新型液压随钻扩眼器的研制

机械 研究 与应用 2 0 1 5 年 第1 期 第2 8 卷 总 第1 3 5 期 设计与制造 新型液压 随钻扩 眼器 的研 制 卿山盟 陈颖 周 威 西 南石油 大学 机 电工程学院 四川 成都6 1 0 5 0 0 摘要 鉴于目前小井眼侧钻缩径卡钻和小井眼固井质量差的难题 设计 了一种安全性和可靠性非常高的扩眼器 该工具采用机械式硬 支撑设计 方案 具有 P D C切 削效应 可 实现随钻 扩眼 并将 1 1 8 m m钻 头所钻进 的 井眼机 械式扩 眼至 1 4 5 m m 该 工具通过投球 憋压 实现 刀翼收放 当刀翼完全打开时 由连接接 头上 的定位套使 P D C刀翼的位 置稳 定不变 实现硬支撑 此扩眼器原理正确 结构可靠 为从根本上彻底解决小井眼固井难和小井眼缩径 卡钻频繁等情 况提供 了一种 有效的手段 关键词 液压 随钻 扩眼 硬 支撑 P D C切 削 中图分类号 T E 9 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 5 0 1 0 0 9 9 0 3 Re s e a r c h o n a Ne w pa t t e r n Hy dr a u l i c Pr e s s ur e Re a me r Q I N G S h a n me n g C H E N Y i n g Z H O U We i S c h o o l o f Me c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y C h e n g d u S w h u a n 6 1 0 5 0 0 C h i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f t h e p r o b l e ms s u c h a s t h e s l i m h o l e s i d e t r a c k i n g i s e a s i l y s t i c k i n g a n d h as a b a d c e me n t i n g q u a l i t y a s a f e a n d r e l i a b l e r e a me r h a s b e e n d e s i g n e d i n t h i s p a p e r T h e t o o l w i t h P DC c u t t i n g e f f e c t i s d e s i g n e d f o l l o win g t h e me c h a n i c al h a r d s u p p o d e s i gn s c h e me wh i c h c o u l d a c h i e v e r e a mi n g wh i l e d r i l l i n g a n d c o u l d me c h a n i c all y r e a m t h e b o r e h o l e w h i c h d ri l l e d b y 1 1 8 mm b i t t o 1 4 5 mm T h e t o o l e x p a n d s a n d s h ri n k s t h e b l a d e s t h r o u g h p i t c h i n g p r e s s u r e Wh e n t h e b l a d e s e x p a n d t o t h e o p e n i n g s i z e t h e p o s i t i o n s l e e v e o f j o i n t s r e m a i n s t h e p o s i t i o n of P D C b l a d e s s t a b i l i t y t o e n s u r e the h a r d s u p p o T h e t o o l wi t h c o r r e c t p r i n c i p l e a n d r e l i a b l e s t r u c t u r e p r o v i d e s a n e f f e c t i v e s o l u t i o n t o S O l V e the s l i m h o l e p r o b l e ms o f c e me n t i n g d i f fi c u h y r e d u c i n g d i a me t e r a n d s t i c k i n g f r e q u e n t l y Ke y wo r d s h y d r a u l i c p r e s s u r e r e a m w h i l e d ri l l me c h a n i c a l h a r d s u p p o r t P DC c u t