錢 雯，邱小鋒，蘇德勝，馬開良，儲明來

機(jī)械式隨鉆小井眼擴(kuò)孔工具研制與應(yīng)用

錢 雯，邱小鋒，蘇德勝，馬開良，儲明來

（中國石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇揚(yáng)州225009）

為降低側(cè)鉆小井眼鉆井作業(yè)風(fēng)險，提高固井質(zhì)量，針對?118 mm井眼研制了一種機(jī)械式隨鉆擴(kuò)孔工具。對比計算了傳動軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，分析了切削齒布齒參數(shù)對工具破巖效率的影響，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。該擴(kuò)孔工具尺寸合理，結(jié)構(gòu)可靠，與常規(guī)鉆井工具及工藝匹配?，F(xiàn)場使用結(jié)果證明，擴(kuò)孔工具可滿足套管內(nèi)側(cè)鉆井隨鉆擴(kuò)孔工藝技術(shù)要求。

機(jī)械擴(kuò)孔器；隨鉆擴(kuò)孔；傳動軸設(shè)計；布齒設(shè)計

近年來，江蘇油田在套管內(nèi)側(cè)鉆小井眼井方面取得了快速發(fā)展，但是?139．7 mm（5英寸）套管側(cè)鉆井受主套管尺寸限制，尾管環(huán)空間隙小，井眼裸眼段長，井斜度大，循環(huán)阻力大，而擴(kuò)孔技術(shù)在提高固井質(zhì)量方面具有顯著的優(yōu)勢。

目前，國內(nèi)外擴(kuò)孔工具普遍采用液壓式隨鉆擴(kuò)孔技術(shù)，基本已淘汰固定翼設(shè)計，尤其Baker H ughes Christens、Bakersfeild Bit＆Tool、A ndergauge和S mith等公司的擴(kuò)孔工具設(shè)計制造處于世界領(lǐng)先水平。國內(nèi)以遼河油田、勝利油田的擴(kuò)孔工具較有代表性，通過液壓控制刀翼擴(kuò)張，作業(yè)完成后卸壓，再通過彈簧實(shí)現(xiàn)刀翼復(fù)位，適用于大井徑擴(kuò)眼作業(yè)。小井眼側(cè)鉆井要求擴(kuò)徑尺寸不宜過大，如果采用液壓推動，會造成井筒循環(huán)壓力過高，在深井、高黏度鉆井液等情況下，工具難以正常工作。此外，還有機(jī)械式隨鉆擴(kuò)孔設(shè)計，采用機(jī)械力驅(qū)動，燕尾槽控制刀翼伸縮。機(jī)械式擴(kuò)孔工具尺寸較小，結(jié)構(gòu)自鎖功能可靠，工作穩(wěn)定性良好，井斜控制能力較強(qiáng)。威德福公司的RipTide是第1個實(shí)現(xiàn)電子脈沖控制的擴(kuò)眼工具［1-5］。

2013-01，為了降低小井眼側(cè)鉆作業(yè)風(fēng)險，提高固井質(zhì)量，江蘇油田石油工程技術(shù)研究院針對?118 mm小井眼研制了機(jī)械式隨鉆擴(kuò)孔工具，并于2013-10完成了現(xiàn)場試驗(yàn)。

1　擴(kuò)孔工具技術(shù)分析

1．1 工具結(jié)構(gòu)

該工具主要由傳動機(jī)構(gòu)、刀具伸縮機(jī)構(gòu)、擴(kuò)孔刀具等組成，如圖1所示。工具的傳動機(jī)構(gòu)主要由傳動軸、傳動接頭、剪切銷釘、本體等組成，可高效傳遞轉(zhuǎn)矩。刀具伸縮機(jī)構(gòu)主要由芯軸、本體組成，利用芯軸上的斜面和滑槽控制刀具的伸縮。將P D C復(fù)合片焊接于刀翼上構(gòu)成刀具，P D C刀齒安裝采用連貫切削布齒設(shè)計。

圖1　機(jī)械式隨鉆小井眼擴(kuò)孔工具結(jié)構(gòu)

1．2 工作原理

擴(kuò)孔工具上下端均可直接與鉆具連接，工具隨管柱一起入井，正常鉆進(jìn)過程中，刀翼處于收縮狀態(tài)。需要擴(kuò)孔時，通過鉆具加壓，剪斷剪切銷釘，傳動軸下行，上接頭處凹槽與傳動接頭凸塊配合卡接，傳動軸推動芯軸下行，芯軸上的斜滑槽推動刀具徑向伸出。隨后鉆具繼續(xù)鉆進(jìn)，通過傳動軸、傳動接頭、本體帶動刀具轉(zhuǎn)動進(jìn)行擴(kuò)孔。

擴(kuò)孔結(jié)束后，上提管柱，帶動傳動軸、芯軸上行，刀具在外部阻力及芯軸斜滑槽作用下縮回本體內(nèi)。

2　工具設(shè)計

2．1 主要設(shè)計參數(shù)

