鄧都都,陳云龍,蔡家品,阮海龍,趙義

(北京探礦工程研究所,北京 100083)

0 引言

隨鉆擴(kuò)孔器是在鉆井過(guò)程中對(duì)井眼進(jìn)行擴(kuò)大的一種井下工具[1,2]。該工具能夠改變井身結(jié)構(gòu),通過(guò)擴(kuò)孔可以減小套管柱之間的間隙,提高鉆探的機(jī)械鉆速,有效降低鉆井成本;在鉆井過(guò)程中遇到了鹽膏層段時(shí),其蠕變縮徑會(huì)造成卡鉆、擠壓套管等問(wèn)題,采用井下隨鉆擴(kuò)眼器能避免因鹽膏層蠕變帶來(lái)的鉆井復(fù)雜事故,有效地保護(hù)套管,提高鉆井的安全性;在固井時(shí),通過(guò)井下擴(kuò)孔技術(shù),在不改變套管尺寸的情況下,可增加套管的環(huán)空間隙,有利于提高固井質(zhì)量;在老井的儲(chǔ)層改造中,采用隨鉆擴(kuò)孔器能夠在不傷害井身結(jié)構(gòu)的同時(shí),對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行擴(kuò)大,提高礦藏的采收率。因此,隨鉆擴(kuò)孔器作為一種多用途的井下作業(yè)工具,在國(guó)內(nèi)外鉆井現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用非常廣泛[3-5]。

1 隨鉆擴(kuò)孔器的技術(shù)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)隨鉆擴(kuò)孔器的研究較為深入[6-9],形成的產(chǎn)品也多種多樣,現(xiàn)在已基本淘汰了固定翼式和機(jī)械擴(kuò)張式的擴(kuò)孔器,主流產(chǎn)品均為滑移液壓擴(kuò)張式擴(kuò)孔器?；埔簤簲U(kuò)張式擴(kuò)孔器的動(dòng)作可靠,鉆井效率高,其控制方式大多采用投球或壓差開啟方式,刀翼收回則普遍采用停泵卸壓后靠彈簧收回的方式。工具結(jié)構(gòu)主要采用整體式工具體,或者由兩個(gè)短節(jié)組成。刀翼普遍采用硬質(zhì)合金體鑲嵌PDC塊,并帶倒劃眼功能的結(jié)構(gòu)形式。該工具普遍可以在原井眼尺寸基礎(chǔ)上將井眼實(shí)際擴(kuò)大20%以上,有的甚至可以達(dá)到50%以上。

中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院聯(lián)合中國(guó)石油大學(xué)研制了YK 304-444.5隨鉆擴(kuò)孔器[10],擴(kuò)孔器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該擴(kuò)孔器工作中開泵后,鉆井液流經(jīng)活塞上的噴嘴產(chǎn)生一定的壓降,由此形成的壓力推動(dòng)活塞下行,活塞上的支撐裝置支撐3個(gè)擴(kuò)眼刀翼外張,當(dāng)擴(kuò)眼刀翼達(dá)到最大外張位置時(shí),可進(jìn)行擴(kuò)眼鉆進(jìn)作業(yè);作業(yè)完畢停泵后,壓力降消失,活塞在復(fù)位機(jī)構(gòu)的作用下復(fù)位,擴(kuò)眼刀翼將同時(shí)收回刀槽內(nèi)。

圖1 YK304-444.5隨鉆擴(kuò)孔器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of YK304-444.5 reamer while drilling

中海油與中國(guó)石油大學(xué)(北京)、寶雞石油機(jī)械有限公司合作研發(fā)了一款直徑152.4 mm 的液壓隨鉆擴(kuò)孔器[11],該擴(kuò)孔器結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。擴(kuò)孔時(shí),投入小鋼球并加壓,在壓力作用下將剪切銷釘剪斷,下球座下行,下接頭內(nèi)部有噴嘴,在壓力作用下噴嘴內(nèi)外會(huì)產(chǎn)生壓耗,工具腔體憋壓,在壓力作用下活塞上行,推動(dòng)上限位體、刀翼及下限位體等上行,刀翼沿凹形槽向外伸出,鉆井液從密封套內(nèi)部經(jīng)循環(huán)孔進(jìn)入活塞內(nèi)部小孔,一部分進(jìn)入密封套與本體間隙并經(jīng)凹形槽噴出,另一部分經(jīng)下限位體的移動(dòng)噴嘴噴出,達(dá)到?jīng)_洗刀翼的目的。擴(kuò)眼作業(yè)結(jié)束后,停泵泄壓,刀翼在復(fù)位彈簧的作用下自動(dòng)收回,如果刀翼收回失敗,投大鋼球并加壓,在壓力作用下剪斷剪切銷釘,上球座下行,推動(dòng)活塞等下行,實(shí)現(xiàn)刀翼自動(dòng)收回。上接頭內(nèi)有循環(huán)孔,在刀翼強(qiáng)行收回的過(guò)程中能建立循環(huán)。

