液壓控制式雙向隨鉆擴孔工具研制

李傳武 ，李忠慶，廉光義

(1.中石化 中原石油工程有限公司，河南 濮陽 457001；2. 中石化中原石油工程有限公司 鉆井一公司，河南 濮陽 457001；3.川慶鉆探工程有限公司 新疆分公司，新疆 庫爾勒 841000)

隨著深井、復(fù)雜井鉆井技術(shù)的應(yīng)用，對井下擴孔工具提出了更高的要求[1-2]。新型硬質(zhì)材料的發(fā)展，以及制造工藝的進步為研制高效井下擴孔工具奠定了基礎(chǔ)。隨鉆擴孔工具使用時要求不能影響正常鉆進，能與常規(guī)井下工具匹配，且能在地面開啟或停止井下工具的工作。擴孔功能要求工具能夠擴出所要求的井眼尺寸，而且不影響擴孔鉆井的速度。為實現(xiàn)隨鉆擴孔工具的這些基本功能，國內(nèi)外發(fā)展了多種結(jié)構(gòu)形式的擴孔工具[4-7]。

隨鉆擴孔工具可分為擴眼總成、執(zhí)行機構(gòu)和本體結(jié)構(gòu)，其中執(zhí)行機構(gòu)是啟動或停止工具擴眼作業(yè)的機構(gòu)，擴眼總成則是具體執(zhí)行破巖擴眼作業(yè)，本體結(jié)構(gòu)主要是容納執(zhí)行機構(gòu)和擴眼總成，并與鉆柱、鉆頭等相連[8]。隨鉆擴孔工具的差別主要是擴眼總成和執(zhí)行機構(gòu)的不同。按照執(zhí)行機構(gòu)的不同，隨鉆擴眼工具可分為以重力驅(qū)動的機械式、以離心力驅(qū)動的偏心式和以流體壓力驅(qū)動的液壓式3類，機械式工具存在刀翼打開困難或不回收的缺點，偏心式工具存在離心力不穩(wěn)定導(dǎo)致的擴徑不規(guī)則等缺點。因此，為解決深井超深井鉆進時縮徑的難題，結(jié)合3種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點研制了液壓驅(qū)動的隨鉆擴孔工具。

1 液壓控制式雙向隨鉆擴孔工具工作原理

液壓控制式雙向隨鉆擴孔工具如圖1～2所示。其工作原理為：以鉆柱內(nèi)外鉆井液的壓差為動力驅(qū)動擴孔刀翼同時張開。當(dāng)隨鉆擴孔工具下入到需要進行擴孔作業(yè)的井段后加大泵排量，擴孔工具本體內(nèi)外壓差值增加到3 MPa時，剪切銷釘被剪斷，主動活塞在液壓驅(qū)動作用下向上移動，主動活塞帶動主動推塊推動擴孔刀翼沿本體窗孔上的斜軌道伸出，并在1.5 MPa壓力作用下穩(wěn)定在擴孔位置，進行擴孔作業(yè)。同時，擴孔刀翼推動回位推塊及回位活塞，壓縮回位壓縮彈簧。擴孔作業(yè)完成后，降低泵排量，本體內(nèi)外的壓差降低到0.3 MPa以下，回位彈簧推動回位推塊及回位活塞向下移動，推動擴孔刀翼沿斜軌道退回。

1—本體；2—中心管；3—主動活塞；4—主動推塊1；5—主動推塊2； 6—刀翼； 7—回位推塊；8—剪切銷；9—回位壓縮彈簧；10—預(yù)緊螺母；11—螺紋壓帽。

圖2 液壓驅(qū)動式雙向隨鉆擴孔器實體裝配

如果擴孔刀翼沿斜軌道退回遇阻，可以通過投球到中心管上端的錐面進行蹩壓至10 MPa以上，此時，擴孔工具本體內(nèi)外可以產(chǎn)生幾乎接近泵壓的高壓差，強行將擴孔刀翼推回，以便起鉆[9-10]。

液壓控制式雙向隨鉆擴孔工具可以進行正反兩個方向劃眼。

2 液壓控制式雙向隨鉆擴孔工具的特點

1) 同心擴孔。偏心隨鉆擴孔工具因其結(jié)構(gòu)原因，有以下的缺點：①穩(wěn)定性差、振動劇烈常導(dǎo)致疲勞破壞；②造成井身質(zhì)量較差，井眼軌跡不光滑；③卡鉆風(fēng)險大；④工作方向調(diào)整性能較差，無法在定向井、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等工具中配合使用。本液壓式雙向隨鉆擴孔工具的同心擴孔切削塊能隨鉆擴出同心、足尺寸、高質(zhì)量的井眼。

