 8 8 一 ， 男 ， [ J l l 广汉人 ， 在读硕士 ， 主要从事井下工具的设 计与研 究方 面的工作 。 9 9 设计与制造 2 0 1 5 年 第1 期 第2 8 卷， 总 第1 3 5 期 机械研究与应用 剪销后 ， 利用活塞轴上的斜 面和斜面销推动 P D C刀 片到设计时确定 的张开尺寸 ， 并将力传递给 P D C刀 片， 连续不断地作用使 P D C钻头往下切削岩石而形 成机 械进尺。同时 ， 利用连 接接头 上 的定 位套 ， 使 P D C刀片的位置稳定不变 ， 钻出的井眼尺寸稳定 。 图l 新型液压硬支撑随钻扩眼器示意图 1 ． 下接 头2 ． 主壳体3 ． 扩眼刀翼4 ． 活塞轴5 ． 橡胶皮碗 6 ． 壳体 上接头7 ． 小活塞8 ． 返 向缸体9 ． 变 流套1 O ． 反 向 夜缸1 1 ． 反向中心轴1 2 ． 剪钉l 3 ． 密封圈1 4 ． 钢球 收 回时 当需要 收 回 P D C刀片 时， 上提 钻柱 1 米 ， 投入 1 英寸钢球 ， 憋压剪断变流套的剪销 ， 迫使变 流套下移， 使泥浆进入返向液缸， 在高压泥浆的作用 下 ， 推动返 向活塞剪 断返 向液缸剪销 ， 迫使返向活塞 和固定着 P D C刀片 的主壳体一起 向下移动 ， 强力迫 使 P D C刀片收 回到原始尺寸。此时 ， 由于设计 了特 殊的通道 ， 泥浆仍然可以通过一定的孔径循环。 1 ． 3 性能指标和特点 外径 上部 1 0 5 m m， 下部 9 9 m m； 领 眼钻头尺 寸 l 1 8 m m； 扩眼钻 头本体尺寸 1 0 5 m m； 扩眼钻 头扩眼尺寸 1 4 5 mm； 工具长度 1 ． 7 2 m； 打开扩眼 钻头的液缸活塞直径 8 0 m m； 液缸行程 5 O m m。 1 ． 4 伸缩式硬支撑扩眼器的工作参数 1 泥浆泵泵压达到 3 5 MP a ， 打开安全液缸。 2 泥浆泵泵压达到 1 52 0 M P a时 ， 使 主壳体 缸体安全剪钉剪断。 3 投球后泥浆泵泵压达到 1 l～1 3 MP a时 ， 使 变流套安全剪钉剪断。 4 变流套下移后 ， 泥浆泵压达 到 1 3 2 0 MP a 时， 使返向缸体安全剪钉剪断。 5 小井眼扩眼工具的扩径量将 1 1 8 m m钻头 机械式扩径至 1 4 5 m m。 2 力学分析 2 ． 1 刀翼 受 力分析 液压扩眼器刀翼收放受力 如图 2所示 。 1 当 F较小时 F s i n 0≤ ， C O 8 0 _ 0≤ a r e t a n／ x 1 2 当 F F 时 F c o s 0≥／x F s i n 0 2 0 ≤ a r e e o t F Nc o s 0一 f s i n 0 3 F s i n 0 C O 8 0一／ s i n 0 0 ． 5 F ／ l s i n 2 一0 ． 5 ／ z F 式中 a r e t a n ； F为活塞推力 ， k N； N为滑道支持 ． 1 O0 力 ， k N； ／ ’ 为滑道摩 擦力 ， k N； F ， 为岩石 径 向反 作用 力 ， k N； F 为刀翼径向推力 ， k N。 当活塞轴上的液压推力 F足够大时， 可以得到 刀翼产生的抵抗外部的径向力 F 与斜面倾 角 0及 有关 ， 且 0 ∈[ 0 ， 4 5 。 ] ， ∈ 0 ． 3 5 ， 0 ． 5 。 图2 刀翼受力图 2 ． 2 活塞轴的行程与刀翼的伸 出量之间的关系 由图 3可知 日 t a n O x L 4 要保证扩径量达到规定尺寸 ， 就要综合考虑活塞 轴行程 L及 0的取值。综上 ， 得到 0 ∈ 1 8 ． 2， 2 2 ． 8 ， L∈ 3 5 ， 6 0 。 初步设计取 中间值 2 2 ． 7 8 。 ， 0 2 2 。 ， t a n 0 0． 4， ／ x0． 4 2， 日2 0。 将上述数据带人式 4 得 L 5 0 F 0 ． 5 F ／ 1 t x s i n 2 o 一0 ． F 0 ． 5 F、 s i n 4 4 。 a r e t a n 0 ． 4 2一0 ． 5 X 0 ． 4 2 F 0． 2 28 4F 图 3 活塞轴的行程与刀翼的伸出量关系示意图 2 ． 