液壓隨鉆擴孔器的研制

鄧都都,陳云龍,蔡家品,阮海龍,趙義

(北京探礦工程研究所,北京 100083)

0 引言

隨鉆擴孔器是在鉆井過程中對井眼進行擴大的一種井下工具[1,2]。該工具能夠改變井身結(jié)構(gòu),通過擴孔可以減小套管柱之間的間隙,提高鉆探的機械鉆速,有效降低鉆井成本;在鉆井過程中遇到了鹽膏層段時,其蠕變縮徑會造成卡鉆、擠壓套管等問題,采用井下隨鉆擴眼器能避免因鹽膏層蠕變帶來的鉆井復(fù)雜事故,有效地保護套管,提高鉆井的安全性;在固井時,通過井下擴孔技術(shù),在不改變套管尺寸的情況下,可增加套管的環(huán)空間隙,有利于提高固井質(zhì)量;在老井的儲層改造中,采用隨鉆擴孔器能夠在不傷害井身結(jié)構(gòu)的同時,對儲層進行擴大,提高礦藏的采收率。因此,隨鉆擴孔器作為一種多用途的井下作業(yè)工具,在國內(nèi)外鉆井現(xiàn)場中應(yīng)用非常廣泛[3-5]。

1 隨鉆擴孔器的技術(shù)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外對隨鉆擴孔器的研究較為深入[6-9],形成的產(chǎn)品也多種多樣,現(xiàn)在已基本淘汰了固定翼式和機械擴張式的擴孔器,主流產(chǎn)品均為滑移液壓擴張式擴孔器。滑移液壓擴張式擴孔器的動作可靠,鉆井效率高,其控制方式大多采用投球或壓差開啟方式,刀翼收回則普遍采用停泵卸壓后靠彈簧收回的方式。工具結(jié)構(gòu)主要采用整體式工具體,或者由兩個短節(jié)組成。刀翼普遍采用硬質(zhì)合金體鑲嵌PDC塊,并帶倒劃眼功能的結(jié)構(gòu)形式。該工具普遍可以在原井眼尺寸基礎(chǔ)上將井眼實際擴大20%以上,有的甚至可以達到50%以上。

中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院聯(lián)合中國石油大學(xué)研制了YK 304-444.5隨鉆擴孔器[10],擴孔器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該擴孔器工作中開泵后,鉆井液流經(jīng)活塞上的噴嘴產(chǎn)生一定的壓降,由此形成的壓力推動活塞下行,活塞上的支撐裝置支撐3個擴眼刀翼外張,當(dāng)擴眼刀翼達到最大外張位置時,可進行擴眼鉆進作業(yè);作業(yè)完畢停泵后,壓力降消失,活塞在復(fù)位機構(gòu)的作用下復(fù)位,擴眼刀翼將同時收回刀槽內(nèi)。

圖1 YK304-444.5隨鉆擴孔器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of YK304-444.5 reamer while drilling

中海油與中國石油大學(xué)(北京)、寶雞石油機械有限公司合作研發(fā)了一款直徑152.4 mm 的液壓隨鉆擴孔器[11],該擴孔器結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。擴孔時,投入小鋼球并加壓,在壓力作用下將剪切銷釘剪斷,下球座下行,下接頭內(nèi)部有噴嘴,在壓力作用下噴嘴內(nèi)外會產(chǎn)生壓耗,工具腔體憋壓,在壓力作用下活塞上行,推動上限位體、刀翼及下限位體等上行,刀翼沿凹形槽向外伸出,鉆井液從密封套內(nèi)部經(jīng)循環(huán)孔進入活塞內(nèi)部小孔,一部分進入密封套與本體間隙并經(jīng)凹形槽噴出,另一部分經(jīng)下限位體的移動噴嘴噴出,達到?jīng)_洗刀翼的目的。擴眼作業(yè)結(jié)束后,停泵泄壓,刀翼在復(fù)位彈簧的作用下自動收回,如果刀翼收回失敗,投大鋼球并加壓,在壓力作用下剪斷剪切銷釘,上球座下行,推動活塞等下行,實現(xiàn)刀翼自動收回。上接頭內(nèi)有循環(huán)孔,在刀翼強行收回的過程中能建立循環(huán)。

