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

隨著深井、復(fù)雜井鉆井技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)井下擴(kuò)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(jìn)步為研制高效井下擴(kuò)孔工具奠定了基礎(chǔ)。隨鉆擴(kuò)孔工具使用時(shí)要求不能影響正常鉆進(jìn)，能與常規(guī)井下工具匹配，且能在地面開(kāi)啟或停止井下工具的工作。擴(kuò)孔功能要求工具能夠擴(kuò)出所要求的井眼尺寸，而且不影響擴(kuò)孔鉆井的速度。為實(shí)現(xiàn)隨鉆擴(kuò)孔工具的這些基本功能，國(guó)內(nèi)外發(fā)展了多種結(jié)構(gòu)形式的擴(kuò)孔工具[4-7]。

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

1 液壓控制式雙向隨鉆擴(kuò)孔工具工作原理

液壓控制式雙向隨鉆擴(kuò)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(dòng)力驅(qū)動(dòng)擴(kuò)孔刀翼同時(shí)張開(kāi)。當(dāng)隨鉆擴(kuò)孔工具下入到需要進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)的井段后加大泵排量，擴(kuò)孔工具本體內(nèi)外壓差值增加到3 MPa時(shí)，剪切銷釘被剪斷，主動(dòng)活塞在液壓驅(qū)動(dòng)作用下向上移動(dòng)，主動(dòng)活塞帶動(dòng)主動(dòng)推塊推動(dòng)擴(kuò)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(kuò)孔位置，進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)。同時(shí)，擴(kuò)孔刀翼推動(dòng)回位推塊及回位活塞，壓縮回位壓縮彈簧。擴(kuò)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(dòng)回位推塊及回位活塞向下移動(dòng)，推動(dòng)擴(kuò)孔刀翼沿斜軌道退回。

1—本體；2—中心管；3—主動(dòng)活塞；4—主動(dòng)推塊1；5—主動(dòng)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(dòng)式雙向隨鉆擴(kuò)孔器實(shí)體裝配

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

液壓控制式雙向隨鉆擴(kuò)孔工具可以進(jìn)行正反兩個(gè)方向劃眼。

2 液壓控制式雙向隨鉆擴(kuò)孔工具的特點(diǎn)

1) 同心擴(kuò)孔。偏心隨鉆擴(kuò)孔工具因其結(jié)構(gòu)原因，有以下的缺點(diǎn)：①穩(wěn)定性差、振動(dòng)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(xiǎn)大；④工作方向調(diào)整性能較差，無(wú)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(kuò)孔工具的同心擴(kuò)孔切削塊能隨鉆擴(kuò)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(guò)水力驅(qū)動(dòng)，工具內(nèi)徑暢通；地面壓力可現(xiàn)實(shí)切削塊已完全打開(kāi)；不用鉆壓來(lái)驅(qū)動(dòng)切削塊，確保連續(xù)的足尺寸井眼；停泵后切削塊縮回。

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

4) 雙向擴(kuò)孔。擴(kuò)孔器刀翼(如圖3)上下兩個(gè)冠面上均布有PDC齒[11]，不僅可以正向擴(kuò)孔，同時(shí)也能進(jìn)行倒擴(kuò)孔，適合在膏鹽地層縮經(jīng)時(shí)反復(fù)劃眼。液壓式驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)決定了在倒擴(kuò)孔時(shí)只要排量不變，擴(kuò)孔工具就能穩(wěn)定地進(jìn)行倒擴(kuò)孔(這點(diǎn)與鉆壓驅(qū)動(dòng)式不同)。

圖3 擴(kuò)孔器刀翼

3 本體強(qiáng)度校核

對(duì)于所有的井下工具來(lái)說(shuō)，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(duì)最大外徑?203 mm的液壓控制式隨鉆擴(kuò)孔工具本體強(qiáng)度進(jìn)行校核。驗(yàn)證工具在轉(zhuǎn)矩作用下問(wèn)題屈服強(qiáng)度是否滿足要求；及本體的變形引起刀翼收回問(wèn)題。

材料基本參數(shù)為：彈性模量2.16×1011Pa；泊松比0.3；抗拉強(qiáng)度980 MPa；屈服強(qiáng)度835 MPa。鉆桿最大抗扭強(qiáng)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(gè)不同數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。網(wǎng)格劃分如圖4。

圖4 擴(kuò)孔工具本體網(wǎng)格劃分

等效應(yīng)力云圖(采用第四強(qiáng)度準(zhǔn)則[12-14])如圖5。計(jì)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(kāi)孔位置的等效應(yīng)力相對(duì)較高，但絕對(duì)值較低，不同轉(zhuǎn)矩時(shí)的應(yīng)力值如表1。當(dāng)轉(zhuǎn)矩高達(dá)40 kN·m時(shí)，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(qiáng)度滿足要求。對(duì)應(yīng)的該轉(zhuǎn)矩作用下本體的變形量雖達(dá)到0.43 mm，但也不會(huì)造成工具刀翼收回困難。

表1 擴(kuò)孔工具本體強(qiáng)度校核結(jié)果

4 水力參數(shù)計(jì)算

液壓控制式隨鉆擴(kuò)孔工具主要通過(guò)地面調(diào)節(jié)泵排量來(lái)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(kuò)孔工具噴嘴大小、泥漿性能等多種因素控制，現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)必須要根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算擴(kuò)孔器工作參數(shù)[15]。因此，以上述最大外徑?203 mm的擴(kuò)孔器為基礎(chǔ)，下入井深1 000 m的直井為例進(jìn)行開(kāi)展水力學(xué)設(shè)計(jì)，具體參數(shù)如表2。

表2 隨鉆擴(kuò)孔器水力學(xué)計(jì)算基本參數(shù)

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

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，剪斷銷釘需要3 MPa的壓差，經(jīng)過(guò)計(jì)算需要31 L/s排量，此時(shí)泵壓為7 MPa沒(méi)有超過(guò)額定泵壓。

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

5 結(jié)論

1) 通過(guò)井深1 000 m的水力學(xué)計(jì)算，工具在33 L/s的排量和泄壓時(shí)能實(shí)現(xiàn)刀翼收放，操作簡(jiǎn)單，可控性強(qiáng)，擴(kuò)孔動(dòng)作持續(xù)可靠。

2) 刀翼冠部上下布有PDC齒，實(shí)現(xiàn)了雙向擴(kuò)孔功能。

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