3 剪钉的计算 剪钉全部使用 4 5号钢制造 ， 6 0 0 N ／ ram ， 7 - b 0． 6， b 3 6 0 N／r am 。 2 ． 3 ． 1 打开钻头活塞与液缸的剪钉 剪钉数量 m2 ， 剪 钉直径 d8 m m， 剪 断时载 荷 p b ． m ． 3 6 0 2 华 3 6 ． 1 9 k N 5 活塞轴下端泥浆出 口直径 d 1 0 m m， 喷嘴面积 S 0 ． 7 8 5 l I l m ， 则钻井液流过小 口径嘴 口时产生的压 力降 △ P 为 1 8 ． 5 M P a ，主缸体活塞 向下 的推 力为 3 9 ． 5 5 1 k N。 即泥浆 排量 必须 大于9 L ／ s 时 ， 才 可 以 机械研究 与应用 2 0 1 5 年 第1 期 第2 8 卷， 总 第1 3 5 期 设计与制造 剪断该剪钉 。 2 ． 3 ． 2投球剪断的剪钉 剪钉数量 m1 ， 剪 钉直径 d6 m l n ， 剪 断时载 荷 prb ．m竿 3 6 0 1 rr x 8一 1 0 ． 1 8 k N 6 只有在投球之后 ， 承压面积成为 S 8 0 4 m 1 3 1 ， 只 要液压力为 1 MP a时 ， 推力就达到 0 ． 8 04 k N， 则当液 压力达到 1 3 MP a 时 ， 就可以剪断此剪钉。 2 ． 3 ． 3 返向活塞与液缸的的剪钉 剪钉数量 m 2 ， 剪钉直径 d 8 ra i n ， 剪断时载荷 12 f 、2 p T b m 3 6 0 2 华 3 6 ． 1 9 k N 7 返 向活塞与液缸承压面积为 S 2 3 8 3 mm ， 液压 力为 1 MP a时 ， 推力为 2 ． 3 8 3 k N， 则当返 向液缸压力 达到 1 6 M P a时 ， 就可以剪断此剪钉。 3 地面 测试 与现场应用 1 1 8 IT l m液压扩眼器加工完成后 ， 进行地面组装 ， 组装顺序为壳体一下接头一上接头 。 地面测试主要对下部销钉剪切 、 刀翼张开到位及 刀翼收回情况进行试验 ， 具体步骤如下 加压泵对工具加压 3～5 MP a ， 打开安全液缸 ； 继 续加压至 1 5～ 2 0 MP a ， 刀翼张开； 张开直径 1 4 5 m m， 刀翼锁定 ； 投球后加压至 1 1～1 3 MP a ， 变流套安全剪 钉剪断 ； 变流套下移后 ， 泥浆泵压达到 1 3～2 0 MP a 上接第 9 8页 60 58 5 6 5 4 5 2 50 4 8 4 6 44 42 4 0 一 图 4 F e S i 5 0铸 锭 距离 中心的距离／ ta m a s i 元素成分分雍 距离中心的距离／ m b F e 元素成分分布 图5 F e S i 5 0铸锭元素沿纵向分布 时， 使返向缸体安全剪钉剪断刀翼收回。 4 结论 1 1 8 mm随钻液压扩眼器在试验井进行 了现场应 用， 经过钻后测井井径曲线对比分析， 使用本扩眼器 扩眼后 ， 井眼的扩大率为 2 0 ％ ～ 2 5 ％ ， 现场应用效果 良好 。新型液压扩眼器扩眼直径误差小于 5 ％ ， 扩眼 外径调节范围最大 可至直径 的 2 5 ％左右 ， 能够满足 小井眼扩眼要求。新型随钻液压扩眼器克服了传统 的纯靠流体的压差来张开刀翼方法 的不足 ， 而采用投 球 、 憋压推动活塞高效运行 的方法 ， 使扩眼器刀翼伸 出和收回的动作准确无误。 参考文献 [ 1 ] C o u r v i l l e D F ， C h i l d e r s R D， M i l l e r G C ．We l l b o r e e n l a r g e me n t f o r a d e e p w a t e r c a s i n g p r o g r a mc ase s t u a y a n d d e v e l o p me n t s[ R] ． I ADC ／S P E 8 71 5 3， 2 0 0 4 ． [ 2 ] S k e t c h i e r B C， F i e l d a r C M， L e e B E ．N e w b i c e n t e r t e c h n o l o g y p 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