（机械工程专业论文）812978tgxk型套管下部随钻扩孔器的设计.pdf

、轨 n ， 1 c a n d i d a t e ：z h a n g y a n s u p e r v i s o r ：p r o f l i uy o n g h o n g c o l l e g eo f m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 噜 t ， 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：茎迄整 一 日期：年月 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：壹睦蓝 日期：年月 指导教师签名：日期：年月 日 日 摘要 本课题是对“套管下部井眼随钻扩孔器 的设计研制技术进行研究。以往钻井过 程中，其下部井眼直径都必须小于上一层套管的内径，这种常规的钻井程序将对相应 套管的顺利下入和完井带来极大地不便，很大程度上随着超深井、大斜度井、大位移 井多底井等复杂井数量的增多，特别是海洋深水钻井的发展，使得井身结构越来越复 杂，套管层序越来越多，各层套管与钻出井眼的间隙越来越来小，这样将直接影响到 下套管和固井作业，也直接影响到完井作业和油气开发。可是我国复杂钻井日益增多， 海洋石油也开始向深水迈步，对套管下部随钻扩孔器的需求迫在眉睫，为打破国外垄 断，研制具有我国自主知识产权的套管下部随钻随钻扩孔器t g x k 是非常有必要的。 根据所要求的技术经济校核指标利用二维软件a u t o c a d 和三维软件p r o e 绘制 出t g x k 型套管下部随钻扩孔器的结构尺寸，然后根据该刀具的工作环境选定刀具各 个零部件的材质，根据前面设计的尺寸和选材利用一些基本校核公式以及a n s y s 校核 软件对一些主要零部件进行受力分析，在进行a n s y s 受力分析时将模型进行等效简化， 这样可以有利于网格的划分，使结果更为准确。 关键词：t g x k 型套管下部随钻扩孔器a u t o c a dp r o e 结构设计强度校核 、 p 叫 t o o lu n d e rt h ec a s i n g z h a n gy a h ( c o l l e g eo fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl i uy o n g h o n g a b s t r a c t g t h i st o p i ci sr e s e a r c h i n gf o rt h ed e s i g no f ”e n l a r g e - w h i l e - d r i l l i n gu n d e rt h ec a s i n g ”，i n t h ep r e v i o u sd r i l l i n gp r o c e s s ，t h el o w e rp a r tb o r e h o l ed i a m e t e rm u s tb el e s st h a nal a y e ro f t h ei n n e rd i a m e t e ro ft h ec a s i n g , w h i l et h ec o n v e n t i o n a ld r i l l i n gp r o g r a mw i l lb r i n gg r e a t l y i n c o n v e n i e n c ef o rt h ec o r r e s p o n d i n gc a s i n gd o w ni n t ot h ew e l la n dc o m p l e t i o n , l a r g e l ya st h e c r e a s i n go fc o m p l e xw e l ls u c ha st h es u p e rd e e pw e l l s ，t h eh i g h - d e v i a t e dw e l l sa n dt h e h i g h j y d i s p l a c e m e n tw e l l sa n ds oo n , e s p e c i a l l ya st h ed e v e l o p m e n to fm a r i n ed e e p - w a t e r d r i l l i n g ，m a k et h ew e l lb o d ys t r u c t u r em o r ea n d m o r ec o m p l e x ，m o r ea n dm o r ec a s i n g s t r a t i g r a p h y , m o r es m a l lc l