聶云飛，何育光，張銳

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)，257000）

II型鉆柱式偏心微擴(kuò)眼工具設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化

聶云飛，何育光，張銳

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)，257000）

鉆井過程中由于縮頸、微狗腿、微臺(tái)階等造成的井眼小于鉆頭直徑易造成起下鉆困難、井眼漏失、井塌、井涌甚或井噴、劃眼、憋泵等事故。在現(xiàn)有I型鉆柱式偏心微擴(kuò)眼器的研究基礎(chǔ)上，借鑒雙心鉆頭設(shè)計(jì)理論開展II型鉆柱式偏心微擴(kuò)眼工具設(shè)計(jì)研究。同時(shí)借助流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)工具外形結(jié)構(gòu)，刀翼長(zhǎng)度和布齒方案進(jìn)行優(yōu)化分析，最終形成II型鉆柱式偏心微擴(kuò)眼工具設(shè)計(jì)方案。

鉆井；雙心鉆頭；偏心擴(kuò)眼；流場(chǎng)分析

鉆井過程中，有多種原因可導(dǎo)致井眼直徑小于鉆頭的理論直徑[1]。如泥頁巖的主要成分鈉基蒙脫石，吸水后晶格增大巖石膨脹；砂巖的高滲透性易形成很厚的泥餅，發(fā)生縮徑；鹽膏層的蠕動(dòng)[2]，地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力及斷層引起的縮徑，液柱壓力降低造成的縮徑，鉆井液密度低、失水高造成的縮徑，鉆頭保徑磨損造成的縮徑，和工藝技術(shù)措施不當(dāng)造成的縮徑等等；其次還有巖屑床、微狗腿、微臺(tái)階等造成井眼直徑小于鉆頭直徑[3]?？s徑以及由于其它原因造成的井眼有效直徑變小給鉆井帶來的直接危害是起下鉆異常困難，下鉆過高的壓力激動(dòng)導(dǎo)致井眼發(fā)生漏失，起鉆的抽吸與拔活塞導(dǎo)致井塌、井涌甚或井噴[4]。此外，縮徑還會(huì)帶來長(zhǎng)時(shí)間劃眼，開泵困難甚至憋泵、憋漏地層[5]，下鉆過程中發(fā)生塞卡，起鉆過程中出現(xiàn)拔卡等鉆井復(fù)雜與鉆井故障[6]。

現(xiàn)行傳統(tǒng)的縮徑問題解決辦法是，依據(jù)造成井眼縮徑的因素和情況，采取有針對(duì)性的措施去預(yù)防或處理，具體包括：依據(jù)地質(zhì)特征優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；采取合適的液柱壓力；選用不同的鉆井液體系并保持穩(wěn)定良好的鉆井液性能；采取定進(jìn)尺劃眼并強(qiáng)化短程起下鉆等工程輔助措施等[7]，這些常規(guī)做法盡管可以不同程度地減輕井眼縮徑所帶來的危害，但上述一些鉆井復(fù)雜情況與故障還是時(shí)常會(huì)出現(xiàn)在當(dāng)今的鉆井過程中[8]。

項(xiàng)目前期，研制出結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的I型8-1/2″和9-1/2″井眼用鉆柱式隨鉆微擴(kuò)眼工具（見圖1），該工具具有微偏心結(jié)構(gòu)，可接到鉆柱中實(shí)現(xiàn)隨鉆微擴(kuò)眼，工具具有上、下兩組螺旋擴(kuò)眼刀翼，下刀翼組負(fù)責(zé)鉆進(jìn)期間的隨鉆擴(kuò)眼或下鉆過程中的正劃眼，上刀翼組負(fù)責(zé)起鉆過程中的倒劃眼。該工具的主要作用是降低定向井中的狗腿嚴(yán)重度，清除井下的微狗腿、小臺(tái)階，在膨脹性的頁巖地層和具有蠕變性的鹽膏層、軟泥巖層、煤層等井段擴(kuò)出直徑略微大于鉆頭理論直徑的井眼，可減少常規(guī)鉆井過程中的劃眼時(shí)間，并確保起下鉆、電測(cè)、下套管、下膨脹封隔器等作業(yè)安全順利。此外，該工具還具有清除定向井中巖屑床和有效控制水平井、大位移井的循環(huán)壓耗作用。

