套管钻井扩眼器结构设计与启动特性研究

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1、石油机械2011年第39卷第3期CHINAPETROLEUMMACHINERY●设计计算套管钻井扩眼器结构设计与启动特性研究马汝涛纪友哲徐玉超冯来王辉(1．中国石油勘探开发研究院2．中国石油集团钻井工程技术研究院3．胜利石油管理局钻井工艺研究院)摘要针对常规扩眼器井眼扩大率较小，难以满足套管钻井作业要求的问题，设计了一种用于套管钻井技术的液压臂式扩眼器。综合考虑钻井液流量、主喷嘴结构、心轴与壳体的摩擦力等因素对扩眼臂张开程度的影响，建立了该扩眼器串联在钻头上方时扩眼臂的力学模型。计算表明，扩眼臂的旋转角速度与心轴上

2、下运动线速度呈线性关系；扩眼臂与井壁接触后产生的反推力将阻碍其开启动作，接触力的大小受多种因素控制。扩眼器由液压驱动，扩眼臂的开启动作受喷嘴特性影响很大。实际应用中，应优化设计复位弹簧及心轴等部件，从而提高扩眼器启动的可靠性。关键词套管钻井扩眼器力学模型结构设计启动特性型，求解了钻井液流量、喷嘴结构与扩眼臂开启速0引言度的相互关系。分析结果有利于指导扩眼器设计以及优选钻井参数，推动随钻扩眼器在套管钻井技术钻井过程中使用常规套管代替钻杆由地面向井中的应用。下传递机械能量和水力能量的技术称为套管钻井技术。早在1890年

3、，ChapmanMT即提出了随钻下1随钻扩眼器结构与工作原理套管的技术方案，然而，直到最近的十几年，套管钻井才为业界所认可并获得长足发展。与传统套管钻井专用随钻扩眼器与常规扩眼器的不同钻井方式相比，这一技术具有节约钻时，简化套管主要体现在以下几个方面：①井眼扩大率较大，通层次，节省成本，降低井漏、井塌风险等特殊优常达到50％左右，常规扩眼器一般不超过25％；势。加拿大Tesco公司自1997年开始进行套②]二作时间较长，为减少起下钻头次数，扩眼器工管钻井现场试验，目前已具备完备的地面和井下工作寿命应与领眼钻头相当；

4、③注重与领眼钻头、稳具，在陆地和海洋钻井作业过程中均获得重大成定器等井下工具的性能配合，以保持较高机械钻果，在业界可谓一枝独秀。套管钻井底部钻具速，同时改善井身质量。组合主要由领眼钻头、钻铤、稳定器和随钻扩眼器根据套管钻井技术对扩眼器的特殊要求，提出等组成，其中随钻扩眼器是关键部件，其性能优劣了一种新型结构的扩眼器，如图1所示。直接影响机械钻速的快慢和井身质量的好坏。我围自20世纪90年代末开始关注套管钻井发展状况，至今已做过多次现场试验，然而研究焦点集中在单行程表层套管钻进技术，目前尚未研发出性能可靠、专用于套管

5、钻井的随钻扩眼器，而能够图l随钻扩眼器结构示意图指导扩眼器设计的理论成果亦罕有报道E9。笔1一壳体；2-心轴；3一主喷嘴；4一复位者设计了一种扩眼器，并建立了该扩眼器串联在钻弹簧；5一扩眼臂；6一定位销轴；7一密封圈。头上方时扩眼臂与心轴、井壁相互作用的力学模扩眼器壳体内设置有可以上下活动的心轴，心$基金项目：国家“863”计划项目“套管钻井技术”(2006AAO6A107)；中国石油集团公司科技项目“车载小井眼套管钻井专用钻机研制”(2008C一2003)。石油机械2011年第39卷第3期轴上端部装有主喷嘴，下方

6、与复位弹簧相接。心轴速度及扩眼器内部结构对扩眼臂运动与受力的影响中部设计有齿条机构，与扩眼臂的不完整齿轮相配规律。合。当钻井液以一定流量通过喷嘴时，由节流效应2．1扩眼臂受力分析产生的压差将推动心轴压缩弹簧，同时带动扩眼臂扩眼臂由定位销轴紧固在外壳的矩形槽中，左绕定位销轴旋转，完成扩眼器的开启动作；流量降右两侧面受壳体限制，不可移动，只能围绕销轴旋低到一定程度后，心轴在弹簧回复力作用下向上运转。扩眼臂由齿轮齿条机构驱动，齿条与心轴固结动，带动扩眼臂向壳体内旋转，完成扩眼器的关闭为一体。心轴受到齿轮齿条配合的约束，安

7、装后不动作。扩眼臂下方的壳体上镶嵌有硬质合金块，可可旋转，只能沿壳体轴线上、下运动。如图3所实现稳定器功能。示，扩眼臂的驱动力来自齿条施加于轮齿上的压力该扩眼器活动部件少，且动作频率极低，故不至于因部件相对运动而造成损坏；传动机构为应用广泛的齿轮齿条副，力学性能可靠；扩眼臂近似为块状，强度较高；主喷嘴与心轴分离，可根据实际需要进行更换。2随钻扩眼器启动特性研究图3扩眼臂受力分析图套管钻井过程中，装备有随钻扩眼器的底部钻，，阻力包括扩跟臂重力以及与井壁的接触力具组合典型结构，如图2所示，此时扩眼臂已完全，对旋转中心取

8、力矩平衡，有：张开且进入工作状态。Fm，+Lsintot—F(L，0+vttana)=0(1)式中——单个扩眼臂重力，N；L，——第一切削刃至定位销轴中轴线距离，m；L——扩眼臂重心定位销轴中轴线的距离，m；：b，——扩眼臂由竖直位置旋转扫掠的角度，rad；F——齿轮齿条啮合部位的接触力，N；——齿轮齿条啮合线起始点至定位销轴中轴线的距离，m；——心轴速度，