e a r a n c eb e t w e e ne a c hl a y e rc a s i n ga n d t h eh o l e s ，t h i sw i l ld i r e c t l y a f f e c tt h ec a s i n ga n dc e m e n t i n go p e r a t i o n sa n dt h ec o m p l e t i o nh o m e w o r ka n dd e v e l o p m e n to f o i la n dg a s ，b u to u rc o m p l e xd r i l l i n ga l ei n c r e a s i n g ，o f f s h o r eo i la l s ob e g a nt os t e p p e di n t o d e e p - w a t e r , i t si m m i n e n tf o rt h ee n l a r g e w h i l e d r i l l i n gt o o l su n d e rt h ec a s i n g ，f o rb r e a k i n g f o r e i g nm o n o p o l y , i t sv e r yn e c e s s a r yt od e v e l o p eo u rt g x - ke n l a r g e - w h i l e - d r i l l i n gt o o l u n d e rc a s i n gw i t ho u ri n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y d e s i g na n dd r a w i n gt h es t r u c t u r ea n ds i z eo ft h ee n l a r g e - w h i l e d r i l l i n gt o o lu s i n g2 d s o f t w a r ea u t o c a da n d3 ds o f t w a r ep r o ea c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h et e c h n i c a l a n de c o n o m i ci n d e x ，t h e ns e l e c t i o nt h em a t e r i a lo ft h et o o la c c o r d i n gt ot h ew o r k e n v i r o n m e n ti tw o r k si na n dc h e c ko nt h es t r e n g t ho ft h em a i np a r t su s i n gs o m eb a s i cc h e c k f o r m u l aa n da n s y ss o f t w a r ea c c o r d i n gt ot h ep r e v i o u sd e s i g n e ds i z ea n ds e l e c t i o n e d m a t e r i a l ，w h e nw em a k et h ea n s y sa n a l y s i sw es h o u l de q u i v a l e n ta n ds i m p l i f i e dt h em o d e l w h i c hc a nc o n d u c i v et og r i dd i v i s i o na n dm a k et h er e s u l t sm o r ea c c u r a t e k e yw o r d s ：t g x kt y p eo fe n l a r g e w h i l e d r i l l i n gt o o l u n d e rc a s i n g ；a u t o c a d ； p r o es t r u c t u r ed e s i g n ；s t r e n g t hc h e c k i n g 3 4 5 1 3 本课题的研究内容及研究目的8 1 3 。l 研究内容8 1 3 2 研究目的一9 1 4 套管下部井眼扩孔器的关键技术、技术路线以及结构安排9 1 4 1 关键技术9 1 4 2 技术路线。9 1 4 3 结构安排9 第二章8 1 2 ”- 9 7 8 ”t g x k 型套管下部随钻扩子l 器的结构设计1 1 2 1 软件介绍1 1 2 2 结构设计与特点1 2 2 3 本课题研究的校核指标1 4 2 4 各个零部件尺寸的确定1 4 2 。