萬教育，丁紅，易超，袁瑞剛，尹永清

（1.中國石油集團(tuán)西部鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司，新疆 烏魯木齊 830026；2.奧瑞拓能源科技股份有限公司，河北 廊坊 065000）

石油鉆井的井眼控制是一個(gè)技術(shù)難題。傳統(tǒng)的固定穩(wěn)定器，必須在起鉆或停鉆時(shí)才能更換，一方面，會刮擦井壁，出現(xiàn)拔活塞現(xiàn)象；另一方面，會降低鉆進(jìn)效率，甚至引起井塌、井噴等事故。為了解決這一問題，將可控變徑穩(wěn)定器用在定向造斜、直徑防斜中，可明顯縮短鉆井時(shí)間。然而，目前可控變徑穩(wěn)定器因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，并未在國內(nèi)大范圍推廣，進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性能上的改進(jìn)，成為今后生產(chǎn)企業(yè)的一個(gè)關(guān)注重點(diǎn)。

1 可控變徑穩(wěn)定器的工作機(jī)理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

如下圖1，是可控變徑穩(wěn)定器的組成結(jié)構(gòu)，其中數(shù)字對應(yīng)的各部件是：1是殼體，2是導(dǎo)流套筒，3是上復(fù)位彈簧，4是彈簧座，5是導(dǎo)向體，6是支撐塊，7是下復(fù)位彈簧，8是活塞，9是過濾網(wǎng)，10是節(jié)流套筒，11是接頭。從位置關(guān)系看，殼體和接頭在外邊，其余部件在殼體里邊；從外觀來看，殼體表面有螺旋式翼面，且上端和下端均有螺紋。

1.2 工作機(jī)理

井下作業(yè)時(shí)，根據(jù)泵壓大小決定著該穩(wěn)定器是否變徑。

（1）變徑機(jī)理。泥漿泵正常運(yùn)行時(shí)，漿液經(jīng)過連接頭，在節(jié)流作用下導(dǎo)致液壓變大，這個(gè)壓力會推動節(jié)流套筒向上運(yùn)動，繼而帶動導(dǎo)向體、支撐塊同方向運(yùn)動。支撐塊的運(yùn)動，是在滑軌上完成的，滑軌在滑動過程中，支撐塊發(fā)生徑向伸縮，就會從殼體孔內(nèi)推出。隨著外徑不斷增大，當(dāng)支撐塊全部推出，導(dǎo)向體上端到達(dá)殼體限位臺肩處，導(dǎo)向體就不能繼續(xù)向上運(yùn)動了。

（2）恢復(fù)機(jī)理。導(dǎo)向體向上運(yùn)動，此時(shí)，復(fù)位彈簧處于壓縮狀態(tài)。當(dāng)泥漿泵停止運(yùn)行，泵壓開始降低，此時(shí)，復(fù)位彈簧沒有了作用力，就開始恢復(fù)壓縮形變。與此同時(shí)，導(dǎo)向體、節(jié)流套筒均向下運(yùn)動，支撐塊收縮殼體孔內(nèi)，最終回到初始位置，整個(gè)變徑過程結(jié)束。

2 可控變徑穩(wěn)定器關(guān)鍵部件的安全性分析

2.1 殼體安全性分析

該穩(wěn)定器的殼體上，共有6個(gè)開孔。在井下實(shí)際使用時(shí)，穩(wěn)定器上端和柔性鉆鋌連接，下端和鉆頭連接，殼體會和井壁發(fā)生碰撞，拉力和扭力符合載荷均由殼體承受。為了評價(jià)殼體的安全性，使用ANASY軟件對軸向載荷、扭矩耦合下的殼體應(yīng)力進(jìn)行分析。其中，殼體材料采用40 CRNiMo，屈服強(qiáng)度為930MPa；扭矩取20000N·m時(shí)，計(jì)算軸向載荷的影響；軸向載荷取350000N時(shí)，計(jì)算扭矩的影響。

結(jié)果顯示，殼體應(yīng)力主要有三處：一是開槽口的弧形過渡部位，二是螺旋帶開槽口的兩端，三是螺旋槽對應(yīng)的開槽部位。隨著軸向載荷變化、扭矩變化，殼體應(yīng)力也發(fā)生變化，如圖2?？梢姡?dāng)扭矩為40000N·m時(shí)，此時(shí)，殼體開槽口弧形過渡部位的應(yīng)力最大約為440MPa。相比930MPa的屈服強(qiáng)度，可見安全系數(shù)較高（2.11＞1），說明殼體的安全性滿足實(shí)際作業(yè)要求。

2.2 彈簧座銷安全性分析

彈簧座銷的作用，是在殼體上固定彈簧座的位置，穩(wěn)定器在工作過程中，座銷會承受彈簧壓縮產(chǎn)生的載荷。為了評價(jià)座銷的安全性，使用ANASY軟件分析在惡劣工況下座銷應(yīng)力進(jìn)行分析。其中，座銷受力時(shí)，殼體下端是固定的，彈簧座上方受到彈簧產(chǎn)生的彈力，座銷和殼體、彈簧座相接觸，承受的軸向剪切載荷最大值為200000N，座銷的屈服強(qiáng)度為900MPa。