圖1I型鉆柱式隨鉆微擴(kuò)眼器

該工具現(xiàn)場(chǎng)反映良好，其中最大井斜71.07°，最大井深2 710 m，在南17平臺(tái)上連續(xù)使用4口井，累計(jì)工作時(shí)間達(dá)到227 h，工具仍可下井使用。

盡管如此，但前期的研究工作缺乏系統(tǒng)性與理論分析支持，而且工具也遠(yuǎn)未達(dá)到系列化的程度。本文在現(xiàn)有I型鉆柱式偏心微擴(kuò)眼器的研究基礎(chǔ)上，借鑒雙心鉆頭設(shè)計(jì)理論開展II型鉆柱式偏心微擴(kuò)眼工具設(shè)計(jì)研究。同時(shí)借助流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)工具外形結(jié)構(gòu)，刀翼長(zhǎng)度和布齒方案進(jìn)行優(yōu)化分析，最終形成II型鉆柱式偏心微擴(kuò)眼工具設(shè)計(jì)方案。

1 基于上層套管尺寸的最大理論擴(kuò)眼直徑計(jì)算方法

1.1 偏心刀翼主要參數(shù)與井眼通徑、擴(kuò)眼直徑的幾何關(guān)系

鉆柱式偏心微擴(kuò)眼工具設(shè)計(jì)原理類似于常規(guī)的偏心鉆頭設(shè)計(jì)[9]。如圖2所示，O為鉆柱旋轉(zhuǎn)中軸，C為井眼中軸。假定2R為井眼通徑，2D為通過井段擴(kuò)大后的尺寸，2r為本體另一側(cè)起扶正作用的低刀翼（類似于雙心鉆頭的導(dǎo)眼體）直徑，2a為擴(kuò)孔刀翼張開翼角，2b為背面扶正刀翼夾角。通過幾何推導(dǎo)，建立了偏心刀翼高度、夾角等主要參數(shù)與井眼通徑、擴(kuò)眼直徑的幾何關(guān)系：

圖2 鉆柱式偏心微擴(kuò)眼工具

井眼擴(kuò)大尺寸一般根據(jù)地層巖性及現(xiàn)場(chǎng)要求確定，如此前設(shè)計(jì)的8-1/2"井眼一般擴(kuò)大10mm左右即可滿足要求。根據(jù)（1）式，在得出擴(kuò)孔刀翼張開翼角后，可以計(jì)算出扶正刀翼尺寸。刀翼一般設(shè)計(jì)成螺旋形式，螺旋升角越大，則要計(jì)算的刀翼張開角度越大，扶正刀翼直徑越小[10]。

1.2 理論最大可擴(kuò)孔直徑

理論最大擴(kuò)孔直徑是指在極端情況下，偏心微擴(kuò)眼工具能擴(kuò)出的最大井眼尺寸。在極端情況下，扶正刀翼被取消，式（1）中半徑r相當(dāng)于上部鉆桿接頭半徑P，用于擴(kuò)孔的切削齒被設(shè)計(jì)在同一擴(kuò)孔刀翼上，其張開翼角僅受刀翼寬度的影響，即b=0°，r=P，此時(shí)上述公式簡(jiǎn)化為雙心鉆頭的理論設(shè)計(jì)公式[11]。

以8-1/2"井眼為例，假設(shè)通過直徑215 mm，接頭外徑168 mm，刀翼寬度50 mm，直刀翼，通過上式配合幾何作圖可得出最大擴(kuò)眼直徑為260 mm，這個(gè)數(shù)值表明偏心微擴(kuò)眼工具也可以設(shè)計(jì)成擴(kuò)得很大。8-1/2"井眼一般要求擴(kuò)徑10 mm，但如果現(xiàn)場(chǎng)有特殊要求，直徑擴(kuò)大30 mm左右也是能做到的。如圖3所示。

