液压随钻扩孔器的研制邓都都,陈云龙,蔡家品,阮海龙,赵义(北京探矿工程研究所,北京 100083)摘 要:针对现有液压随钻扩孔器工作时出现的刀翼不能正常收回㊁振动剧烈等问题,设计制造出了一套新型液压随钻扩孔器㊂扩孔器设计锁紧机构,当刀翼张开后,能够将其锁住,减轻扩孔时的振动;采用投球憋压与弹簧回收结合的方式,能够有效地保证刀翼的回收㊂扩孔器设计直径124m m ,能够扩孔的最大直径为270m m ㊂本文从结构与工作原理上对该扩孔器进行了介绍,通过流体力学原理分析计算,验证了扩孔器活塞的结构设计,通过有限元分析完成了刀翼的强度校核㊂关键词:随钻扩孔;刀翼;活塞;强度校核;液压中图分类号:P 634.4,T E 921 文献标识码:A 文章编号:1009282X (2022)01001505T h e D e v e l o p m e n t o f H y d r a u l i c R e a m e r w h i l e D r i l l i n gD E N G D u d u ,C H E N Y u n l o n g ,C A I J i a p i n ,R U A N H a i l o n g,Z H A O Y i B e i j i n g I n s t i t u t e o f E x p l o r a t i o n E n g i n e e r i n g ,B e i j i n g 100083,C h i n a A b s t r a c t :I n v i e w o f t h e c u r r e n t h y d r a u l i c d r i l l i n g r e a m e r c a n n o t r e c o v e r n o r m a l l y,s e v e r e v i b r a t i o n a n d o t h e r p r o b l e m s o n w o r k i n g .A n e w t y p e o f h y d r a u l i c d r i l l i n g r e a m e r i s d e s i g n e d a n d m a n u f a c t u r e d .T h e r e a m e r i s d e s i g n e d w i t h a l o c k i n g st r u c -t u r e ,w h e n t h e b l a d e s a r e o p e n e d ,t h e b l a d e c a n b e l o c k e d t o r e d u c e t h e v i b r a t i o n d u r i n g r e a m i n g .T h e c o m b i n a t i o n o f b a l l d r o pa n d s p r i n g r e c o v e r y c a n e f f e c t i v e l y e n s u r e t h e r e c o v e r y o fb l a d e .T h e r e a m e r i s d e s i gn e d t o b e 124m m i n d i a m e t e r ,w i t h a m a x -i m u m r e a m i n g d i a m e t e r o f 270m m .I n t h i s p a p e r ,t h e s t r u c t u r e a n d w o r k i n g p r i n c i p l e o f t h e r e a m e r a r e i n t r o d u c e d .T h r o u gh t h e a n a l y s i s a n d c a l c u l a t i o n o f t h e p r i n c i p l e o f f l u i d m e c h a n i c s ,t h e p i s t o n s t r u c t u r e d e s i g n o f t h e r e a m e r i s c o m pl e t e d ,a n d t h e s t r e n g t h c h e c k o f t h e b l a d e i s c o m p l e t e d t h r o u g h t h e f i n i t e e l e m e n t a n a l ys i s .K e yw o r d s :r e a m e r w h i l e d r