圖2 直徑152.4 mm液壓隨鉆擴孔器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of 152.4 mm hydraulic reamer while drilling

圖3為斯倫貝謝公司研制的Rhino XS系列全排量可伸縮擴眼器[12]。在正常鉆井作業(yè)狀態(tài)下,該隨鉆擴眼器的刀翼在彈簧結(jié)構(gòu)的控制下緊貼心軸,當(dāng)鉆進至待擴眼地層時,投球憋壓,滑筒銷釘被剪斷,滑筒下行,改變流體流動通道,流體分流至鉆具內(nèi)和擴眼器水眼兩部分;開泵并逐漸提排量,當(dāng)鉆具內(nèi)外壓差達到5.5 MPa時,推動擴眼器活塞,使得擴眼刀翼克服彈簧推力并沿本體的“Z”型槽向上、向外推出,擴眼器激活到擴眼狀態(tài);當(dāng)擴眼結(jié)束停泵后,彈簧機構(gòu)推動擴眼器刀翼下行并沿本體槽收回。

圖3 Rhino XS系列擴眼器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of Rhino XSseries reamer

圖4為威德福Rip Tide擴眼器[13],該擴眼器分為上、下兩短節(jié),上短節(jié)為控制部分,下短節(jié)為擴眼器部分。上部分可通過兩種方式控制動作,即投球和射頻識別RFID(Radio-Frequency Identification),采用RFID方式控制擴眼器開閉時,泵送1個小型射頻發(fā)射器到擴眼器,使擴眼器控制部分接收到“開”或者“閉”的指令,然后開始相關(guān)的動作。

圖4 RipTide擴眼器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of Rip Tide reamer

通過對國內(nèi)外液壓隨鉆擴孔器的調(diào)研以及現(xiàn)場應(yīng)用情況的分析,發(fā)現(xiàn)還存在著以下一些問題:①因泥包等各類井下復(fù)雜情況,可能造成彈簧的推力不能順利使刀翼完全縮回,導(dǎo)致工具無法正?；厥?②由于井下環(huán)境非常惡劣,擴眼作業(yè)前擴孔器內(nèi)容易進入巖屑,堵塞水眼及內(nèi)部流道;③刀翼張到最大位置后沒有鎖死機構(gòu)或刀翼隨壓力變化振動明顯,導(dǎo)致實際擴出的井眼尺寸不規(guī)則;④刀體的連接部位較為薄弱,在工作過程中易由于應(yīng)力集中而發(fā)生疲勞斷裂;⑤無限位結(jié)構(gòu),鉆井時刀翼可能過度張開,存在一定的安全隱患。鑒于國內(nèi)外液壓隨鉆擴孔器使用過程中存在著上述的一些問題,因此設(shè)計制造了一套新型的液壓隨鉆擴孔器,下面對該擴孔器的技術(shù)特點進行詳細介紹。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)特點

液壓隨鉆擴孔器結(jié)構(gòu)如圖5所示,主要由上接頭、活塞、彈簧、內(nèi)外管、鎖緊機構(gòu)、捕球器、限位器、刀翼、推桿、鋼球等組成。其中活塞與外管配合,能夠在內(nèi)管中移動一段距離;彈簧安裝在活塞下端,刀翼需要回收時彈簧能推動活塞上移;推桿與刀翼連接,內(nèi)管下移時,推桿將推動刀翼伸出;擴孔器下端安裝有鎖緊機構(gòu),當(dāng)?shù)兑砩斐龊?鎖緊機構(gòu)會將刀翼鎖住,減輕刀翼振動;刀翼采用高強度合金鋼制成,沿著刀翼的端面鑲嵌一圈PDC切削齒;在刀翼的上部安裝有限位器,當(dāng)?shù)兑韽堥_到最大位置時就會被機械限位,可以保證刀翼擴張安全。