圖3 理論最大可擴(kuò)孔直徑圖

一般來說，當(dāng)井眼尺寸與接頭尺寸接近時(shí)，可擴(kuò)最大直徑較小；當(dāng)兩者相差懸殊時(shí)，可擴(kuò)最大直徑就很大。常見井眼偏心微擴(kuò)眼工具可擴(kuò)最大尺寸計(jì)算后如表1所示。

表1 偏心微擴(kuò)眼工具可擴(kuò)最大尺寸表

2 II型鉆柱式偏心微擴(kuò)眼工具整體方案設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)原則

根據(jù)目前鉆井中的實(shí)際情況及目標(biāo)地層的硬度采用如下原則進(jìn)行總體設(shè)計(jì)：

（1）借鑒國外雙心鉆頭設(shè)計(jì)理念，采用微偏心（雙心）結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)隨鉆微擴(kuò)眼功能；

（2）基于適合軟到中硬地層的要求，采用PDC作為切削元件，其中位于工具刀翼中部的三個(gè)齒，由于線速度高，選用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)PDC片，工具刀翼最上端和最下端的兩個(gè)齒，由于承載大，選用抗沖擊能力強(qiáng)的進(jìn)口優(yōu)質(zhì)PDC片，其它部位則優(yōu)選國產(chǎn)PDC片；

（3）鑒于地層為軟到中硬，選擇柱狀碳化鎢硬質(zhì)合金作為擴(kuò)眼刀翼的保徑元件；

（4）工具總長(zhǎng)度控制在1～1.5 m之間，確保接到鉆桿立柱中不會(huì)影響二層臺(tái)操作與立柱擺放；

（5）兩端連接螺紋與鉆桿扣型一致，強(qiáng)度與鉆桿螺紋等同或略高；

（6）大井眼用工具本體強(qiáng)度以滿足安全要求為準(zhǔn)，不過度追求大壁厚、高強(qiáng)度，以免與兩端連接的鉆桿形成明顯的強(qiáng)度差異，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中，引發(fā)井下安全事故；

（7）工具采用上、下兩組螺旋擴(kuò)眼刀翼，下刀翼組負(fù)責(zé)鉆進(jìn)期間的隨鉆擴(kuò)眼或下鉆過程中的正劃眼，上刀翼組負(fù)責(zé)起鉆過程中的倒劃眼；上、下兩組螺旋擴(kuò)眼刀翼旋向相反，以實(shí)現(xiàn)工具工作期間的自主力平衡。

（8）采用整料銑削加工，工具整體無活動(dòng)部件、無焊接部件，確保工具的井下工作安全性。

2.2 整體結(jié)構(gòu)及布齒設(shè)計(jì)

鉆柱式偏心微擴(kuò)眼工具通過上下兩組刀翼完成起下鉆過程中的擴(kuò)眼作業(yè)。根據(jù)分析和研究，兩組刀翼設(shè)置成上下對(duì)稱、整體螺旋的結(jié)構(gòu)；每組刀翼中高、低刀翼的布置取決于擴(kuò)眼尺寸、井眼通徑、刀翼張開角度及螺旋角的大小。針對(duì)各種井徑及實(shí)際要求，結(jié)合流場(chǎng)分析及力平衡有限元分析，可以得出一個(gè)優(yōu)選的整體結(jié)構(gòu)。

本工具主要被設(shè)計(jì)用于巖性相對(duì)較軟、易蠕變的地層，從切削齒的選擇來看，主要考慮大尺寸復(fù)合片（13.4 mm以上）；但是微擴(kuò)眼工具是一種偏心結(jié)構(gòu)，主要在縮徑的井段起切削作用，扭矩大，工作環(huán)境比較惡劣，復(fù)合片尺寸太大容易脫落，故一般選用13.4 mm帶球托的復(fù)合片，出刃高度控制在5 mm左右。球形復(fù)合片增加了焊接面積，大大增加了切削齒的焊接強(qiáng)度。小井眼微擴(kuò)孔工具由于布齒空間受限，可以采用更小尺寸的球形復(fù)合片，但要嚴(yán)格控制切削齒的出刃高度，同時(shí)適當(dāng)提高布齒密度。

