一種新型伸縮式復(fù)合鉆頭伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)制作

傅文韜

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng) 618000)

0 引言

目前，在石油和天然氣的開(kāi)采過(guò)程中，世界各國(guó)絕大多數(shù)仍然依賴于常規(guī)PDC鉆頭和牙輪鉆頭。其中牙輪鉆頭發(fā)展得較為成熟，主要用于硬地層或較復(fù)雜地層的工況中，但在遇到軟地層鉆進(jìn)時(shí)常存在泥包、效率低、鉆進(jìn)速度慢等問(wèn)題；而PDC鉆頭主要用于均質(zhì)松軟地層的工況中，通過(guò)刮削形成井眼，但在復(fù)雜難鉆的硬地層中，其鉆進(jìn)阻力和難度大幅增加，常出現(xiàn)上下左右跳鉆等振動(dòng)，會(huì)使得切削齒受到過(guò)大的沖擊而過(guò)早損壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)PDC齒突發(fā)崩斷，大大降低了其使用壽命。

為加快當(dāng)前井下鉆探工具的發(fā)展，提高鉆具的工作效率，并增強(qiáng)鉆具在鉆遇不同地層時(shí)對(duì)鉆井環(huán)境的快速適應(yīng)性，減少起下鉆時(shí)間和頻率，使鉆具的使用壽命增加，人們逐漸開(kāi)展伸縮式復(fù)合鉆頭的研制。

2012年，西南石油大學(xué)鄧嶸等[1]設(shè)計(jì)了“自適應(yīng)混合鉆頭”，該鉆頭本體外側(cè)布置了可調(diào)節(jié)刀翼，利用鉆頭內(nèi)部的彈性元件為可調(diào)節(jié)刀翼提供軸向力，使其具備伸縮的能力，通過(guò)鉆頭對(duì)不同地層巖石破碎過(guò)程中所受反作用大小不同，可調(diào)節(jié)刀翼便能根據(jù)受力大小判斷巖石的硬度，從而控制其伸縮功能。

2014年，中國(guó)石油大學(xué)劉忠等[2]設(shè)計(jì)了“主動(dòng)調(diào)節(jié)型復(fù)合鉆頭”，該方案首先通過(guò)鉆井液壓力為發(fā)電機(jī)供電，然后由發(fā)電機(jī)為其相連的步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力來(lái)控制換向軸套的上下運(yùn)動(dòng)，再利用鉆頭本體上部活塞中的鉆井液壓力的變化和滑閥的原理，從而實(shí)現(xiàn)鉆頭本體內(nèi)部導(dǎo)桿的伸縮；其中導(dǎo)桿與鉆頭本體下部的PDC刀翼相連，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)PDC刀翼的伸縮。該主動(dòng)調(diào)節(jié)型復(fù)合鉆頭可以完成牙輪鉆頭和PDC刀翼之間的破巖量分配，使鉆井效率和鉆具壽命得到一定改善。

同年，鄭國(guó)榮等[3]發(fā)明了“智能化回縮式復(fù)合鉆頭”，本方案是在鉆頭前部安裝一個(gè)熱感應(yīng)元件，通過(guò)利用鉆進(jìn)過(guò)程中鉆遇不同地層巖石所釋放的熱量，將感應(yīng)到的熱量轉(zhuǎn)換為控制鉆頭本體中心小鉆頭伸縮的信號(hào)，從而可有效控制鉆頭中心小鉆頭的伸縮。該鉆頭可以根據(jù)巖石地層的特性不同，交替采用大小鉆頭鉆進(jìn)的方法破碎巖石，根據(jù)電信號(hào)智能快速的特點(diǎn)精準(zhǔn)控制鉆進(jìn)過(guò)程，減少鉆頭起下鉆的時(shí)間和頻率，有效提高鉆井效率，并達(dá)到延長(zhǎng)鉆頭使用壽命的目的。