5 结构设计图纸1 7 第三章各主要部件的选材研究2 1 3 1 石油工业海洋装备常用材料2 1 3 2 本课题中各个零部件的选材2 3 第四章套管下部随钻扩孔器的强度校核2 4 4 1 与钻井相关参数的确定：2 4 4 28 - 1 2 ”- 9 - 7 8 ”t g x - k 型套管下部随钻扩孔器相关的水力计算2 5 4 3 关键零部件的强度校核2 7 4 3 1 校核零部件的确定2 7 葡 第五章8 1 2 ”- 9 7 8 ”t g x k 型套管下部随钻扩孑l 器使用安装与维修保养4 l 5 18 1 2 - 9 7 8 ”t g x k 型套管下部随钻扩孔器使用方法4 1 5 28 1 2 - 9 7 8 ”t g x k 型套管下部随钻扩孔器的维修保养4 1 第六章总结与展望4 3 6 1 研究总结4 3 6 2 研究展望4 4 参考文献4 5 致 射4 9 的顺利下入和完井带来极大地方便，很大程度的节随着超深井、大斜度井、大位移井多 底井等复杂井数量的增多，特别是海洋深水钻井的发展，使得井身结构越来越复杂，套 管层序越来越多，各层套管与钻出井眼的间隙越来越来小，直接影响到下套管和固井作 业，也直接影响到完井作业和油气开发。尽管有些偏心双轴钻头和水力式牙轮扩孔器出 现，可以实现随钻将井眼扩大一些，但是其自身的缺陷造成井眼井径不规则，井眼轨迹 控制差，井身质量差，甚至于掉扩孔牙轮，不仅解决不了下套管固井困难的问题，还增 加了井下事故的频发等一系列复杂情况。直到近年来，美国u n d r e a m e d 【1 】公司研制的 u n d e rr e a m e r 套管下部井眼随钻扩孔器的出现，解决了上述问题，至今已形成完整的配 套系列，即：1 8 1 8 i i 2 11 2 ”、7 1 2 ”2 1 1 2 ”、1 6 1 2 ”1 9 1 2 ”、1 4 1 2 ”1 7 1 2 ”、 1 2 1 4 ”1 4 1 2 ”、1 2 1 4 ”1 3 1 2 ”、1 0 5 8 ”1 2 1 4 ”、9 1 2 ”11 - 3 8 ”、8 1 2 ”9 - 7 8 ”、 8 - 3 8 - 9 7 8 ”、6 1 2 - 7 5 8 ”等十一套【2 】，基本上满足了复杂井身结构的作业要求，尤其 采用锥体燕尾啮合机构避免了掉牙轮的发生，使用安全可靠，其扩孔切割块相当于变径 的p d c 钻头，对地层适用性强等等这些优点，使得u n d e rr e a m e rt 具几乎垄断了欧美 石油市场。而在我国国内，仅有少数外国公司使用过，从工具到市场都是一片空白，可 是我国复杂钻井日益增多，海洋石油也开始向深水迈步，对u n d e rr e a m e r 的需求迫在眉 睫，为打破国外垄断，研制具有我国自主知识产权的套管下部随钻随钻扩孔器t g x k 是非常有必要的，而且该课题的成果立即可以转化成生产力，是一个紧密结合油气勘探 开发实际需求的科研项目，一旦完成图纸设计，深圳市远东石油钻采工程有限公司将立 即投入样机制造，相信不久的将来自主研发的t g x k 将首先在我多海油田勘探开发中 得到应用，以此填补国内的空白。 结合国内外最为广泛选用的井身结构【3 】( 海洋石油常采用英制表示) 即： 1 第一章绪论 2 6 ”1 7 1 2 ”1 2 1 4 ”8 1 2 ” 2 0 ”1 3 3 8 ”9 - 5 8 ” 7 ” 在实际作业过程中，8 1 2 ”井眼下7 ”套管( 或者是尾管) ，由于该井段处在最深井 段，井斜角度最大甚至于是水平段，且往往是硬地层或者是地层压实程度好，钻井作业 中井径扩大系数好，形成其井眼尺寸与套管与套管外径间隙最小，即套管本体与井眼间 隙为1 9 m m ，而套管接箍与井眼间隙因为9 m m ，这样的间隙只要井身质量不那么好，井 眼狗腿度大一点，往往造成7 ”套管下不下去的问题，直接影响完井质量和今后油井生 产，为此，钻8 1 2 ”井眼时，带上8 1 2 - 9 7 8 ”系列的t g x k 工具，不仅钻出井眼使 与7 ”尾管的间隙达5 8 6 8 m m ，且新井眼直径与9 - 5 8 ”套管内径相等，极大改善循环和 固井浇水泥的水力学效应，该9 - 5 8 ”套管下部井眼扩孔器是用的最多的。因此本课题以 8 1 2 - 9 7 8 ”系列t g x k 为设计研究对象，进行工程设计和研制。 而要实现对套管下部井眼的扩孔，就必须采用可变直径扩孔器，其8 1 2 - 9 7 8 ” t g x k 扩孔器，组合在钻头上部钻柱上，其下井时直径与钻头一样是8 1 2 ”( 巾2 1 6 ) ， 只有当扩孔器切削快过了套管鞋，进入领眼钻头钻出新井眼时，在水力活塞推动下直径 变大，随着钻柱旋转把新钻井眼扩大至9 - 7 8 ( 巾3 1 5 ) ，这就实现了9 - 5 8 ”套管下部 8 1 2 ”井眼的扩孔作业，一旦停泵，水力活塞在复位弹簧作用下上行，燕尾导轨的滑行 将切削快收回又缩至8 1 2 ”，就可以与钻头一起方便起出井眼，完成了套管下部井眼扩 孔作业。