微擴(kuò)眼工具的高、低刀翼雖然差別較大，但由于在地層縮徑段工作時(shí)低刀翼也會(huì)被推向井壁，故也得有相當(dāng)?shù)牟箭X密度。整體來看，微擴(kuò)工具的布齒設(shè)計(jì)類似于取心鉆頭的布齒設(shè)計(jì)，即將所有的切削齒布置在刀翼剖面線上，確定各切削齒的徑向坐標(biāo)Rc和高度坐標(biāo)、切削齒數(shù)量N和井底切削覆蓋圖。其一般應(yīng)滿足以下兩方面的要求：

（1）在設(shè)計(jì)鉆速水平下，保證井底切削覆蓋良好；

（2）使各切削齒的磨損相對(duì)均勻，提高切削齒的利用率。

刀翼內(nèi)側(cè)附近切削齒磨損較小，相應(yīng)地，設(shè)計(jì)較少的切削齒，布齒密度最低，由內(nèi)向外，布齒密度越來越大。因此，只要刀翼內(nèi)側(cè)附近切削齒的切痕能夠覆蓋井底，則其它部位（冠頂、外錐等）切削齒肯定能滿足完全覆蓋井底的要求。在布齒設(shè)計(jì)時(shí)，一般在刀翼內(nèi)側(cè)首先布置2～3個(gè)切削齒（按徑向半徑由小到大的次序依次編號(hào)為1、2、3、…）.在設(shè)計(jì)鉆速下，切削齒的布置應(yīng)能滿足覆蓋井底的要求。當(dāng)切削齒尺寸和每轉(zhuǎn)吃入深度一定，布齒間距越小，最小井底覆蓋系數(shù)越大，布齒密度越高，所需切削齒數(shù)量越多。設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)所鉆地層的性質(zhì)，綜合考慮鉆進(jìn)速度和鉆頭壽命，合理設(shè)置內(nèi)側(cè)齒的布齒密度，控制切削齒的數(shù)量。

均勻磨損設(shè)計(jì)的目的是通過合理地布置切削齒，使工具各部位切削齒的磨損相對(duì)均勻，避免因個(gè)別切削齒磨損嚴(yán)重而失效，使工具壽命達(dá)到最高。如果某個(gè)切削齒的磨損速度較快，較大磨損面面積將使該切削齒承受較大的正壓力和切削力，引起較大的鉆進(jìn)扭矩和不平衡力。過大的正壓力和切削力還可能導(dǎo)致切削齒的熱加速磨損和切削齒的折斷，對(duì)工具性能造成致命的影響。如果各切削齒都能保持相同的磨損速度，就不會(huì)出現(xiàn)因某個(gè)切削齒的先期損壞而影響整個(gè)鉆頭性能的情況，昂貴的PDC復(fù)合片就可以得到充分的利用，就可以獲得較高的鉆頭壽命。

通常采用磨損比來衡量各切削齒的磨損程度。磨損比定義為鉆頭上任一切削齒的體積磨損速度與參考齒的體積磨損速度之比，記為WR.即

式中，參量r代表參考齒。根據(jù)對(duì)PDC切削齒的磨損分布規(guī)律研究，工具內(nèi)側(cè)切削齒一般磨損較輕，外側(cè)上的切削齒往往磨損較嚴(yán)重。因此，通常選擇內(nèi)側(cè)切削齒作為參考齒。

磨損比反映了各切削齒的相對(duì)磨損速度的大小，并且將切削齒受力、徑向位置坐標(biāo)與磨損速度有機(jī)地結(jié)合在一起。只要使每個(gè)切削齒的磨損比相等，就可以實(shí)現(xiàn)各切削齒的均勻磨損。實(shí)驗(yàn)研究表明：切削齒的體積磨損速度與所鉆地層研磨性系數(shù)、切削齒的正壓力、切削齒在鉆頭上的位置以及轉(zhuǎn)速等成正比，若假設(shè)PDC切削齒的正壓力與切削面積成正比，則可推導(dǎo)出：