圖2 直徑152.4 mm液壓隨鉆擴(kuò)孔器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of 152.4 mm hydraulic reamer while drilling

圖3為斯倫貝謝公司研制的Rhino XS系列全排量可伸縮擴(kuò)眼器[12]。在正常鉆井作業(yè)狀態(tài)下,該隨鉆擴(kuò)眼器的刀翼在彈簧結(jié)構(gòu)的控制下緊貼心軸,當(dāng)鉆進(jìn)至待擴(kuò)眼地層時(shí),投球憋壓,滑筒銷釘被剪斷,滑筒下行,改變流體流動(dòng)通道,流體分流至鉆具內(nèi)和擴(kuò)眼器水眼兩部分;開泵并逐漸提排量,當(dāng)鉆具內(nèi)外壓差達(dá)到5.5 MPa時(shí),推動(dòng)擴(kuò)眼器活塞,使得擴(kuò)眼刀翼克服彈簧推力并沿本體的“Z”型槽向上、向外推出,擴(kuò)眼器激活到擴(kuò)眼狀態(tài);當(dāng)擴(kuò)眼結(jié)束停泵后,彈簧機(jī)構(gòu)推動(dòng)擴(kuò)眼器刀翼下行并沿本體槽收回。

圖3 Rhino XS系列擴(kuò)眼器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of Rhino XSseries reamer

圖4為威德福Rip Tide擴(kuò)眼器[13],該擴(kuò)眼器分為上、下兩短節(jié),上短節(jié)為控制部分,下短節(jié)為擴(kuò)眼器部分。上部分可通過(guò)兩種方式控制動(dòng)作,即投球和射頻識(shí)別RFID(Radio-Frequency Identification),采用RFID方式控制擴(kuò)眼器開閉時(shí),泵送1個(gè)小型射頻發(fā)射器到擴(kuò)眼器,使擴(kuò)眼器控制部分接收到“開”或者“閉”的指令,然后開始相關(guān)的動(dòng)作。

圖4 RipTide擴(kuò)眼器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of Rip Tide reamer

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外液壓隨鉆擴(kuò)孔器的調(diào)研以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況的分析,發(fā)現(xiàn)還存在著以下一些問(wèn)題:①因泥包等各類井下復(fù)雜情況,可能造成彈簧的推力不能順利使刀翼完全縮回,導(dǎo)致工具無(wú)法正?；厥?②由于井下環(huán)境非常惡劣,擴(kuò)眼作業(yè)前擴(kuò)孔器內(nèi)容易進(jìn)入巖屑,堵塞水眼及內(nèi)部流道;③刀翼張到最大位置后沒有鎖死機(jī)構(gòu)或刀翼隨壓力變化振動(dòng)明顯,導(dǎo)致實(shí)際擴(kuò)出的井眼尺寸不規(guī)則;④刀體的連接部位較為薄弱,在工作過(guò)程中易由于應(yīng)力集中而發(fā)生疲勞斷裂;⑤無(wú)限位結(jié)構(gòu),鉆井時(shí)刀翼可能過(guò)度張開,存在一定的安全隱患。鑒于國(guó)內(nèi)外液壓隨鉆擴(kuò)孔器使用過(guò)程中存在著上述的一些問(wèn)題,因此設(shè)計(jì)制造了一套新型的液壓隨鉆擴(kuò)孔器,下面對(duì)該擴(kuò)孔器的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

液壓隨鉆擴(kuò)孔器結(jié)構(gòu)如圖5所示,主要由上接頭、活塞、彈簧、內(nèi)外管、鎖緊機(jī)構(gòu)、捕球器、限位器、刀翼、推桿、鋼球等組成。其中活塞與外管配合,能夠在內(nèi)管中移動(dòng)一段距離;彈簧安裝在活塞下端,刀翼需要回收時(shí)彈簧能推動(dòng)活塞上移;推桿與刀翼連接,內(nèi)管下移時(shí),推桿將推動(dòng)刀翼伸出;擴(kuò)孔器下端安裝有鎖緊機(jī)構(gòu),當(dāng)?shù)兑砩斐龊?鎖緊機(jī)構(gòu)會(huì)將刀翼鎖住,減輕刀翼振動(dòng);刀翼采用高強(qiáng)度合金鋼制成,沿著刀翼的端面鑲嵌一圈PDC切削齒;在刀翼的上部安裝有限位器,當(dāng)?shù)兑韽堥_到最大位置時(shí)就會(huì)被機(jī)械限位,可以保證刀翼擴(kuò)張安全。