綜上所述，通過(guò)調(diào)研目前伸縮式復(fù)合鉆頭方案，雖然，有些方案能解決破巖量分配問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)PDC刀翼和牙輪鉆頭的單獨(dú)或混合破巖，但現(xiàn)有的伸縮式復(fù)合鉆頭方案均沒(méi)能實(shí)現(xiàn)鉆頭準(zhǔn)確伸縮及穩(wěn)定定位的功能，其主要存在以下問(wèn)題：①PDC刀翼不能通過(guò)自適應(yīng)性功能區(qū)區(qū)分硬地層和軟地層，使得鉆探人員無(wú)法做到主動(dòng)控制鉆進(jìn)過(guò)程；②伸縮機(jī)構(gòu)通過(guò)電機(jī)控制，不適用于井下復(fù)雜地質(zhì)情況；③如果巖石硬度通過(guò)熱感應(yīng)元件判斷，則鉆進(jìn)過(guò)程中具有不確定性。由于現(xiàn)有伸縮方案中伸縮機(jī)構(gòu)存在的缺陷，無(wú)法解決軟硬交錯(cuò)地層破巖時(shí)的難題。因此，急需設(shè)計(jì)一種新型伸縮式復(fù)合鉆頭的伸縮機(jī)構(gòu)。

1 一種新型伸縮式復(fù)合鉆頭的設(shè)計(jì)

1.1 新型伸縮式復(fù)合鉆頭總體方案設(shè)計(jì)

該新型伸縮式復(fù)合鉆頭結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

1.2 新型伸縮式復(fù)合鉆頭伸縮機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

該鉆頭的核心技術(shù)是其內(nèi)部伸縮機(jī)構(gòu)。該伸縮機(jī)構(gòu)的方案是由一整套伸縮裝置相配合完成伸縮的，伸縮裝置由壁內(nèi)突出筋板、旋轉(zhuǎn)伸縮塊、受壓塊、伸縮柱、鉆頭筒體下部彈簧和限位塊等部分組成，且伸縮裝置包含在鉆頭本體內(nèi)部，如圖2所示。

圖1 新型伸縮式復(fù)合鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖

10-彈簧；12-伸縮柱；13-旋轉(zhuǎn)伸縮塊；17-壁內(nèi)突出筋板;18-限位塊；19-受壓塊圖2 伸縮裝置的爆炸視圖

本文提出的伸縮機(jī)構(gòu)方案，其伸縮柱下端牙輪鉆頭可以通過(guò)伸縮機(jī)構(gòu)的主動(dòng)調(diào)節(jié)和控制，實(shí)現(xiàn)與PDC刀翼發(fā)生相對(duì)位移的功能，因此能夠達(dá)到牙輪鉆頭與PDC刀翼的單獨(dú)或混合破巖的目的。當(dāng)該伸縮式復(fù)合鉆頭整體處于位置1狀態(tài)時(shí)(見(jiàn)圖3)，伸縮柱下端的牙輪鉆頭位于PDC刀翼所包圍的中心空槽內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)鉆井液壓力大小來(lái)控制伸縮機(jī)構(gòu)的上下移動(dòng)，從而控制牙輪鉆頭的伸出和縮回。

如圖3所示，該伸縮式復(fù)合鉆頭在鉆遇硬地層時(shí)，需要由牙輪鉆頭作為主力鉆頭預(yù)先破碎巖石，通過(guò)逐漸增大鉆桿上部的鉆井液壓力，使得受壓塊受到的液壓力大于摩擦力和彈簧彈力之和后，便會(huì)推動(dòng)受壓塊下部的旋轉(zhuǎn)伸縮塊在筋板滑槽中軸向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)伸縮塊軸向位移超過(guò)距離a之后，逃脫滑槽的限位，順著斜面1移動(dòng)到卡槽內(nèi)；此時(shí)，牙輪鉆頭完全伸出，穩(wěn)定在位置2的狀態(tài)，保持鉆井液壓力等于摩擦力和彈簧彈力之和，即也保持住了牙輪鉆頭的伸出狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)預(yù)先破碎硬地層巖石的功能。