其中Ac代表各齒的切削面積，Rc為切削齒所在的位置。式（5）即為等體積布齒公式，它是等磨損布齒公式的一種簡(jiǎn)化形式。

2.3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

自I型工具成功研制以來，鉆柱式偏心微擴(kuò)眼工具在鉆井現(xiàn)場(chǎng)得到了大幅推廣應(yīng)用，顯著提高了鉆井時(shí)效，節(jié)約了鉆井成本。但現(xiàn)場(chǎng)反饋資料表明，工具本身仍然存在一些問題，如：工具本體磨損、復(fù)合片部分脫落、下鉆托壓、刀翼結(jié)構(gòu)單薄等。這中間有微擴(kuò)眼工具多次下井、過度使用的問題，但工具結(jié)構(gòu)也確實(shí)有需要改進(jìn)提高的地方。

針對(duì)以上問題，首先針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用最廣泛的8-1/2"鉆柱式偏心微擴(kuò)眼工具進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，其后對(duì)其它型號(hào)鉆柱式偏心微擴(kuò)眼工具的結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了改進(jìn)。本次結(jié)構(gòu)改進(jìn)主要包括：

（1）內(nèi)凹式結(jié)構(gòu)

刀翼內(nèi)凹可以有效解決布齒受限的問題。現(xiàn)場(chǎng)中遇到的托壓?jiǎn)栴}實(shí)際是工具多次下井后，刀翼前端磨損出現(xiàn)直臺(tái)階引起的。在最初的設(shè)計(jì)中，刀翼位于工具本體表面，靠近本體的刀翼前端無法布齒，切削齒覆蓋受限制。在刀翼被推向井壁后，盡管前刀翼出露更低，遇到嚴(yán)重蠕變縮徑地層仍然會(huì)與地層接觸，產(chǎn)生磨損；由于沒有復(fù)合片的保護(hù)，多次下井后，刀翼前端就有可能被磨損出直臺(tái)階。

采用刀翼內(nèi)凹式設(shè)計(jì)后，PDC復(fù)合片可以布置到本體以上到擴(kuò)孔直徑的所有位置，這就有效保護(hù)了刀翼和工具本體不被磨損。同時(shí)，刀翼內(nèi)凹也可以補(bǔ)償?shù)兑砑訉捄蟮沫h(huán)空損失。

（2）寬刀翼，大螺旋

原工具經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用后，現(xiàn)場(chǎng)反映比較單薄，刀翼接觸面積小，工作不平穩(wěn)。為此，對(duì)刀翼進(jìn)行加寬，同時(shí)加大刀翼的螺旋角度。

刀翼加寬后可以在靠近外保徑處增加減震齒，控制吃入，減輕外保徑復(fù)合片所受沖擊。受刀翼個(gè)數(shù)限制，本工具外保徑切邊齒較少，因此對(duì)外保徑齒的保護(hù)也間接延長(zhǎng)了工具的使用壽命。

刀翼螺旋角度的加大可以增加工具的穩(wěn)定性。但是螺旋角度太大，在工具通徑一定的情況下，勢(shì)必造成扶正刀翼外徑過小，甚至失去效果。同時(shí)，大螺旋也會(huì)使復(fù)合片下緣出露加大，焊接面積減小。所以，應(yīng)采用適中的螺旋角度。

（3）提高布齒密度，刀翼表面增加噴焊層

從現(xiàn)場(chǎng)反饋資料來看，有些工具經(jīng)過長(zhǎng)期使用后出現(xiàn)復(fù)合片出露過多，甚至脫落的現(xiàn)象。為進(jìn)一步提高工具的使用時(shí)間，加大了刀翼的布齒密度，如8-1/2"鉆柱式偏心微擴(kuò)眼工具由原來的24齒增加到32齒（不含減震齒），同時(shí)在齒孔表面及刀翼背面堆焊碳化鎢粉，增加耐磨性及對(duì)PDC復(fù)合片的包鑲作用。