总之，该8 1 2 - 9 7 8 ”t g x k 扩孔器的设计建造，将使用在下完9 - 5 8 ”套管后， 用8 1 2 ”钻头钻进生产层的井段，它将要求t g x k 扩孔器起下钻作业时的直径保持 8 1 2 ”( 即与钻头尺寸一样大) ，在扩眼作业时，切削快滑行使扩孔直径达9 - 7 8 ”，即可 以扩大新钻出的井眼，又保证起下钻作业正常，同时确保顺利下入7 ”尾管，按计划设 计完井浇水泥，保证油井的正常投产，毋庸置疑，该课题研究具有很好的经济效益和社 会效益。 2 气 叫 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 2 套管下部井眼扩孑l 器在国内外的发展现状 近几年来，随着国内外钻井技术的不断发展和钻井施工难度的日益加大，国外一些 公司投入了大量的人力物力致力于石油钻井扩孔工具的研发，已取得相当明显的效果， 进而从最初介绍的双中心扩孔钻头发展至现在已达到商业化水平的系列扩孔工具【4 】。如 b a k eh u g h e s 的r w d 系列随钻扩孔器，d p i 的s r 系列的扩孔器以及s e c u r i t yd b s 的 n b r 系列扩孔工具，工具性能日臻完善，尺寸规格渐成系列。其中美国的u n d r e a m e d 公司生产的e w d 刀具几乎垄断了套管下部井眼随钻扩孔器工具，e w d 是一把具有三 个对称刀块的短的( 3 f t - 5 f t ) ，牢固的刀具，刀块从e w d 主体的内部插入，由钢铁制成， 刀块的v 型设计会防止它们掉入孔内，为了保证e w d 的钻进方向，在驱动轴上要插入 安全销，这些安全销要承载3 0 0 0 8 0 0 0 b 的重量。在刀块下方设置三个可互换的喷嘴， 通过改变喷嘴的流速来改善钻头断面的井眼净化状况，从而降低钻头泥包对钻头的二次 磨损。 在2 0 0 2 年的时候，e w d 迎来了它的第四代产品，比之前的设计有了很大的改善， 当这种刀具第一次被引入到石油行业，它就直接被安装在钻头上方，井下动力钻具或者 是一个连续的旋转机构的下方，即扩孔器安置在钻具下部组合b h a 系统最下方钻头的 上部。 对于e w d 而言，最新的附件便是压力传感器，它将会检测刀具是否被锁定在正确 的钻进位置，如果是由于某种原因e w d 偏离了原来的钻进位置，压力传感器将会显示 有5 0 0 p s i 7 0 0 p s i 的压降，所有的钻工应及时的注意到此压降并在钻进之前重新锁住， 液压式管下扩孔器是从液压机械式管下扩孔器演变过来的，它可以仅仅通过液压来驱 动，不管地层类型、钻进技术参数和井底条件如何，液压式管下扩孔器都能扩出一口高 质量的比套管内径大2 0 的同心井眼。液压式扩孔器运用已经被证实了的液压机械式扩 孔器的技术，是可靠的、完善的，它可以应付最苛刻的井底环境。 e w d 系统的扩张锁紧装置和回收装置用以确保在要求刀块张开的时候能够保证刀 块能够全部被扩张开和在所扩并眼外刀块能够收缩回去，液压式扩孔器还有一个特殊的 功能，就是它本身携带一套装置，不管立管的压力和钻头上的压力如何变化，它都会使 刀块在不工作的时候锁紧【3 1 。也就是说在打开扩孔刀块之前把水泥套管、浮鞋和其他一 些套管相关装置钻掉，接下来的井段可以钻孔和扩孔同时进行。 3 坚硬、 岩块掉 入由1 5 7 领眼内造成卡钻，需使用硬质合金钻头。由于所钻岩层研磨性强，钻头必须采 取特别保径措施，巴掌必须强化，因此选用“7 系列的、巴掌强化的、采取特别保径措 施的滑动轴承橡胶密封改进型三牙轮钻头。科钻一井选用了k z l5 7 311 型扩孔钻头和江 钻砌t 5 3 7 及i - i j t 5 4 7 系列扩孔钻头。 k z l 5 7 3 1 l 型扩孔钻头是为中国大陆科钻一井专门设计的一种三高( 高效率、高寿 命、高强度) 钻头，其导孑l 直径1 5 7 m m ，扩孔直径3 1l m m 。其结构特点为： 1 ) 钻头体与超前导向部分采用一体式设计，材质为3 5 c r m o ，强度高、同心度 好，前导向部分镶满硬质合金，耐磨性好。 2 ) 钻头采用四喷嘴组合，冲洗液分配合理。 3 ) 钻头巴掌采用巾2 1 5 9 m m 川石s h 3 3 型、史密斯f h 5 4 7 型、江钻h j t 5 3 7 型、 江钻h j t 5 4 7 型，牙轮轴承质量好，有优良的性能价格比。 图1 - 1 k z l 5 7 3 1 1 型扩孔钻头 f i g l - 1 k z l 5 7 3 1 1t y p er e a m i n gd r i l l 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 江钻h j t 5 3 7 型和h j t 5 4 7 型的扩孔钻头1 6 耐磨性比较强、牙轮轴承质量较好，适应 钻进科探一井坚硬地层，故科钻一井使用了江钻h j t 5 3 7 和h j t 5 4 7 系列的扩孔钻头。 