t i n g O 引 言 随钻扩眼技术是一种具有发展潜力 的钻井新技 术 随钻扩眼技术就是采用 随钻扩眼工具和常规钻 头程序 在全面钻进的同时扩大井眼直径的一种钻井 技术 随钻扩眼技术可实现深井小 间隙井段 固井 增 大生产套管的尺寸 有利于完井及修井作业 扩眼器 的最早雏形可以追溯至上世纪 9 0年代初期逐渐投入 使用的双心钻头 而后产生跟它扩径原理相同的偏心 式扩眼器 接下来的是机械式扩 眼器 目前市面上主 流的是液压式扩眼器 目前使用的液压扩眼器在使 用过程 中主要存在 以下 问题 服务费用昂贵 利用压 差推动刀翼张开 但不能准确判断刀翼是否张开到扩 眼所需尺寸 井眼尺寸扩大有 限 刀翼张到最大后没 有锁定机构 随着压力的变化 外径易发生变化 易产 生泥包 水 眼处没有单流阀 水眼容易堵塞 J 目前 国外 S m i t h H a l l i b u r t o n B a k e r H u g h e s N O V 等公司在生产扩眼器 其中 S m i t h公 司推出的 R h i n o X S型 液 力 驱 动 式 扩 眼 器 最 具 有 代 表性 H u g h e s C h r i s t e n s e n公 司的 G a u g e P r o和 A n d e r g a u g e公 司 的 A n d e r r e a m e r 优势独特 短期内即获得广泛应用 2 0 世纪7 0年代初 井下扩眼技术从国外引入国 内 大港 辽河 胜利油 田等 单位在跟踪考察国外 技术的基础上 陆续研制 了不同规格的扩眼器 其 中辽河油 田 胜利油 田研制的几种随钻扩眼器 比较有 代表性 辽河油田设计的 Z K 6 1 2型同步扩眼器和 R WD一1 5 2型随钻扩眼器 胜利油 田研制的机械式 P D C随钻扩眼器和 B G型扩 眼器等 但跟 国外的技 术差距较大 为此 笔者研制出一种安全性和可靠性 较高的新型随钻液压扩眼器 1 新型液压硬支撑随钻扩眼器技术分析 1 1 新型液压硬支撑随钻扩眼器的结构 新型液压硬支撑随钻扩眼器结构如图 1所示 其 解决了偏心式随钻扩眼工具所形成 的井径不规则 扩 径量小和液压式软支撑随钻扩 眼器易形成糖葫芦井 眼的问题 保证了 P D C刀架在伸开后轴向和径向的 位置稳定不变 达到硬支撑的 目的 使钻 出的井眼更 加稳定 具有不缩径 不卡钻的特点 1 2 新型液压硬支撑随钻扩眼器的工作原理 打开时 小井眼扩眼工具借助于高压钻井液作用 在活塞上下端面上 的压力差产生一定的静压力 剪断 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 0 3 作者简介 卿山盟 1 9 8 8 一 男 J l l 广汉人 在读硕士 主要从事井下工具的设 计与研 究方 面的工作 9 9 设计与制造 2 0 1 5 年 第1 期 第2 8 卷 总 第1 3 5 期 机械研究与应用 剪销后 利用活塞轴上的斜 面和斜面销推动 P D C刀 片到设计时确定 的张开尺寸 并将力传递给 P D C刀 片 连续不断地作用使 P D C钻头往下切削岩石而形 成机 械进尺 同时 利用连 接接头 上 的定 位套 使 P D C刀片的位置稳定不变 钻出的井眼尺寸稳定 图l 新型液压硬支撑随钻扩眼器示意图 1 下接 头2 主壳体3 扩眼刀翼4 活塞轴5 橡胶皮碗 6 壳体 上接头7 小活塞8 返 向缸体9 变 流套1 O 反 向 夜缸1 1 反向中心轴1 2 剪钉l 3 密封圈1 4 钢球 收 回时 当需要 收 回 P D C刀片 时 上提 钻柱 1 米 投入 1 英寸钢球 憋压剪断变流套的剪销 迫使变 流套下移 使泥浆进入返向液缸 在高压泥浆的作用 下 推动返 向活塞剪 断返 向液缸剪销 迫使返向活塞 和固定着 P D C刀片 的主壳体一起 向下移动 强力迫 使 P D C刀片收 回到原始尺寸 此时 由于设计 了特 殊的通道 泥浆仍然可以通过一定的孔径循环 1 3 性能指标和特点 外径 上部 1 0 5 m m 下部 9 9 m m 领 眼钻头尺 寸 l 1 8 m m 扩眼钻 头本体尺寸 1 0 5 m m 扩眼钻 头扩眼尺寸 1 4 5 mm 工具长度 1 7 2 m 打开扩眼 钻头的液缸活塞直径 8 0 m m 液缸行程 5 O m m 1 4 伸缩式硬支撑扩眼器的工作参数 1 泥浆泵泵压达到 3 5 MP a 打开安全液缸 2 泥浆泵泵压达到 1 5 2 0 M P a时 使 主壳体 缸体安全剪钉剪断 3 投球后泥浆泵泵压达到 1 l 1 3 MP a时 使 变流套安全剪钉剪断 4 变流套下移后 泥浆泵压达 到 1 3 2 0 MP a 时 使返向缸体安全剪钉剪断 5 小井眼扩眼工具的扩径量将 1 1 8 m m钻头 机械式扩径至 1 4 5 m m 2 力学分析 2 1 刀翼 受 力分析 液压扩眼器刀翼收放受力 如图 2所示 1 当 F较小时 F s i n 0 C O 8 0 0 a r e t a n x 1 2 当 F F 时 F c o s 0 x F s i n 0 2 0 a r