圖5 液壓擴孔器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural diagram of hydraulic reamer

本液壓隨鉆擴孔器具有以下特點:①液壓擴孔器外管直徑124 mm,刀翼張開后最大擴眼直徑270 mm;②刀翼上部設(shè)計有限位機構(gòu),能夠保證刀翼不會過度張開,還可以通過調(diào)節(jié)限位機構(gòu)的位置調(diào)整刀翼的張開角度,匹配不同的擴眼直徑;③下部設(shè)計有鎖緊機構(gòu),當(dāng)?shù)兑韽堥_后將內(nèi)管鎖住,能夠減輕擴孔作業(yè)時刀翼的振動,提高擴眼時井壁的穩(wěn)定性;④擴孔器的下部安裝有液壓回收機構(gòu),通過投球憋壓利用液壓作用力與彈簧配合能夠有效地保證刀翼的正常回收。

2.2 工作原理

當(dāng)鉆井液經(jīng)過活塞時,由于流道變窄,在活塞端面會產(chǎn)生壓差,由此產(chǎn)生一定的壓力推動活塞下移;活塞向下移動會帶動內(nèi)管下移,內(nèi)管帶動推桿轉(zhuǎn)動將刀翼推出;刀翼固定在外管上,可以繞著銷軸轉(zhuǎn)動,在銷軸上部安裝有限位器,可以調(diào)節(jié)刀翼旋轉(zhuǎn)的角度,實現(xiàn)不同的擴孔直徑;在外管的下部安裝有鎖緊機構(gòu),當(dāng)?shù)兑韽堥_到合適的位置后,可以將內(nèi)管鎖住,這樣可以有效地減輕鉆井過程中刀翼的振動;在內(nèi)管下部安裝有捕球器,當(dāng)需要回收擴孔器時,將鋼球投入鉆桿中,鋼球會卡在捕球器上,堵住下面的流道,此時內(nèi)部產(chǎn)生一定的壓力,將內(nèi)管推回,實現(xiàn)刀翼回收;內(nèi)管推回后,鉆井液從刀翼與外管的縫隙中流出,保證鉆井作業(yè)能夠正常進行。

3 擴孔器力學(xué)分析

3.1 活塞力學(xué)分析

由流體力學(xué)原理可知,鉆井液在流經(jīng)活塞處會產(chǎn)生一定的壓力損失,擴孔器刀翼張開時的推力來源于加載在活塞承壓面上的流體壓降。該壓降主要由噴嘴處的局部壓降和活塞內(nèi)部沿程壓降兩部分組成,其中在接頭變徑處產(chǎn)生的壓降p1按以下的公式計算:

式中:p1為壓降,MPa;ρ為鉆井液密度,g/cm3;v為液體的平均流速,m/s;ξ為局部阻力系數(shù),其值與活塞兩個端面的截面積A1、A2有關(guān)系,一般按ξ=來計算。

在活塞內(nèi)部的鉆井液沿程壓力損失按照以下公式計算:

式中:p2為沿程壓降,MPa;λ為沿程水力摩阻系數(shù);ρ為鉆井液密度,g/cm3;l為流道長度,m;d為流道直徑,m;v為流速,m/s。

鉆井液的壓降在活塞承壓面產(chǎn)生的總推力按以下公式計算:

式中:F為活塞承壓面產(chǎn)生的推力,N;D0為活塞承壓面的直徑,m;D為噴嘴當(dāng)量直徑,m。

鉆井作業(yè)時,泥漿泵的排量為300 L/min,鉆井液密度為1.2 g/cm3,設(shè)計的活塞外徑為80 mm,活塞長度173 mm。計算不同活塞內(nèi)徑條件下鉆井液在活塞上的作用力如表1所示。根據(jù)鉆井的實際情況,活塞內(nèi)徑過小會導(dǎo)致流體能量損失過多,對鉆頭處的沖洗巖屑有較大影響;而當(dāng)推力過小時,又很難將三個刀翼完全推出。綜合上述兩項因素,本設(shè)計中選擇活塞內(nèi)徑為15 mm,由表1中可以得出作用在活塞上的推力接近3000 N。

表1 不同內(nèi)徑下鉆井液流過活塞產(chǎn)生的推力Table 1 Thrust generated by drilling fluid flowing through piston under different inner diameters

3.2 刀翼強度分析

刀翼作為擴眼鉆頭中切屑巖石的部分,上面鑲焊有聚晶金剛石復(fù)合片(PDC),實際擴孔作業(yè)時,依靠PDC來切削巖石。擴孔器設(shè)計采用三刀翼的結(jié)構(gòu),刀翼伸出到最大位置時,與軸線的夾角為26°,此時刀翼為懸臂結(jié)構(gòu),整個擴孔器強度最薄弱的位置位于該部分。運用有限元分析計算刀翼伸出到最大時的應(yīng)力與應(yīng)變,來校核擴孔器的強度。擴孔器刀翼選用630馬氏體沉淀硬化不銹鋼,該鋼材具有高強度、高硬度,較好的焊接性能和耐腐蝕性能。首先,為了方便計算,對擴孔器的模型進行簡化,去掉與強度校核不相關(guān)的零件。刀翼安裝在外管上,實際只需要校核刀翼與外管的強度即可,將簡化后的模型進行了網(wǎng)格劃分,如圖6所示。

圖6 擴孔器刀翼網(wǎng)格劃分Fig.6 Reamer blade meshing

擴孔時刀翼張開到最大,此時切削巖石的力全部加載在刀翼端面上。設(shè)定擴孔時刀翼受力為10 k N,通過有限元分析計算刀翼的應(yīng)力與應(yīng)變云圖見圖7和圖8。從圖中可以看出,刀翼最大的受力點位于推桿與刀翼的鉸接處,最大應(yīng)力為192 MPa;從應(yīng)變云圖中可以看出,最大應(yīng)變在刀翼的最前端,最大的位移為0.084 mm。綜合上述分析可以看出,在10 k N 作用力下,刀翼的結(jié)構(gòu)強度能夠滿足使用需求。

圖7 刀翼Mises應(yīng)力云圖Fig.7 Blade mises stress nephogram

圖8 刀翼應(yīng)變云圖Fig.8 Blade strain nephogram

4 結(jié)論與建議

(1)本文研究了國內(nèi)外多種隨鉆擴孔器的技術(shù)現(xiàn)狀,找出了該工具在使用過程中存在的一些問題,針對這些問題,研制出了一套新型液壓隨鉆擴孔器,并對該擴孔器的結(jié)構(gòu)與工作原理進行了介紹。

(2)根據(jù)流體力學(xué)原理完成了液壓擴孔器活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計,通過有限元分析的方式完成了對擴孔刀翼的強度校核。

(3)解決擴孔作業(yè)時刀翼的劇烈振動、刀翼可靠的張開與回收等問題,是隨鉆擴孔器能否有效完成井下擴孔作業(yè)的關(guān)鍵。通過設(shè)計鎖緊機構(gòu)能夠減輕刀翼工作時的振動,利用投球憋壓與彈簧配合的方式,也盡可能地保證了刀翼的正常回收。

(4)隨鉆擴孔器作為一種多功能的井下工具,具有良好的應(yīng)用前景。本文從原理上完成了該擴孔器的結(jié)構(gòu)設(shè)計,下一步將在現(xiàn)場試驗中對擴孔器的工作性能進行驗證,從而進一步對液壓隨鉆擴孔器進行優(yōu)化與完善。