主要設(shè)計參數(shù)如下：擴(kuò)孔工具長890 mm，最大外徑112 mm，最大擴(kuò)孔直徑126 mm，傳動軸抗扭強(qiáng)度為?73．03 mm（2英寸）鉆桿的1．11倍，抗拉壓強(qiáng)度約為?73．03 mm（2英寸）鉆桿的1．795倍，推薦工作排量240～720 L／min，剪切銷釘剪斷鉆壓50～55 k N，工具最大鉆壓6 k N。

2．2 傳動軸設(shè)計

在不影響鉆頭鉆進(jìn)的前提下，機(jī)械式隨鉆擴(kuò)孔工具自身還要實(shí)現(xiàn)擴(kuò)孔作業(yè)，傳動軸傳遞轉(zhuǎn)矩必須足夠大，其強(qiáng)度和抗扭性能不低于鉆桿。常用傳動軸截面有正六邊形、正八邊形（如圖2），在具有相同外接圓（D＝72 mm）和內(nèi)管徑（d＝30 mm）時，對比分析不同截面?zhèn)鲃虞S的抗拉強(qiáng)度和抗扭截面模量，計算結(jié)果如表1所示。由表1可以看出：半圓形的截面積遠(yuǎn)大于?73．03 mm（2英寸）鉆桿，因此其抗拉強(qiáng)度優(yōu)于?73．03 mm（2英寸）鉆桿；半圓形截面的抗扭截面模量最大，是?73．03 mm（2英寸）鉆桿的1．11倍，滿足擴(kuò)孔轉(zhuǎn)矩大的條件。對擴(kuò)孔工具而言可靠性是第1位的，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計必須足夠安全。因此，在傳動軸與傳動接頭間設(shè)有1對矩形牙嵌，可輔助傳遞轉(zhuǎn)矩。將上接頭與傳動軸一體化，可實(shí)現(xiàn)傳動軸上接鉆桿，并有效傳遞轉(zhuǎn)矩，同時推動芯軸在本體內(nèi)移動的功能，簡化工具結(jié)構(gòu)。

圖2　傳動軸截面

表1　不同截面軸的力學(xué)性能對比

2．3 布齒設(shè)計

擴(kuò)孔工具的核心部分是擴(kuò)孔刀具，布齒參數(shù)決定了破巖效率和工具使用壽命。每個刀座設(shè)計為2排刀翼，每排刀翼上P D C復(fù)合片的布齒位置均不重合，可形成連貫的切削刃［6-7］（如圖3），保證刀刃完整覆蓋井壁，各個擴(kuò)刀受力均勻，擴(kuò)孔直徑穩(wěn)定。工具后排復(fù)合片的主要作用是保徑。

P D C切削齒在安裝時，鑲裝角度包括前傾角α和側(cè)轉(zhuǎn)角β，如圖4所示。前傾角α是齒柱軸線與井壁切平面的夾角；側(cè)轉(zhuǎn)角β是齒柱端面與工具軸線夾角。

圖3　切削刃分布

圖4　PDC齒安裝角度示意

在相同載荷下，切削齒前傾角度越小，巖石的破碎越傾向于剪切破壞；在前傾角增大后，巖石的破碎傾向于擠壓破壞，而巖石的抗壓強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于抗剪強(qiáng)度。因此，小前傾角有利于破碎巖石。但是在小前傾角的情況下，切削齒與巖石接觸面積也小，容易造成局部磨損，對齒的耐磨性能有更高要求。大側(cè)轉(zhuǎn)角β可以對巖屑產(chǎn)生側(cè)向推力，有利于排屑，防止重復(fù)破碎擠壓切削齒。綜合考慮前傾角和側(cè)轉(zhuǎn)角對P D C切削齒壽命和破巖效率的影響后，設(shè)計中采用前傾角α為15°，側(cè)轉(zhuǎn)角β為10°［8-10］。

切削齒在破巖過程中所受載荷非均勻分布，都集中在切削齒與巖石接觸的部分，因此在切削過程中易出現(xiàn)切削齒局部磨損導(dǎo)致工具整體報廢。因此在工具制造時，對該部位進(jìn)行了局部強(qiáng)化，以延長工具使用壽命。

3　現(xiàn)場試驗(yàn)

機(jī)械隨鉆擴(kuò)孔工具在地面功能性試驗(yàn)取得成功后，于2013-10在側(cè)周38-2井進(jìn)行了井下試驗(yàn)，驗(yàn)證了刀翼自動伸縮、轉(zhuǎn)矩傳遞的可靠性，對擴(kuò)孔效果進(jìn)行了評估。