該伸縮式復(fù)合鉆頭在鉆遇較為松軟地層時(shí)，為避免伸出的牙輪鉆頭產(chǎn)生嚴(yán)重的泥包現(xiàn)象，需要將牙輪鉆頭縮回至中心空槽中，由PDC刀翼作為主力鉆頭來(lái)刮削破碎巖石。通過(guò)增大鉆井液壓力，再次使受壓塊受到的液壓力大于摩擦力和彈簧彈力之和后，推動(dòng)旋轉(zhuǎn)伸縮塊軸向運(yùn)動(dòng)超過(guò)距離b后，逃脫卡槽的約束，順勢(shì)沿著斜面2滑動(dòng)，便會(huì)重新運(yùn)動(dòng)至壁內(nèi)突出筋板的滑槽中；此時(shí)，牙輪鉆頭完全縮回到中心空槽，穩(wěn)定在位置1的狀態(tài)，保持鉆井液壓力等于摩擦力和彈簧彈力之和，即也保持住了牙輪鉆頭的縮回狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)PDC刀翼刮削松軟巖層的功能。

1.3 新型伸縮式復(fù)合鉆頭伸縮機(jī)構(gòu)的受力分析

新型伸縮式復(fù)合鉆頭的伸縮機(jī)構(gòu)部分包括受壓塊、旋轉(zhuǎn)伸縮塊和壁內(nèi)突出筋板在相互接觸作用時(shí)的受力情況如圖4所示。

圖4 伸縮機(jī)構(gòu)受力示意圖

當(dāng)鉆井液壓力作用于受壓塊上時(shí)，旋轉(zhuǎn)伸縮塊與受壓塊接觸的斜面部分便將鉆壓力傳遞下去，如圖4所示。此時(shí)由于豎直向下的鉆壓力是通過(guò)斜面?zhèn)鬟f的，所有旋轉(zhuǎn)伸縮塊上所受到的作用力應(yīng)該是垂直于斜面。這樣一來(lái)，旋轉(zhuǎn)伸縮塊斜面上的力就可以分解為豎直和水平兩個(gè)方向的分力。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)伸縮塊上的筋條在壁內(nèi)突出筋板的滑槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于受到滑槽的限制作用，即便旋轉(zhuǎn)伸縮塊受到水平力的作用，也只能沿著滑槽豎直向下運(yùn)動(dòng)，可是隨著旋轉(zhuǎn)伸縮塊逐漸下移至脫離兩側(cè)筋板(滑槽)約束時(shí)，此時(shí)旋轉(zhuǎn)伸縮塊在斜面上水平力和豎直力共同作用下沿筋板斜面滑入卡槽，這樣便實(shí)現(xiàn)了牙輪鉆頭伸出和穩(wěn)定定位的功能。

本文提出的新型伸縮式復(fù)合鉆頭，其鉆桿上部輸入的鉆井液先到達(dá)鉆井液容置空間內(nèi)，然后經(jīng)過(guò)第一缺口流過(guò)第一流道抵達(dá)中空流道，最后從位于PDC刀翼上的第一噴嘴噴出，對(duì)井底已經(jīng)破碎的巖屑進(jìn)行清除。而另一部分鉆井液則通過(guò)鉆頭本體中部的鉆井液通道從牙輪上的第二噴嘴噴出[4，5]。

當(dāng)該鉆頭在井下開(kāi)展破巖鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)，會(huì)受到巖石施加給鉆頭的反作用力，所以牙輪鉆頭伸出工作時(shí)，連接伸縮柱的旋轉(zhuǎn)伸縮塊上的筋條可穩(wěn)定地處于壁內(nèi)突出筋板的卡槽中，保持了破巖過(guò)程的穩(wěn)定性。因此該方案實(shí)現(xiàn)了不同種類的鉆頭在井下不同巖層中的有效破巖，針對(duì)復(fù)雜難鉆地層，成功地進(jìn)行了鉆巖量的有效分配，提高了鉆井效率，延長(zhǎng)了鉆頭的使用壽命。