i l l i n g ;r e a m e r b l a d e ;p i s t o n ;i n t e n s i t y c h e c k ;h y d r a u l i c 收稿日期:20210923作者简介:邓都都(1989-),男,地质工程专业,硕士,工程师,主要从事钻探装备㊁器具的研发以及钻探工艺研究,E -m a i l:d d u d u @m a i l .c g s .go v .c n ㊂0 引言随钻扩孔器是在钻井过程中对井眼进行扩大的一种井下工具[1,2]㊂该工具能够改变井身结构,通过扩孔可以减小套管柱之间的间隙,提高钻探的机械钻速,有效降低钻井成本;在钻井过程中遇到了盐膏层段时,其蠕变缩径会造成卡钻㊁挤压套管等问题,采用井下随钻扩眼器能避免因盐膏层蠕变带来的钻井复杂事故,有效地保护套管,提高钻井的安全性;在固井时,通过井下扩孔技术,在不改变套管尺寸的情况下,可增加套管的环空间隙,有利于提高固井质量;在老井的储层改造中,采用随钻扩孔器能够在不伤害井身结构的同时,对储层进行扩大,提高矿藏的采收率㊂因此,随钻扩孔器作为一种多用途的井下作业工具,在国内外钻井现场中应用非常广泛[3-5]㊂1 随钻扩孔器的技术现状目前国内外对随钻扩孔器的研究较为深入[6-9],形成的产品也多种多样,现在已基本淘汰了固定翼式和机械扩张式的扩孔器,主流产品均为滑移液压扩张式扩孔器㊂滑移液压扩张式扩孔器的动作可靠,钻井效率高,其控制方式大多采用投球或压差开启方式,刀翼收回则普遍采用停泵卸压后靠弹簧收回的方式㊂工具结构主要采用整体式工具体,或者由两个短节组成㊂刀翼普遍采用硬质合金体镶嵌P D C 块,并带倒划眼功能的结构形式㊂该工具普遍可以在原井眼尺寸基础上将井眼实际扩大20%以上,有的甚至可以达到50%以上㊂中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院联合中国石油大学研制了Y K 304444.5随钻扩孔器[10],扩孔器的结构如图1所示㊂该扩孔器工作中开泵后,钻井液流经活塞上的喷嘴产生一定的压降,由此形成的压力推动活塞下行,活塞上的支撑装置支撑3个扩眼刀翼外张,当扩眼刀翼达到最大外图1 Y K 304-444.5随钻扩孔器结构示意图F i g .1 S t r u c t u r e d i a gr a m o f Y K 304-444.5r e a m e r w h i l e d r i l l i n g张位置时,可进行扩眼钻进作业;作业完毕停泵后,压力降消失,活塞在复位机构的作用下复位,扩眼刀翼将同时收回刀槽内㊂中海油与中国石油大学(北京)㊁宝鸡石油机械有限公司合作研发了一款直径152.4m m 的液压随钻扩孔器[11],该扩孔器结构示意如图2所示㊂扩孔时,投入小钢球并加压,在压力作用下将剪切销钉剪断,下球座下行,下接头内部有喷嘴,在压力作用下喷嘴内外会产生压耗,工具腔体憋压,在压力作用下活塞上行,推动上限位体㊁刀翼及下限位体等上行,刀翼沿凹形槽向外伸出,钻井液从密封套内部经循环孔进入活塞内部小孔,一部分进入密封套与本体间隙并经凹形槽喷出,另一部分经下限位体的移动喷嘴喷出,达到冲洗刀翼的目的㊂扩眼作业结束后,停泵泄压,刀翼在复位弹簧的作用下自动收回,如果刀翼收回失败,投大钢球并加压,在压力作用下剪断剪切销钉,上球座下行,推动活塞等下行,实现刀翼自动收回㊂上接头内有循环孔,在刀翼强行收回的过程中能建立循环㊂1.上接头;2.大钢球;3(6,8,16,17,18,22,23,24).密封圈;4(21).剪切销钉;5.上球座;7.本体;9.复位弹簧;10.调整套;11.活塞;12.螺钉;13.上限位体;14.刀翼;15.下限位体;19.小钢球;20.下球座;25.中间接头;26.密封套;27.喷嘴;28.下接头图2 直径152.4m m 液压随钻扩孔器结构图F i g .2 S t r u c t u r e d i a g r a m o f 152.4m m h y d r a u l i c r e a m e r w h i l e d r i l l i n g图3为斯伦贝谢公司研制的R h i n o X S 系列全排量可伸缩扩眼器[12]㊂在正常钻井作业状态下,该随钻扩眼器的刀翼在弹簧结构的控制下紧贴心轴,当钻进至待扩眼地层时,投球憋压,滑筒销钉被剪断,滑筒下行,改变流体流动通道,流体分流至钻具内和扩眼器水眼两部分;开泵并逐渐提排量,当钻具内外压差达到5.5M P a 时,推动扩眼器活塞,使得扩眼刀翼克服弹簧推力并沿本体的 Z型槽向上㊁向外推出,扩眼器激活到扩眼状态;当扩眼结束停泵后,弹簧机构推动扩眼器刀翼下行并沿本体槽收回㊂图4为威德福R i pT i d e 