結(jié)果顯示，座銷受到200000N的軸向剪切載荷時(shí)，應(yīng)力最大值約為350MPa，如下圖3。相比900MPa的屈服強(qiáng)度，可見安全系數(shù)較高（2.57＞1），說明彈簧座銷的安全性滿足實(shí)際作業(yè)要求。

2.3 過流壓降分析

井下作業(yè)時(shí)，鉆井液流經(jīng)節(jié)流套筒會產(chǎn)生壓力差，這個(gè)壓力差會帶動導(dǎo)向體和支撐塊運(yùn)動，促使穩(wěn)定期的直徑大小改變。鉆井液流經(jīng)節(jié)流套筒時(shí)，其流速并不是均勻固定的，一旦發(fā)生變化就會引起流體壓降，經(jīng)能量轉(zhuǎn)化促使導(dǎo)向體運(yùn)動的作用力會變化，按照設(shè)計(jì)要求壓力差控制在0.5～2.0MPa。為了評價(jià)鉆井液流速變化對壓力差的影響，進(jìn)行仿真分析。其中，穩(wěn)定器分為三種工位：一是支撐塊收縮，二是支撐塊和工具外徑相等，三是支撐塊完全伸出；入口流量為40～70L/s；出口相對壓力設(shè)置為0。

結(jié)果顯示，該穩(wěn)定器處于第2種工位、鉆井液流量為70L/s時(shí)，壓力差達(dá)到最大值為1.95MPa，如下圖4。相比最大壓力差設(shè)計(jì)值2.0MPa，可見安全系數(shù)較高（1.02＞1），說明該穩(wěn)定器在各種狀態(tài)下，過流壓降均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 不同工位鉆井液流量對壓力差的影響

3 可控變徑穩(wěn)定器常用的下部鉆具組合

該穩(wěn)定器可在水平井段、大位移井段、造斜井段應(yīng)用；在定向井中，配套使用螺桿鉆具、防磨工具等，可以提高鉆進(jìn)效率，縮短工作時(shí)間。以φ216mm的井眼為例，第一，如果是水平井或定向井，可用的鉆具組合方案是：φ216mmPDC鉆頭+直螺桿（或單彎螺桿）+φ158.8mm無磁鉆鋌+φ216mm變徑穩(wěn)定器+φ158.8mm鉆鋌+φ127mm加重鉆桿+φ127mm鉆桿。第二，如果是直井防斜，可用的鉆具組合方案是：φ216mm牙輪鉆頭+φ216mm變徑穩(wěn)定器+158.8mm無磁鉆鋌+φ158.8mm鉆鋌+φ127mm鉆桿。

4 實(shí)例應(yīng)用

以KJW-310型可控變徑穩(wěn)定器為例，在工作運(yùn)行中，沒有采用鉆研驅(qū)動、排量鎖定、電控變徑等方式，而是通過井口投球、開泵憋壓促使穩(wěn)定器的外徑改變。其技術(shù)參數(shù)如下：工作外徑為290～310mm，工作長度為370mm，兩端外徑為203mm，總長度為2465mm；變徑方式是井口投球4×φ45mm，單泵憋壓流量≥25L/s；適用于311mm的井眼。

4.1 技術(shù)特點(diǎn)

KJW-310型可控變徑穩(wěn)定器的技術(shù)特點(diǎn)是：

（1）使用棱塊進(jìn)行伸縮，能增加支撐面積，提高支撐效果。

（2）投球憋壓時(shí)，隨著泵壓增高，棱塊到位并鎖定；隨著泵壓降低，棱塊恢復(fù)原始狀態(tài)，在地面能及時(shí)了解棱塊的工作情況。

（3）相比于電控變徑、排量鎖定等方式，投球封堵的驅(qū)動力大，鎖定更加可靠。

（4）穩(wěn)定器的整體結(jié)構(gòu)簡單，除了活塞上的螺旋槽需要數(shù)控機(jī)床加工，其余部件容易制造，具有成本低、組裝方便的優(yōu)點(diǎn)。

（5）實(shí)際應(yīng)用時(shí)方便操作，容易大范圍推廣。

4.2 試驗(yàn)情況

KJW-310可控變徑穩(wěn)定器在投入使用前，按照規(guī)范進(jìn)行密封、室內(nèi)模擬、地面井口試驗(yàn)等。結(jié)果如下：

（1）密封試驗(yàn)中，液壓油設(shè)置為20MPa，壓力穩(wěn)定15min后，穩(wěn)定器沒有出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

（2）室內(nèi)模擬試驗(yàn)中，使用液壓機(jī)代替鉆井液產(chǎn)生推動力，結(jié)果顯示棱塊能靈活伸縮、鎖定可靠，推力約為11.8kN，和設(shè)計(jì)值相近。

5 結(jié)語

綜上所述，在石油鉆井施工中，將可控變徑穩(wěn)定器用于井眼控制可以加快效率、保證質(zhì)量。本文從殼體、彈簧座銷、過流壓降三個(gè)方面，對工作安全性進(jìn)行分析，結(jié)果證明，均滿足安全生產(chǎn)要求。以KJW-310型可控變徑穩(wěn)定器為例，井下實(shí)際應(yīng)用時(shí)不論是增斜、穩(wěn)斜還是降斜，經(jīng)監(jiān)測證實(shí)井身結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)基本一致，可在井下作業(yè)中大力推廣。