2 伸縮式復(fù)合鉆頭伸縮機(jī)構(gòu)的模型制作

2.1 伸縮機(jī)構(gòu)的模型制作

本文所述的伸縮機(jī)構(gòu)的加工模型主要包括受壓塊、壁內(nèi)突出筋板、旋轉(zhuǎn)伸縮塊及伸縮柱四個(gè)部分。其加工出來(lái)的實(shí)物模型如圖5所示。

圖5 伸縮機(jī)構(gòu)模型

2.2 模型組裝及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以壁內(nèi)突出筋板的套筒為基礎(chǔ)，將壁內(nèi)突出筋板內(nèi)部結(jié)構(gòu)插入套筒中并粘合固定；再將組成受壓塊及旋轉(zhuǎn)伸縮塊的各加工零件粘合固定，使其成為兩個(gè)整體；最后按照相互配合關(guān)系，將受壓塊、旋轉(zhuǎn)伸縮塊依次安裝于壁內(nèi)突出筋板中，如圖6所示。

當(dāng)伸縮機(jī)構(gòu)模型組裝完成后，按動(dòng)受壓塊端部，使其推動(dòng)旋轉(zhuǎn)伸縮塊沿壁內(nèi)突出筋板滑槽軸向向下移動(dòng)，按動(dòng)后觀察到：彈簧逐漸被軸向壓縮，旋轉(zhuǎn)伸縮塊上的筋條沿壁內(nèi)突出筋板間的滑槽滑動(dòng)一段位移后，脫離兩側(cè)筋板的約束，沿筋板端部斜面滑向卡槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)伸縮柱伸出(見(jiàn)圖7)。此時(shí)停止按動(dòng)，伸縮機(jī)構(gòu)整體靜止，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定定位。當(dāng)再次按動(dòng)受壓塊時(shí)觀察到：受壓塊推動(dòng)旋轉(zhuǎn)伸縮塊繼續(xù)軸向向下移動(dòng)，當(dāng)下移一段位移后，旋轉(zhuǎn)伸縮塊再一次沿壁內(nèi)突出筋板端部斜面下滑，此時(shí)旋轉(zhuǎn)伸縮塊由于沒(méi)有了卡槽的限制，因此滑回筋板間的滑槽中，彈簧恢復(fù)形變，實(shí)現(xiàn)伸縮柱縮回(見(jiàn)圖8)。

圖6 伸縮機(jī)構(gòu)組裝圖 圖7 旋轉(zhuǎn)伸縮塊伸出 圖8 旋轉(zhuǎn)伸縮塊縮回

綜上所述，該伸縮式復(fù)合鉆頭伸縮機(jī)構(gòu)的實(shí)體模型能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的伸縮運(yùn)動(dòng)及穩(wěn)定定位功能，與前文理論設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)工況一致。

3 結(jié)論

(1) 在調(diào)研現(xiàn)有伸縮式復(fù)合鉆頭方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合復(fù)雜地層條件下鉆井所遇的關(guān)鍵性問(wèn)題，提出了一種可在井下無(wú)需頻繁起下鉆的前提下伸縮并穩(wěn)定定位的主動(dòng)伸縮式復(fù)合鉆頭總體設(shè)計(jì)方案。

(2) 對(duì)伸縮機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及受力情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，證明了該伸縮機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確伸縮及穩(wěn)定定位，并能夠通過(guò)鉆井液壓力的控制實(shí)現(xiàn)主動(dòng)伸縮。

(3) 對(duì)伸縮式復(fù)合鉆頭的整體形式及其中的伸縮機(jī)構(gòu)(受壓塊、旋轉(zhuǎn)伸縮塊、壁內(nèi)突出筋板和伸縮柱)進(jìn)行了三維建模和結(jié)構(gòu)裝配，并制作實(shí)物模型開(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果與理論設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)工況一致。