r w d 1 5 2 型液压张开式随钻扩孔工具如图1 2 。该工具主要由主体、活塞、腔体、 切削钻头、弹簧、腔体固定螺钉等部分组成。其工作原理如下：随钻扩孔工具下至设计 井深后，启动转盘开泵，液体作用在活塞上产生推力，推动活塞下行，随钻扩孔工具在 内部压力到额定工作压力1 5 m p a 后带动扩孔切削钻头伸出工具体外，开始造台阶，造 完台阶后，由于分流报警装置的作用，泵压下降0 5 m p a , 4 ) 8m p a ，此时可加压，利用 扩孔切削钻头破碎岩石进行随钻扩孔施工。 图1 - 2r w d - 1 5 2 型随钻扩孔工具结构示意图 f i g l - 2t h es t r u c t u r es c h e m a t i co fr w d - 1 5 2t y p eo fe n l a r g e - w h i l e - d r i l l i n gt o o l 卜主体：2 一上腔体；3 一弹簧；4 一下腔体；5 _ 切削钻头；6 腔体固定螺钉 1 2 2 套管下部随钻扩孔器现状 ( 1 ) 双心p d c 钻头川 该套管下部随钻扩孔器的结构以结构改进后的双体式双心钻头为例，如图1 3 所示。 这种钻头把领眼钻头与扩眼翼分解成两部分，以丝扣连接，根据需要可以在其间加钻铤、 稳定器等钻具，能随意改变这两部分之间的长度。必要时，还可以用三牙轮钻头做领眼 钻头。 在领眼钻头和扩眼翼之间加了稳定器之后，能加强下部钻具组合的刚性，减轻了领 眼钻头所承受的侧向载荷，使钻头的磨损更为均匀，延长了钻头的使用寿命。钻具得到 扶正后，井眼不易斜，井身质量会更好。此外，如果这两部分中的某一个损坏或磨损完 了，只需要更换一个，另一个还可以继续使用。 5 图1 - 3 双体式双心p d c 钻头 f i g l - 3 d o u b l ea s a n ad u a l - c o l ep d cb i t ( 2 ) j k 2 1 5 2 3 7 型随钻扩眼工具 新研制的j k 2 1 5 2 3 7 型【8 】随钻扩眼工具结构如图1 4 所示。锥体与八方杆连接，将 锥体装入主体内，锥体上的3 个键槽和主体上的3 槽对正，在锥体下端将3 个刀片装入 键槽内并将锥体上移，装上扶正套，然后将下接头与主体连接上紧。八方套与八方杆配 合并与主体相连。装上定位套和锁销、上接头与八方杆连接。随钻扩眼工具用大钳拉紧， 然后与钻铤相连。当工具下到井底后，加压剪断锁销，八方杆与锥体一起下行，刀片伸 出，扩眼刀片工作。上提钻具，锥体上行，刀片收拢。其设计要点为： 1 ) 随钻扩眼工具采用锥体结构保证刀片伸出。扩眼工具在初始状态时，锥体被锁 销固定，需要刀片伸出时，剪断锁销，释放锥体。在机械压力作用下锥体下行，迫使 刀片伸出。这一结构可以保证刀片在有压力的情况下不缩回，使油井扩眼直径上下一 致。 2 ) 随钻扩眼工具采用键槽结构控制刀片的伸缩。当刀片伸出时是靠压力推动锥体， 刀片沿键槽方向向外伸出。当工具上提，锥体上行，键槽带动刀片向里，保证起钻时 刀片缩回。 6 中国石油大学f 华东) 工程硕士学位论文 3 ) 随钻扩眼工具采用八方结构传递扭矩，安全可靠，简单易行，既能有效传递动 力，又可使锥体自由上下。 4 ) 密封设计在结构简单的下接头内，密封面便于加工和处理，且采用v 形密封圈 可以实现径向密封。 5 ) 采用耐磨扶正套，其外径与主体最大外径一致，在起下钻过程中期保护刀片的 作用，扩眼钻进时耐磨扶正器又发挥支撑刀片和扶正工具的双重作用。 6 ) 刀片采用合金钢制造，配合p d c 切削齿。在保证切削齿覆盖面的情况下实行切 削齿同轨布齿，以便保证工具的孔眼速度。 图1 _ 4j f 1 5 2 3 7 型随钻扩眼工具结构示意图 f i 9 1 - 4 t h es t r u c t u r es c h e m a t i co fj k 2 1 5 - 2 3 71 3 , p eo fe n l a r g e - w h i l e - d r i l l i n gt o o l 卜上接头：2 - a 方杆；3 锁销：4 一定位套；5 - a 方套；6 一主体；7 锥体：8 一刀片：9 一扶正器 1 0 - 密封圈；1 1 - 下接头 ( 3 ) 液压驱动式p d c 扩孔工具 液压驱动式p d c 扩孔工具结构【9 】如图1 5 系列扩孔工具是针对钻后扩孔设计开发 的，有4 种尺寸系列，采用p d c 复合片作为切削刃，其结构原理为：工具下入到设计 井深后，启动转盘，缓缓开泵，此时泥浆流经活塞上的喷嘴产生压力降，形成的压力差 推动活塞下行，活塞上的圆螺母支撑刀片外张切削井壁，刀片对井壁的侧压力主要取决 于活塞面积、喷嘴直径、排量和钻井液性能等。当刀片达到最大外张位置，泵压将明显 下降，这时可加压进行扩孔作业。