e e o t F Nc o s 0一 f s i n 0 3 F s i n 0 C O 8 0一 s i n 0 0 5 F l s i n 2 一0 5 z F 式中 a r e t a n F为活塞推力 k N N为滑道支持 1 O0 力 k N 为滑道摩 擦力 k N F 为岩石 径 向反 作用 力 k N F 为刀翼径向推力 k N 当活塞轴上的液压推力 F足够大时 可以得到 刀翼产生的抵抗外部的径向力 F 与斜面倾 角 0及 有关 且 0 0 4 5 0 3 5 0 5 图2 刀翼受力图 2 2 活塞轴的行程与刀翼的伸 出量之间的关系 由图 3可知 日 t a n O x L 4 要保证扩径量达到规定尺寸 就要综合考虑活塞 轴行程 L及 0的取值 综上 得到 0 1 8 2 2 2 8 L 3 5 6 0 初步设计取 中间值 2 2 7 8 0 2 2 t a n 0 0 4 x 0 4 2 日 2 0 将上述数据带人式 4 得 L 5 0 F 0 5 F 1 t x s i n 2 o 一0 F 0 5 F s i n 4 4 a r e t a n 0 4 2 一0 5 X 0 4 2 F 0 2 28 4F 图 3 活塞轴的行程与刀翼的伸出量关系示意图 2 3 剪钉的计算 剪钉全部使用 4 5号钢制造 6 0 0 N ram 7 b 0 6 b 3 6 0 N r am 2 3 1 打开钻头活塞与液缸的剪钉 剪钉数量 m 2 剪 钉直径 d 8 m m 剪 断时载 荷 p b m 3 6 0 2 华 3 6 1 9 k N 5 活塞轴下端泥浆出 口直径 d 1 0 m m 喷嘴面积 S 0 7 8 5 l I l m 则钻井液流过小 口径嘴 口时产生的压 力降 P 为 1 8 5 M P a 主缸体活塞 向下 的推 力为 3 9 5 5 1 k N 即泥浆 排量 必须 大于9 L s 时 才 可 以 机械研究 与应用 2 0 1 5 年 第1 期 第2 8 卷 总 第1 3 5 期 设计与制造 剪断该剪钉 2 3 2投球剪断的剪钉 剪钉数量 m 1 剪 钉直径 d 6 m l n 剪 断时载 荷 p rb m 竿 3 6 0 1 rr x 8一 1 0 1 8 k N 6 只有在投球之后 承压面积成为 S 8 0 4 m 1 3 1 只 要液压力为 1 MP a时 推力就达到 0 8 04 k N 则当液 压力达到 1 3 MP a 时 就可以剪断此剪钉 2 3 3 返向活塞与液缸的的剪钉 剪钉数量 m 2 剪钉直径 d 8 ra i n 剪断时载荷 12 f 2 p T b m 3 6 0 2 华 3 6 1 9 k N 7 返 向活塞与液缸承压面积为 S 2 3 8 3 mm 液压 力为 1 MP a时 推力为 2 3 8 3 k N 则当返 向液缸压力 达到 1 6 M P a时 就可以剪断此剪钉 3 地面 测试 与现场应用 1 1 8 IT l m液压扩眼器加工完成后 进行地面组装 组装顺序为 壳体一下接头一上接头 地面测试主要对下部销钉剪切 刀翼张开到位及 刀翼收回情况进行试验 具体步骤如下 加压泵对工具加压 3 5 MP a 打开安全液缸 继 续加压至 1 5 2 0 MP a 刀翼张开 张开直径 1 4 5 m m 刀翼锁定 投球后加压至 1 1 1 3 MP a 变流套安全剪 钉剪断 变流套下移后 泥浆泵压达到 1 3 2 0 MP a 上接第 9 8页 60 58 5 6 5 4 5 2 50 4 8 4 6 44 42 4 0 一 图 4 F e S i 5 0铸 锭 距离 中心的距离 ta m a s i 元素成分分雍 距离中心的距离 m b F e 元素成分分布 图5 F e S i 5 0铸锭元素沿纵向分布 时 使返向缸体安全剪钉剪断刀翼收回 4 结论 1 1 8 mm随钻液压扩眼器在试验井进行 了现场应 用 经过钻后测井井径曲线对比分析 使用本扩眼器 扩眼后 井眼的扩大率为 2 0 2 5 现场应用效果 良好 新型液压扩眼器扩眼直径误差小于 5 扩眼 外径调节范围最大 可至直径 的 2 5 左右 能够满足 小井眼扩眼要求 新型随钻液压扩眼器克服了传统 的纯靠流体的压差来张开刀翼方法 的不足 而采用投 球 憋压推动活塞高效运行 的方法 使扩眼器刀翼伸 出和收回的动作准确无误 参考文献 1 C o u r v i l l e D F C h i l d e r s R D M i l l e r G C We l l b o r e e n l a r g e me n t f o r a d e e p w a t e r c a s i n g p r o g r a m c ase s t u a y a n d d e v e l o p me n t s R I ADC S P E 8 71 5 3 2 0 0 4 2 S k e t c h i e r B C F i e l d a r C M L e e B E N e w b i c e n t e r t e c h n o l o g y p r o v e