圖4為8-1/2"鉆柱式偏心微擴(kuò)眼工具改進(jìn)后三維圖。

圖48 -1/2"鉆柱式偏心微擴(kuò)眼工具改進(jìn)后三維圖

3 流場(chǎng)分析

為了對(duì)鉆柱式隨鉆擴(kuò)眼器產(chǎn)生的鉆井液流場(chǎng)有一個(gè)全面、清晰、準(zhǔn)確的了解，進(jìn)而為隨鉆擴(kuò)眼器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供必要的理論支持，應(yīng)用計(jì)算機(jī)流體力學(xué)分析軟件FLUENT對(duì)其流場(chǎng)的速度、壓力及液流運(yùn)動(dòng)跡線等進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并通過流場(chǎng)及平衡有限元的分析，形成工具外形結(jié)構(gòu)、刀翼長(zhǎng)度和布齒方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 不同參數(shù)下的流場(chǎng)模擬結(jié)果

選取工具通徑為8-1/2″的事例進(jìn)行流場(chǎng)模擬分析及進(jìn)行相關(guān)參數(shù)優(yōu)化。

第一種情況：刀翼高度0.085 m；刀翼長(zhǎng)度0.20 m；刀翼螺旋度8°.

其流場(chǎng)壓力分布云圖和流線軌跡圖如圖5、圖6所示。

圖5 擴(kuò)眼工具流場(chǎng)壓力分布云圖

圖6收斂殘差圖

圖5 所示為擴(kuò)眼工具在流場(chǎng)中的壓力分布云圖，由圖可看出，壓應(yīng)力最大的地方分布在各刀翼的頂端部分，這也是由于刀翼與井壁巖石接觸并旋轉(zhuǎn)切屑，達(dá)到擴(kuò)大井徑的目的，其計(jì)算結(jié)果與已知的井下管流壓力分布情況吻合。而由其殘差曲線如圖6所示：收斂殘差在10-4左右浮動(dòng)，而且可以清楚地看出隨著時(shí)間的變化，殘差的變化浮動(dòng)變小，漸趨近于一條平衡于橫坐標(biāo)軸的直線，可判斷為殘差收斂于10-4，可認(rèn)為計(jì)算模型選取合適。

圖7表示的擴(kuò)眼工具在流場(chǎng)中的流線軌跡圖，由圖可看出，在擴(kuò)眼工具工作的同時(shí)，有一定的流動(dòng)產(chǎn)生，對(duì)巖屑的破壞和攜帶極為有利，因而會(huì)加大破巖效果與速度。

圖7 流線軌跡圖

第二種情況：刀翼高度0.09 m；刀翼長(zhǎng)度0.20 m；刀翼螺旋度8°；刀翼寬度0.05 m.流場(chǎng)壓力分布云圖如圖8所示。

圖8 流場(chǎng)壓力分布圖

由圖8所示，當(dāng)?shù)兑砀叨葹?.09 m時(shí)，因與井壁接觸的面積過大在對(duì)刀翼頂端造成過大的壓力。長(zhǎng)期在這種情況下工作會(huì)損壞工具的使用壽命。并且由圖9收斂殘差圖可看出，在此種模型下，收斂速度和效果并不理想。

圖9 收斂殘差圖

第三種情況：刀翼高度0.08 m；刀翼長(zhǎng)度0.20 m；刀翼螺旋度8°；刀翼寬度0.05 m.其流場(chǎng)壓力分布云圖如圖10所示。

圖10 壓力分布云圖

由圖10可知，當(dāng)?shù)兑砀叨葹?.08 m時(shí)，刀翼頂端的壓力與鉆柱本身所承受壓力相差無幾，由此可推斷，在此高度下，微擴(kuò)眼工具的的擴(kuò)眼作用并不是很突出。刀翼高度應(yīng)在此基礎(chǔ)上增加些許。圖11顯示的是這種情況下其收斂殘差的收斂情況。

圖11 收斂殘差圖

3.2 結(jié)果優(yōu)化分析

（1）刀翼高度與各向應(yīng)力的關(guān)系

根據(jù)上述各流場(chǎng)壓應(yīng)力分布圖，可得到刀翼高度與各向應(yīng)力關(guān)系圖。

由圖12可明顯看出：鉆柱式隨鉆微擴(kuò)眼工具在刀翼高度為0.085 m時(shí)，其應(yīng)力場(chǎng)曲線的特點(diǎn)為：徑向應(yīng)力SX小、周向應(yīng)力SY大，徑向應(yīng)力釋放較充分，且具有較大的徑向應(yīng)力SX和周向應(yīng)力SY差值，有利于提高機(jī)械鉆速。其對(duì)應(yīng)的刀翼高度0.085 mm是工具通徑為Φ=8-1/2″時(shí)的最優(yōu)刀翼高度參數(shù)。