扩眼器[13],该扩眼器分为上㊁下两短节,上短节为控制部分,下短节为扩眼器部分㊂上部分可通过两种方式控制动作,即投球和射频识别R F I D (R a d i o -F r e q u e n c y Id e n t i f i c a -t i o n ),采用R F I D 方式控制扩眼器开闭时,泵送1个图3 R h i n o X S 系列扩眼器结构示意图F i g .3 S t r u c t u r e d i a gr a m o f R h i n o X S s e r i e s r e a m er 图4 R i pT i d e 扩眼器结构示意图F i g .4 S t r u c t u r e d i a g r a m o f R i p Ti d e r e a m e r 小型射频发射器到扩眼器,使扩眼器控制部分接收到 开 或者 闭 的指令,然后开始相关的动作㊂通过对国内外液压随钻扩孔器的调研以及现场应用情况的分析,发现还存在着以下一些问题:①因泥包等各类井下复杂情况,可能造成弹簧的推力不能顺利使刀翼完全缩回,导致工具无法正常回收;②由于井下环境非常恶劣,扩眼作业前扩孔器内容易进入岩屑,堵塞水眼及内部流道;③刀翼张到最大位置后没有锁死机构或刀翼随压力变化振动明显,导致实际扩出的井眼尺寸不规则;④刀体的连接部位较为薄弱,在工作过程中易由于应力集中而发生疲劳断裂;⑤无限位结构,钻井时刀翼可能过度张开,存在一定的安全隐患㊂鉴于国内外液压随钻扩孔器使用过程中存在着上述的一些问题,因此设计制造了一套新型的液压随钻扩孔器,下面对该扩孔器的技术特点进行详细介绍㊂2结构设计2.1结构特点液压随钻扩孔器结构如图5所示,主要由上接头㊁活塞㊁弹簧㊁内外管㊁锁紧机构㊁捕球器㊁限位器㊁刀翼㊁推杆㊁钢球等组成㊂其中活塞与外管配合,能够在内管中移动一段距离;弹簧安装在活塞下端,刀翼需要回收时弹簧能推动活塞上移;推杆与刀翼连接,内管下移时,推杆将推动刀翼伸出;扩孔器下端安装有锁紧机构,当刀翼伸出后,锁紧机构会将刀翼锁住,减轻刀翼振动;刀翼采用高强度合金钢制成,沿着刀翼的端面镶嵌一圈P D C切削齿;在刀翼的上部安装有限位器,当刀翼张开到最大位置时就会被机械限位,可以保证刀翼扩张安全㊂图5液压扩孔器结构示意图F i g.5S t r u c t u r a l d i a g r a m o f h y d r a u l i c r e a m e r本液压随钻扩孔器具有以下特点:①液压扩孔器外管直径124m m,刀翼张开后最大扩眼直径270m m;②刀翼上部设计有限位机构,能够保证刀翼不会过度张开,还可以通过调节限位机构的位置调整刀翼的张开角度,匹配不同的扩眼直径;③下部设计有锁紧机构,当刀翼张开后将内管锁住,能够减轻扩孔作业时刀翼的振动,提高扩眼时井壁的稳定性;④扩孔器的下部安装有液压回收机构,通过投球憋压利用液压作用力与弹簧配合能够有效地保证刀翼的正常回收㊂2.2工作原理当钻井液经过活塞时,由于流道变窄,在活塞端面会产生压差,由此产生一定的压力推动活塞下移;活塞向下移动会带动内管下移,内管带动推杆转动将刀翼推出;刀翼固定在外管上,可以绕着销轴转动,在销轴上部安装有限位器,可以调节刀翼旋转的角度,实现不同的扩孔直径;在外管的下部安装有锁紧机构,当刀翼张开到合适的位置后,可以将内管锁住,这样可以有效地减轻钻井过程中刀翼的振动;在内管下部安装有捕球器,当需要回收扩孔器时,将钢球投入钻杆中,钢球会卡在捕球器上,堵住下面的流道,此时内部产生一定的压力,将内管推回,实现刀翼回收;内管推回后,钻井液从刀翼与外管的缝隙中流出,保证钻井作业能够正常进行㊂3扩孔器力学分析3.1活塞力学分析由流体力学原理可知,钻井液在流经活塞处会产生一定的压力损失,扩孔器刀翼张开时的推力来源于加载在活塞承压面上的流体压降㊂该压降主要由喷嘴处的局部压降和活塞内部沿程压降两部分组成,其中在接头变径处产生的压降p1按以下的公式计算:p1=ξρv22(1)式中:p1为压降,M P a;ρ为钻井液密度,g/c m3;v 为液体的平均流速,m/s;ξ为局部阻力系数,其值与活塞两个端面的截面积A1㊁A2有关系,一般按ξ= A2A1-12来计算㊂在活塞内部的钻井液沿程压力损失按照以下公式计算:p 2=λl v 22d (2)式中:p 2为沿程压降,M P a ;λ为沿程水力摩阻系数;ρ为钻井液密度,g /c m 3;l 为流道长度,m ;d 为流道直径,m ;v 为流速,m /s ㊂钻井液的压降在活塞承压面产生的总推力按以下公式计算:F =p 1+p 2ˑπ(D 20-D 2)4(3)式中:F 为活塞承压面产生的推力,N ;D 0为活塞承压面的直径,m ;D 为喷嘴当量直径,m ㊂钻井作业时,泥浆泵的排量为300L /m i n,钻井液密度为1.2g /c m 3,设计的活塞外径为80m m ,活塞长度173m m ㊂计算不同活塞内径条件下钻井液在活塞上的作用力如表1所示㊂根据钻井的实际情况,活塞内径过小会导致流体能量损失过多,对钻头处的冲洗岩屑有较大影响;而当推力过小时,又很难将三个刀翼完全推出㊂综合上述两项因素,本设计中选择活塞内径为15m m ,由表1中可以得出作用在活塞上的推力接近3000N ㊂表1 不同内径下钻井液流过活塞产生的推力T a b l e 1 T h r u s t g e n e r a t e d b y d r i l l i n g f l u i d f l o w i n g t h r o u gh p i s t o n u n d e r d i f f e r e n t i n n e r d i a m e t e r s 活塞内径/m 活塞长度/m 流速/(m ㊃s-1)局部阻力系数沿程阻力系数局部压力损失/M P a 沿程压力损失/M P a 总压力损失/M P a总推力/N 0.0100.17363.690.970.03751.971.584.1717530.590.0110.17352.640.960.03751.470.983.0112063.690.0120.17344.230.960.03751.030.632.208166.040.0130.17337.690.950.03750.740.431.555702.570.0140.17332.500.940.03750.550.291.174088.110.0150.17328.310.930.03750.410.210.812996.970.0160.17324.880.920.03750.310.150.632239.730.0170.17322.040.910.03750.240.110.401702.000.0180.17319.660.900.03750.190.080.311312.380.0190.17317.640.890.03750.150.060.151025.030.0200.17315.920.880.03750.120.050.12 809.743.2 刀翼强度分析刀翼作为扩眼钻头中切屑岩石的部分,上面镶焊有聚晶金刚石复合片(P D C ),实际扩孔作业时,依靠P D C 来切削岩石㊂扩孔器设计采用三刀翼的结构,刀翼伸出到最大位置时,与轴线的夹角为26ʎ,此时刀翼为悬臂结构,整个扩孔器强度最薄弱的位置位于该部分㊂运用有限元分析计算刀翼伸出到最大时的应力与应变,来校核扩孔器的强度㊂扩孔器刀翼选用630马氏体沉淀硬化不锈钢,该钢材具有高强度㊁高硬度,较好的焊接性能和耐腐蚀性能㊂首先,为了方便计算,对扩孔器的模型进行简化,去掉与强度校核不相关的零件㊂刀翼安装在外管上,实际只需要校核刀翼与外管的强度即可,将简化后的模型进行了网格划分,如图6所示㊂扩孔时刀翼张开到最大,此时切削岩石的力全部加载在刀翼端面上㊂设定扩孔时刀翼受力为10k N ,通过有限元分析计算刀翼的应力与应变云图见图7和图8㊂从图中可以看出,刀翼最大的受力点位于推杆与刀翼的铰接处,最大应力为192M P a;从应变云图中可以看出,最大应变在刀翼的最前端,最大的位移为0.084m m ㊂综合上述分析可以看出,在10k N 作用力下,刀翼的结构强度能够满足使用需求㊂4 结论与建议(1)本文研究了国内外多种随钻扩孔器的技术现状,找出了该工具在使用过程中存在的一些问题,针对这些问题,研制出了一套新型液压随钻扩孔器,并对该扩孔器的结构与工作原理进行了介绍㊂(2)根据流体力学原理完成了液压扩孔器活塞的结构设计,通过有限元分析的方式完成了对扩孔刀翼的强度校核㊂图6扩孔器刀翼网格划分F i g.6R e a m e r b l a d e m e s h i ng图7刀翼M i s e s应力云图F i g.7B l a d e m i s e s s t r e s s n e p h o g r am图8刀翼应变云图F i g.8B l a d e s t r a i n n e p h o g r a m(3)解决扩孔作业时刀翼的剧烈振动㊁刀翼可靠的张开与回收等问题,是随钻扩孔器能否有效完成井下扩孔作业的关键㊂通过设计锁紧机构能够减轻刀翼工作时的振动,利用投球憋压与弹簧配合的方式,也尽可能地保证了刀翼的正常回收㊂(4)随钻扩孔器作为一种多功能的井下工具,具有良好的应用前景㊂本文从原理上完成了该扩孔器的结构设计,下一步将在现场试验中对扩孔器的工作性能进行验证,从而进一步对液压随钻扩孔器进行优化与完善㊂参考文献:[1]王晓松,蔡玉贵,冯跃凯,等.随钻扩孔器现场应用分析[J].石化技术,2017,24(07):93+68. 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