圖5 液壓擴(kuò)孔器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural diagram of hydraulic reamer

本液壓隨鉆擴(kuò)孔器具有以下特點(diǎn):①液壓擴(kuò)孔器外管直徑124 mm,刀翼張開后最大擴(kuò)眼直徑270 mm;②刀翼上部設(shè)計(jì)有限位機(jī)構(gòu),能夠保證刀翼不會(huì)過(guò)度張開,還可以通過(guò)調(diào)節(jié)限位機(jī)構(gòu)的位置調(diào)整刀翼的張開角度,匹配不同的擴(kuò)眼直徑;③下部設(shè)計(jì)有鎖緊機(jī)構(gòu),當(dāng)?shù)兑韽堥_后將內(nèi)管鎖住,能夠減輕擴(kuò)孔作業(yè)時(shí)刀翼的振動(dòng),提高擴(kuò)眼時(shí)井壁的穩(wěn)定性;④擴(kuò)孔器的下部安裝有液壓回收機(jī)構(gòu),通過(guò)投球憋壓利用液壓作用力與彈簧配合能夠有效地保證刀翼的正?；厥铡?/p>

2.2 工作原理

當(dāng)鉆井液經(jīng)過(guò)活塞時(shí),由于流道變窄,在活塞端面會(huì)產(chǎn)生壓差,由此產(chǎn)生一定的壓力推動(dòng)活塞下移;活塞向下移動(dòng)會(huì)帶動(dòng)內(nèi)管下移,內(nèi)管帶動(dòng)推桿轉(zhuǎn)動(dòng)將刀翼推出;刀翼固定在外管上,可以繞著銷軸轉(zhuǎn)動(dòng),在銷軸上部安裝有限位器,可以調(diào)節(jié)刀翼旋轉(zhuǎn)的角度,實(shí)現(xiàn)不同的擴(kuò)孔直徑;在外管的下部安裝有鎖緊機(jī)構(gòu),當(dāng)?shù)兑韽堥_到合適的位置后,可以將內(nèi)管鎖住,這樣可以有效地減輕鉆井過(guò)程中刀翼的振動(dòng);在內(nèi)管下部安裝有捕球器,當(dāng)需要回收擴(kuò)孔器時(shí),將鋼球投入鉆桿中,鋼球會(huì)卡在捕球器上,堵住下面的流道,此時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生一定的壓力,將內(nèi)管推回,實(shí)現(xiàn)刀翼回收;內(nèi)管推回后,鉆井液從刀翼與外管的縫隙中流出,保證鉆井作業(yè)能夠正常進(jìn)行。

3 擴(kuò)孔器力學(xué)分析

3.1 活塞力學(xué)分析

由流體力學(xué)原理可知,鉆井液在流經(jīng)活塞處會(huì)產(chǎn)生一定的壓力損失,擴(kuò)孔器刀翼張開時(shí)的推力來(lái)源于加載在活塞承壓面上的流體壓降。該壓降主要由噴嘴處的局部壓降和活塞內(nèi)部沿程壓降兩部分組成,其中在接頭變徑處產(chǎn)生的壓降p1按以下的公式計(jì)算:

式中:p1為壓降,MPa;ρ為鉆井液密度,g/cm3;v為液體的平均流速,m/s;ξ為局部阻力系數(shù),其值與活塞兩個(gè)端面的截面積A1、A2有關(guān)系,一般按ξ=來(lái)計(jì)算。

在活塞內(nèi)部的鉆井液沿程壓力損失按照以下公式計(jì)算:

式中:p2為沿程壓降,MPa;λ為沿程水力摩阻系數(shù);ρ為鉆井液密度,g/cm3;l為流道長(zhǎng)度,m;d為流道直徑,m;v為流速,m/s。

鉆井液的壓降在活塞承壓面產(chǎn)生的總推力按以下公式計(jì)算:

式中:F為活塞承壓面產(chǎn)生的推力,N;D0為活塞承壓面的直徑,m;D為噴嘴當(dāng)量直徑,m。

鉆井作業(yè)時(shí),泥漿泵的排量為300 L/min,鉆井液密度為1.2 g/cm3,設(shè)計(jì)的活塞外徑為80 mm,活塞長(zhǎng)度173 mm。計(jì)算不同活塞內(nèi)徑條件下鉆井液在活塞上的作用力如表1所示。根據(jù)鉆井的實(shí)際情況,活塞內(nèi)徑過(guò)小會(huì)導(dǎo)致流體能量損失過(guò)多,對(duì)鉆頭處的沖洗巖屑有較大影響;而當(dāng)推力過(guò)小時(shí),又很難將三個(gè)刀翼完全推出。綜合上述兩項(xiàng)因素,本設(shè)計(jì)中選擇活塞內(nèi)徑為15 mm,由表1中可以得出作用在活塞上的推力接近3000 N。

表1 不同內(nèi)徑下鉆井液流過(guò)活塞產(chǎn)生的推力Table 1 Thrust generated by drilling fluid flowing through piston under different inner diameters

3.2 刀翼強(qiáng)度分析

刀翼作為擴(kuò)眼鉆頭中切屑巖石的部分,上面鑲焊有聚晶金剛石復(fù)合片(PDC),實(shí)際擴(kuò)孔作業(yè)時(shí),依靠PDC來(lái)切削巖石。擴(kuò)孔器設(shè)計(jì)采用三刀翼的結(jié)構(gòu),刀翼伸出到最大位置時(shí),與軸線的夾角為26°,此時(shí)刀翼為懸臂結(jié)構(gòu),整個(gè)擴(kuò)孔器強(qiáng)度最薄弱的位置位于該部分。運(yùn)用有限元分析計(jì)算刀翼伸出到最大時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變,來(lái)校核擴(kuò)孔器的強(qiáng)度。擴(kuò)孔器刀翼選用630馬氏體沉淀硬化不銹鋼,該鋼材具有高強(qiáng)度、高硬度,較好的焊接性能和耐腐蝕性能。首先,為了方便計(jì)算,對(duì)擴(kuò)孔器的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,去掉與強(qiáng)度校核不相關(guān)的零件。刀翼安裝在外管上,實(shí)際只需要校核刀翼與外管的強(qiáng)度即可,將簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分,如圖6所示。

圖6 擴(kuò)孔器刀翼網(wǎng)格劃分Fig.6 Reamer blade meshing

擴(kuò)孔時(shí)刀翼張開到最大,此時(shí)切削巖石的力全部加載在刀翼端面上。設(shè)定擴(kuò)孔時(shí)刀翼受力為10 k N,通過(guò)有限元分析計(jì)算刀翼的應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D見圖7和圖8。從圖中可以看出,刀翼最大的受力點(diǎn)位于推桿與刀翼的鉸接處,最大應(yīng)力為192 MPa;從應(yīng)變?cè)茍D中可以看出,最大應(yīng)變?cè)诘兑淼淖钋岸?最大的位移為0.084 mm。綜合上述分析可以看出,在10 k N 作用力下,刀翼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足使用需求。

圖7 刀翼Mises應(yīng)力云圖Fig.7 Blade mises stress nephogram

圖8 刀翼應(yīng)變?cè)茍DFig.8 Blade strain nephogram

4 結(jié)論與建議

(1)本文研究了國(guó)內(nèi)外多種隨鉆擴(kuò)孔器的技術(shù)現(xiàn)狀,找出了該工具在使用過(guò)程中存在的一些問(wèn)題,針對(duì)這些問(wèn)題,研制出了一套新型液壓隨鉆擴(kuò)孔器,并對(duì)該擴(kuò)孔器的結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行了介紹。

(2)根據(jù)流體力學(xué)原理完成了液壓擴(kuò)孔器活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通過(guò)有限元分析的方式完成了對(duì)擴(kuò)孔刀翼的強(qiáng)度校核。

(3)解決擴(kuò)孔作業(yè)時(shí)刀翼的劇烈振動(dòng)、刀翼可靠的張開與回收等問(wèn)題,是隨鉆擴(kuò)孔器能否有效完成井下擴(kuò)孔作業(yè)的關(guān)鍵。通過(guò)設(shè)計(jì)鎖緊機(jī)構(gòu)能夠減輕刀翼工作時(shí)的振動(dòng),利用投球憋壓與彈簧配合的方式,也盡可能地保證了刀翼的正常回收。

(4)隨鉆擴(kuò)孔器作為一種多功能的井下工具,具有良好的應(yīng)用前景。本文從原理上完成了該擴(kuò)孔器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),下一步將在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中對(duì)擴(kuò)孔器的工作性能進(jìn)行驗(yàn)證,從而進(jìn)一步對(duì)液壓隨鉆擴(kuò)孔器進(jìn)行優(yōu)化與完善。