作业完毕后停泵，压力降消失，活塞在弹簧的反作用 力下复位，刀片凭借自重或外力收回到刀槽内。 7 图1 - 5 液压驱动式p d c 随钻扩孔工具结构示意图 f i g l - 5t h es t r u c t u r es c h e m a t i co fh y d r a u f i cd r i v i n gt y p ep d co fe n l a r g e - w h i l e - d r i l l i n gt o o l 目前，国内还需研究高强度、高硬度、高耐磨的新型材料，采用高科技设计手段， 尝试用寿命计算代替强度计算方法制造出安全、性能可靠、使用寿命长的扩孔器，使之 赶上国外水平。同时，还要对扩孔器的结构不断地进行改进设计，扩大其使用范围，以 适应不断发展着的钻井完井工艺的需求。 1 3 本课题的研究内容及研究目的 1 - 3 1 研究内容 1 ) 该工具由十几个部件紧凑组合而成，结构相对复杂，相互之间尺寸配合关系严 格，总体结构设计以确定各部件间相互结构和尺寸关系和功能动作的实现是该课题研究 的关键。 2 ) 主体短节是扩孔功能动作的核心集合，地层切割扩孔滑块和驱动轴燕尾结构组 装在主体短节内，必须进行滑块水平位移量与驱动轴垂直行程纵向位移匹配关系的设计 研究：滑块与驱动轴燕尾式啮合可靠和滑行自如的设计研究；滑块润滑与切削岩层有效 8 中国石油大学f 华东it 程硕士学位论文 清洗的设计和研究；地层切割扩孔滑块复位防卡的设计研究； 3 ) 活塞和水眼限位块相对定位关系与密封设计研究 4 ) 工具循环压力对活塞的作用力与复位弹簧合理匹配关系的设计研究。 5 ) 地层切割滑块合理布齿高效切削研究。 6 ) 工具组装工艺技术的研究。 1 3 2 研究目的 本课题论文研究将达到完成一套用于8 - 1 2 ”并眼扩孔至9 - 7 8 ”套管下部井眼扩孔器 的设计，图纸审核后，远东公司将制造出工具样机，争取2 0 11 年9 月份对试验样机进 行入井实验。 1 4 套管下部井眼扩孑l 器的关键技术、技术路线以及结构安排 1 4 1 关键技术 1 ) 工具结构复杂，各部件公差配合关系严密，加工精度高，保证各部件组配严谨， 动作有效合理的技术研究是关键技术之一； 2 ) 满足钻井作业的排量要求，与合理水力特性要求的过流石积匹配技术也是关键 技术之一； 3 ) 驱动轴有利于滑块运行的最佳锥度研究是第三个关键技术。 1 4 - 2 技术路线 1 ) 根据扩孔要求设计出合理的刀具尺寸，形成三维图并形成三维动画进行现场模拟， 利用a n s y s i l 川校核软件对刀具在指定工作条件下进行校核，检验所涉及的刀具尺寸能否 满足工作要求，若是满足，形成二维零件加工图，为零件的加工制造提供依据； 2 ) 紧密结合复杂钻井作业的需求，走“引进一吸收一创新”的产学研相结合的技术 路线试验样机经地面完整的功能试验，试验完全可靠再下井试验，最终完成定型样机的工 程化； 3 ) 该课题密切地与企业生产需求相结合，深圳市远东石油钻采工程有限公司将作为 课题依托单位，支持研究设计的实物加工和试验应用，使之实现工程化产品。 1 4 3 结构安排 根据研究内容，具体章节安排如下： 9 第一章绪论 第一章阐述了论文研究目的及意义，综述了固定直径扩孔器和套管下部随钻扩孔 器国内外研究现状，课题研究的意义并提出了主要研究内容和研究目标； 第二章根据刀具扩孔尺寸的要求，借助于二维软件a u t o c a d 1 1 】和三维软件 p r o e 1 2 1 ，设计各个零部件的基本尺寸，并检验设计的零部件之间是否发生干涉； 第三章在本章主要完成了各个零部件的选材，为下一章节的主要零部件的校核提 供基本数据； 第四章利用一些基本的校核公式和a n s y s 受力分析软件对重要零部件进行校核； 第五章刀具的安装及维修保养【1 3 】 第六章总结与展望 1 0 于绘制刀具的三维实体图形，并在该软件下完成刀具尺寸的最终确定，检验刀具尺寸是 否发生干涉 计算机辅助设计【1 4 】( c a d ：c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 的概念和内涵式随着计算机、 网络、信息、人工智能等技术或理论的进步而不断发展的。c a d 技术是以计算机、外 围设备及其系统软件为基础，包括二维绘图设计、三维几何造型设计、优化设计、仿真 模拟及产品数据管理等内容，逐渐向标准化、智能化、可视化、集成化、网络化方向发 展。 c a d 经过了数十年的发展，智能c a d 把工程数据库及其管理系统、拟人化用户接 口管理系统集于一体，形成了完美的c a d 系统结构。而且a u t o c a d 已有原先得侧重 于二维绘图技术为主，发展到二维、三维绘图技术兼备、且具有网上设计的多功能c a d 软件系统。具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。 