圖12 刀翼高度與各向應(yīng)力關(guān)系圖

（2）刀翼螺旋角度與各向應(yīng)力的關(guān)系

根據(jù)上述各流場(chǎng)壓應(yīng)力分布圖，可得到刀翼螺旋角度與各向應(yīng)力關(guān)系圖。

由圖13可明顯看出：鉆柱式隨鉆微擴(kuò)眼工具在刀翼螺旋角度為8°時(shí)，其應(yīng)力場(chǎng)曲線的特點(diǎn)為：徑向應(yīng)力SX小、周向應(yīng)力SY大，徑向應(yīng)力釋放較充分，且具有較大的徑向應(yīng)力SX和周向應(yīng)力SY差值，有利于提高機(jī)械鉆速。其對(duì)應(yīng)的刀翼螺旋角度8°是工具通徑為Φ=8-1/2″時(shí)的最優(yōu)刀翼螺旋角度參數(shù)。

圖13 螺旋角度與各向應(yīng)力的關(guān)系圖

（3）刀翼長(zhǎng)度與各向應(yīng)力的關(guān)系

根據(jù)上述各流場(chǎng)壓應(yīng)力分布圖，可得到刀翼長(zhǎng)度度與各向應(yīng)力關(guān)系圖。

由圖14可明顯看出：鉆柱式隨鉆微擴(kuò)眼工具在刀翼長(zhǎng)度為110 mm時(shí)，其應(yīng)力場(chǎng)曲線的特點(diǎn)為：徑向應(yīng)力SX小、周向應(yīng)力SY大，徑向應(yīng)力釋放較充分，且具有較大的徑向應(yīng)力SX和周向應(yīng)力SY差值，有利于提高機(jī)械鉆速。其對(duì)應(yīng)的刀翼長(zhǎng)度110 mm是工具通徑為8-1/2″時(shí)的最優(yōu)刀翼長(zhǎng)度參數(shù)。

圖14 刀翼長(zhǎng)度與各向應(yīng)力的關(guān)系圖

4 結(jié)束語

本文在現(xiàn)有I型鉆柱式偏心微擴(kuò)眼器的研究基礎(chǔ)上，借鑒雙心鉆頭設(shè)計(jì)理得到II型鉆柱式偏心微擴(kuò)眼工具設(shè)計(jì)方案。針對(duì)8-1/2″井眼工具借助流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)其外形結(jié)構(gòu)，刀翼長(zhǎng)度和布齒方案進(jìn)行優(yōu)化分析，最終確定刀翼最優(yōu)高度0.085 mm，刀翼螺旋最優(yōu)角度8°，刀翼最優(yōu)長(zhǎng)度110 mm.

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Type II Reaming While Drilling Tool Design and Parameter Optimization

NIE Yun-fei，HE Yu-guang，ZHANG Rui
（Drilling Technology Research Institute of Sinopec Victory Petroleum Engineering，Dongying Shandong 257000，China）

The dimension of well smaller than drill diameter，causing by hole shrinkage，micro dog leg and micro step in the drilling，will cause tripping difficult，hole leakage，well slough and pump suffocation accident.Based on the type Ireaming while drilling tool，the design of the type IIreaming while drilling tool is researched according to the double core drill design theory.Meanwhile，the outline，blade length and tooth pattern are optimized through the software.Finally，the designing scheme of the type IIreaming while drilling tool is built.

drilling；double core drill；eccentric reaming；fluid analysis

TH124

A

1672-545X（2017）03-0008-06

2016-12-15

國家重大專項(xiàng)“高壓低滲油氣藏固井完井技術(shù)-連續(xù)循環(huán)及安全下套管裝置的研制”（2016ZX05021005-003）

聶云飛（1975-），男，山東廣饒人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事鉆井井下工具相關(guān)研究工作。