2) 水力控制。利用系統(tǒng)的壓差，切削塊通過水力驅(qū)動，工具內(nèi)徑暢通；地面壓力可現(xiàn)實切削塊已完全打開；不用鉆壓來驅(qū)動切削塊，確保連續(xù)的足尺寸井眼；停泵后切削塊縮回。

3) 強制收回。如果擴孔刀翼沿斜軌道退回遇阻，可以通過投球進行蹩壓，強行將擴孔刀翼推回，以便起鉆，保證了擴孔作業(yè)的安全。

4) 雙向擴孔。擴孔器刀翼(如圖3)上下兩個冠面上均布有PDC齒[11]，不僅可以正向擴孔，同時也能進行倒擴孔，適合在膏鹽地層縮經(jīng)時反復(fù)劃眼。液壓式驅(qū)動的特點決定了在倒擴孔時只要排量不變，擴孔工具就能穩(wěn)定地進行倒擴孔(這點與鉆壓驅(qū)動式不同)。

圖3 擴孔器刀翼

3 本體強度校核

對于所有的井下工具來說，井下安全使用是至關(guān)重要的一環(huán)，因此，利用有限元方法從兩方面對最大外徑?203 mm的液壓控制式隨鉆擴孔工具本體強度進行校核。驗證工具在轉(zhuǎn)矩作用下問題屈服強度是否滿足要求；及本體的變形引起刀翼收回問題。

材料基本參數(shù)為：彈性模量2.16×1011Pa；泊松比0.3；抗拉強度980 MPa；屈服強度835 MPa。鉆桿最大抗扭強度36 170 N·m，因此，選用最大轉(zhuǎn)矩為40 000 N·m。選擇5～40 kN·m中5個不同數(shù)值進行計算。網(wǎng)格劃分如圖4。

圖4 擴孔工具本體網(wǎng)格劃分

等效應(yīng)力云圖(采用第四強度準(zhǔn)則[12-14])如圖5。計算結(jié)果如圖6～7。

圖5 本體等效應(yīng)力云圖(轉(zhuǎn)矩3 000 N·m)

圖6 本體最大變形量隨轉(zhuǎn)矩變化

圖7 本體最大等效應(yīng)力隨轉(zhuǎn)矩變化

由等效應(yīng)力云圖可知，本體開孔位置的等效應(yīng)力相對較高，但絕對值較低，不同轉(zhuǎn)矩時的應(yīng)力值如表1。當(dāng)轉(zhuǎn)矩高達40 kN·m時，其最大等效應(yīng)力僅為10.6 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服極限835 MPa，強度滿足要求。對應(yīng)的該轉(zhuǎn)矩作用下本體的變形量雖達到0.43 mm，但也不會造成工具刀翼收回困難。

表1 擴孔工具本體強度校核結(jié)果

4 水力參數(shù)計算

液壓控制式隨鉆擴孔工具主要通過地面調(diào)節(jié)泵排量來控制刀翼的收放。在不同的工況條件下其工作排量是不一樣的，它受到井深、額定泵壓、鉆頭噴嘴大小、擴孔工具噴嘴大小、泥漿性能等多種因素控制，現(xiàn)場使用時必須要根據(jù)實際情況計算擴孔器工作參數(shù)[15]。因此，以上述最大外徑?203 mm的擴孔器為基礎(chǔ)，下入井深1 000 m的直井為例進行開展水力學(xué)設(shè)計，具體參數(shù)如表2。

表2 隨鉆擴孔器水力學(xué)計算基本參數(shù)

鉆具組合為：?215.9 mm鉆頭+?215.9 mm×241.3 mm擴孔工具+?159 mm鉆鋌9根+?127 mm鉆桿。

根據(jù)設(shè)計要求，剪斷銷釘需要3 MPa的壓差，經(jīng)過計算需要31 L/s排量，此時泵壓為7 MPa沒有超過額定泵壓。

當(dāng)?shù)兑硗耆蜷_后，此時有六個噴嘴共同工作(鉆頭和擴孔工具上各三個)，要保證1.5 MPa的壓差才能穩(wěn)定住刀翼，經(jīng)過計算需要33 L/s的排量才能滿足要求，此時的泵壓為5.86 MPa，沒有超過額定泵壓，完全滿足施工要求。

5 結(jié)論

1) 通過井深1 000 m的水力學(xué)計算，工具在33 L/s的排量和泄壓時能實現(xiàn)刀翼收放，操作簡單，可控性強，擴孔動作持續(xù)可靠。

2) 刀翼冠部上下布有PDC齒，實現(xiàn)了雙向擴孔功能。

3) 轉(zhuǎn)矩40 kN·m時，工具最大等效應(yīng)10.6 MPa，變形量0.43 mm，強度滿足要求，安全可靠。