还有一种二维绘图软件c a x a ，在这里之所以介绍a u t o c a d 这种二维绘制软件 是因为在将三维软件p r o e 里面的三维图形转化成二维图形直接输出的时候可以跟后 缀名为d w g 的文件进行转化，但是不可以跟后缀名为e x b 的文件进行转化，而 a u t o c a d 形成的文件即为d w g 文件，而c a x a 形成的文件即为e x b 文件，所以运用 a u t o c a d 软件可以大量节省绘图时间，提高绘图准确率，能够更好的保证各个零件之 间的尺寸关系。在本次设计过程中就是采用了a u t o c a d 二维软件与p r o e 三维实体 模型设计软件。 p r o e 是美国p t c 公司于1 9 8 9 年开发的3 d 实体模型设计系统【1 5 】，是一套由设计 至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体 造型系统，并且具有单一数据库功能。 p r o e 采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智 能特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模 型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 第二章8 - 1 2 ”9 7 8 ”t g x - k 型套管下部随钻扩孔器的结构设计 p r o e 是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的c a d a m 系统建立在多 个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个数据库，使得每一个独 立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的 任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。就是凭借p r o e 如此强大的功能，利用其尺寸相关性，把各个零部件通过装备图的形式装在一起，在上 面对一些不合理尺寸进行修改，在修改的同时p r o e 会通过重新建模的形式将该零件 根据所需尺寸重新定义，但是这些操作都必须在零件图里面完成，但是这个尺寸的变化 会反应在装配图里面，亦即装配图里面零件的尺寸也会随之改变，这样就可以在装配图 里面看尺寸是否发生干涉，若有干涉可以再对其他零件进行修改，运用这个软件的好处 在于相当于有实体模型，给人以实体的具体实感，给设计人员在结构尺寸的确定上带来 很大的便捷。 在本次设计中，驱动轴燕尾椎的尺寸、燕尾槽刀块、喷咀管等一些比较重要的零部 件是严格按照要求设计的，但是上下接头，主体短节还有活塞等部分尺寸是根据p r o e 绘图软件和刀具紧凑型的要求来确定的，总之，这个软件的运用给设计带来很大的帮助。 2 2 结构设计与特点 之前在第一章也有提到，之所以研制一套结构合理的套管下部井眼扩孔器，是因为 对相应套管的顺利下入和完井会带来极大地方便，很大程度的节约了成本并且缩短了建 井周期，但是随着随着国内外钻井技术的不断发展和钻井施工难度的日益加大，国外一 些公司投入了大量的人力物力致力于石油钻井扩孔工具的研发，已取得相当明显的效 果，进而从最初的双中心扩孔钻头发展至现在已达到商业化水平的系列扩孔工具，如 b a k eh u g h e s 的r w d 系列随钻扩孔器，d p i 的s r 系列的扩孔器以及s e c u r i t yd b s 的 n b r 系列扩孔工具，工具性能日臻完善，尺寸规格渐成系列。下面将对本课题设计的 套管下部随钻扩孔器与已经存在的国外产品进行结构比较： l 、双中心随钻扩孔器和偏心随钻扩孔器的优缺点【l6 j ： 优点：能够提高扩孔效率，结构简单； 缺点：由于是偏心，所以在钻进过程中刀具受力不均匀并伴有震动，对刀具的寿命 有不利影响，而且钻孔质量不高，该刀具运用场合收到很大的限制，不能按照要求随开 随闭，因为结构简单，仅仅相当于在钻头上方加了一个扩孔机构，而且不能进行倒划眼。 这种刀具是美国公司在1 9 世纪5 0 年代使用的相对落后的随钻扩孔刀具。 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 2 、牙轮随钻扩孔器的优缺点【1 7 】： 优点：刀具寿命相比较与双中心随钻扩孔器要长6 5 ，牙轮强度会增加1 5 0 1 9 0 ， 比双中心随钻扩孔器所能运用的范围大，可以在硬质岩层中钻进； 缺点：牙轮的寿命虽然有了很大的改善，但是此种刀具的限制在于牙轮容易掉，不 安全，另一个方面是不能进行倒划眼。 