根據(jù)施工設(shè)計，從鉆頭深度1 800 m開始造臺階1．5～2．0 m，然后隨鉆擴(kuò)孔至鉆頭深度1 810．64 m結(jié)束。鉆具組合為：?118 mm單牙輪鉆頭＋230 ×210變扣＋擴(kuò)孔工具＋?105 mm無磁鉆鋌1根＋?89 mm加重鉆桿10根＋?73．03 mm（2英寸）鉆桿。現(xiàn)場試驗(yàn)加鉆壓65～70 k N，剪切銷釘剪斷。造臺階和擴(kuò)孔參數(shù)為：鉆壓40 k N，轉(zhuǎn)速30 r／min，排量500 L／min，泵壓5 M Pa。從試驗(yàn)結(jié)果來看，擴(kuò)孔工具性能穩(wěn)定，擴(kuò)孔效果較好。

截至目前，機(jī)械式隨鉆擴(kuò)孔工具已應(yīng)用于多口側(cè)鉆井，明顯提高了側(cè)鉆井固井質(zhì)量。

4　結(jié)論

1） 本工具外徑尺寸較小，連接及運(yùn)動部件少，結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)械傳動可靠性高，能夠滿足小井眼側(cè)鉆井摩阻大、循環(huán)壓力高的工作條件。

2） 工具采用下壓及上提鉆具實(shí)現(xiàn)刀具的撐開及回收，不影響正常鉆進(jìn)過程，使得隨鉆擴(kuò)孔可以持續(xù)。

3） 在工具結(jié)構(gòu)設(shè)計中，傳動軸強(qiáng)度及抗扭性能均大于?73．03 mm（2英寸）鉆桿，保證了工具的安全性。

4） P D C刀具是重要的切削部件，對P D C復(fù)合片的鑲裝位置與角度進(jìn)行了分析，為提高破巖效率、延長工具壽命提供理論依據(jù)。

［1］ 范亞民，張永澤．國外擴(kuò)張式隨鉆擴(kuò)眼工具應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］．石油礦場機(jī)械，2011，40（12）：25-28．

［2］ 馬汝濤，紀(jì)友哲，王輝．油氣鉆井?dāng)U眼工具研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］．石油機(jī)械，2010，38（8）：8-12．

［3］ 姜濤．小井眼開窗側(cè)鉆配套技術(shù)研究與應(yīng)用［J］．海洋石油，2009，29（3）：75-79．

［4］ 宋頤，夏宏南．隨鉆擴(kuò)眼工具的研究與優(yōu)化［J］．裝備制造技術(shù)，2012（8）：282-284．

［5］ 王智鋒，馬清明，許俊良，等．隨鉆擴(kuò)眼工具的研制與應(yīng)用［J］．石油鉆采工藝，2005，27（3）：71-73．

［6］ 田豐，楊迎新，任海濤，等．P D C鉆頭切削齒工作區(qū)域及切削量的分析理論和計算方法［J］．鉆采工藝，2009，32（2）：51-53．

［7］ 宋洵成，鄒德永，管志川．P D C鉆頭等切削體積布齒優(yōu)化設(shè)計［J］．石油礦場機(jī)械，2006，35（4）：61-64．

［8］ 趙曉波，韓兵奇，張軍．P D C鉆頭破巖試驗(yàn)系統(tǒng)研制［J］．石油礦場機(jī)械，2013，42（12）：34-39．

［9］ 陳敏，徐延金，涂能安．P D C鉆頭單齒工作角度有限元仿真研究［J］．宜春學(xué)院學(xué)報，2009，31（6）：1-3．

［10］ 劉欣，周國芳．基于有限元的P D C鉆頭單齒工作參數(shù)仿真研究［J］．礦山機(jī)械，2010，38（3）：1-4．

Research and Application of M echanic Reamer for Drilling Slim Hole

QIA NWen，QIU Xiaofeng，SUDesheng，MAKailiang，CHUMinglai
（Research Institute of Petroleu m Engineering Technology，Jiangsu Oilfield Com pany，Yangzhou225009，China）

In order to reduce risk of drilling side-tracked small hole and im prove cementing quality，a kind of mechanic rea mer for ?118 mm hole was developed．It is connected with bit directly，w hich realizes reaming w hile drilling．T he torsional strength of shaft by contrasting was calculated．It also analyzed how cutter distribution para meters affected rock breaking efficiency．It has been tested in field successfully．This tool has reasonable size and stable structure．It matches conventional drilling technology and tools．The result shows that it can meet the technical requirement of drilling side-tracked small hole．

mechanical rea mer；w hile drilling；shaft design；P D C distribution

T E921．203

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．015

1001-3482（2015）01-0060-03

2014-07-27

中國石化江蘇油田分公司科技項(xiàng)目“機(jī)械式隨鉆小井眼擴(kuò)孔工具的研究與應(yīng)用”（G C Y1309）

錢 雯（1986-），女，江蘇泰州人，碩士，主要從事井下鉆采工具設(shè)計工作，E-mail：qian wen．jsyt＠sinopec．co m。