这种随钻扩孔刀具还在使用过程中 3 、本课题研究的套管下部随钻扩孔器的优点： 主要部件说明： 该套管下部随钻扩孔器主要如图2 1 所示零部件组成： 图2 - 1t g x - k 型套管下部随钻扩孔器结构示意图 f i 9 2 - 1t h es t r u c t u r es c h e m a t i co ft g x - kt y p eo fe n l a r g e - w h i l e - d r i l l i n gt o o l l 一上接头；2 一o 型密封圈；3 一活塞；4 一复位弹簧；5 一驱动轴；6 一弹簧挡圈； 7 主体短节；8 一燕尾槽切割块；9 - 喷咀管：l o - 水眼限位块；1 1 o 型密封圈； 1 2 - 下接头；1 3 - 蹩压球 该套管下部随钻扩孔器的外壳部分主要由上接头、主体短节和下接头三部分组成， 其间通过螺纹连接将其连成整体，其内部结构如上图所示，喷咀管与驱动轴之间通过螺 纹进行连接，水眼限位块与主体短节也是通过螺纹进行连接。正常状态，该工具切割滑 块直径与领眼钻头相当，这样就保证下钻时能够顺利通过套管鞋，该工具过套管鞋后， 当领眼钻头钻进地层时，合理的泥浆排量形成的液压动力推动活塞和驱动轴下行，锥体 燕尾啮合机构推动切割刀块向外平移使直径加大到设计要求的尺寸，形成在领眼与钻头 钻进的同时，工具的切割滑块对已钻井眼实施扩孔作业，当完成钻进停泵时，加在活塞 上的水动压力消失，复位弹簧作用力使驱动轴上行复位，锥体燕尾啮合机构带动滑块缩 回，直径回复伸缩前的尺寸，可顺利同时连同钻头起过套管鞋进行起钻作业，这就是 t g x k 套管下部随钻扩孔工具可以实现套管下随钻扩孔的原理和工艺过程，当然，工 1 3 第二章8 - 1 2 - 9 7 8 ”t g x k 型套管下部随钻扩孔器的结构设计 具也可以单独对套管鞋下部已钻过的井眼段实施扩孔作业。 这种设计主要有以下几个优点： 1 ) 本课题所研究的套管下部随钻扩孔器最大的优点主要体现在锥体燕尾啮合机构 和其所带动的三块对称的燕尾槽刀块上，这样就可以轻松实现刀具在钻进过程中安全不 落物的优点； 2 ) 三个刀块的对称互换性能够保证刀具在钻进过程中受力比较均匀，这样可以提 高钻井质量，而且有助于提高刀块的寿命； 3 ) 只要不停泥浆泵，就可以实现倒划眼，在一定程度上可以实现刀具的防卡， 4 ) 全套工具只有一个驱动系统，液压系统，属于液压式套管下部随钻扩孔器，孔 径的大小可以根据泥浆泵的泵压和流量来控制。 2 3 本课题研究的校核指标 1 ) 成果形式：全套设计图纸和计算资料完整 2 ) 技术经济校核指标： 工具工作压力：3 5 m p a ( 5 0 0 0 p s i ) ，温度1 2 5 ： 扩孔尺寸：8 1 2 ”- - - - 9 7 8 ”； 本体尺寸：8 3 1 0 ”； 内孔直径：2 ”； 最大钻井扭矩：3 5 0 0 0 f t l b ； 上提抗拉力：5 5 0 0 0 0 1 b ( 2 5 0 t ) ； 最大排量：7 0 0 9 p m ； 2 4 各个零部件尺寸的确定 已知：上接头用的是6 - 5 8 ”r e g 扣型的螺纹，而6 - 5 8 ”r e g 螺纹消失端的尺寸为 5 - 9 3 2 ”( 亦即1 3 4 m m ) ，所以再设计过程中芯轴的最大直径取1 3 0 m m ，由技术经济给出 的校核指标可知，水眼尺寸定为2 ( 5 0 m m ) 。 刀片需要扩出的距离： 丛= 9 7 8 ”一8 1 2 ”2 5 0 8 3 2 1 5 9= 1 7 4 7 m m ( 2 1 ) 22 1 ) 驱动轴锥台角度a 的确定：锥台的角度只能在0 。一4 5 0 之间选取，考虑到驱动轴( 芯 1 4 中国石油大学f 华东) 工程硕士学位论文 1 3 0 m m ，芯轴水眼尺寸为2 ”( 5 0 m m ) ，若是锥台角度取值过小， 上有利于燕尾槽切割刀块的伸出，但是锥台角度过小会致使该 寸较为庞大，驱动轴部分会很长，在一定程度上又会造成结构 材的情况出现，若是锥台角度过大，锥台最大直径、最小直径 的行程之间不能发生干涉，外径和水眼尺寸一定，为了在驱动 的余量s ( 如图2 2 所示) 加工燕尾槽将导致燕尾槽刀块尺寸不 合理，另外还需要考虑到芯轴上燕尾椎的导向问题，综合这些因素将锥台角度 确定为：a = 5 0 。 2 ) 确定驱动轴燕尾锥台的尺寸，如图2 2 所示： 图2 - 2 驱动轴尺寸示意图 f i 9 2 - 2 d r i v es h a f td i m e n s i o ns c h e m e s 根据要求，刀具在驱动轴的驱动下应横向单边扩出1 7 4 7 m m ，亦即s = 1 7 4 7 m m ， 则 刀具从初始位置扩张至最大位置所沿锥体长度： 厶：竺= 一1 7 4 7 ：一1 7 4 7 ：旦生：1 9 9 6 m m n l l l l k 2 ) 厶= 一= 一= 一= 一= 。z ， t a n at a n at a n 5 90 0 8 7 5 当丛：1 7 4 7 m m ，a = 5 。时，s ：