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2. 1
力学分析
液压扩眼器刀翼收放的力学分析 液压扩眼器刀翼收放的受力状态如图 2 所示。
图2
刀翼收放受力状态示意图
图中
F0 — — —刀翼收放支撑压力，kN； F1 — — —活塞推力，kN；
— —
石
油
机
械
2010 年
第 38 卷
第7 期
N— — —滑道对刀翼的支撑力，kN； f1 — — —滑道摩擦力，kN； f2 — — —滑块与刀翼之间的摩擦力，kN。 设计刀翼滑道角度 β = 25° （ 与轴向夹角 ） ， 摩 擦因数 f = 0. 15 ，由受力平衡可得到： 刀翼伸出时， 活塞推力 F1 = 1. 357 F0 （ F0 为 刀翼伸出时的支撑压力 ） ； 刀翼收回时， 活塞推力 F1 = 0. 287 F' 0 （ F' 0 为刀翼收回时的支撑压力） 。 以 215. 9 mm （ 8 英寸） 液压扩眼器设计为 例，活塞内径 73 mm，外径 113 mm， 压降 2 MPa， 2 活塞面积为 5 840. 4 mm 。由此可计算得到活塞推力 为 11. 446 kN，刀翼伸出力为 15. 533 kN，刀翼轴向 最大承受压力 （ 刀翼最小缩回压力） 为 55. 477 kN。 以上计算都是按静力状态下进行的 ，在动态时 刀翼伸出比较容易，刀翼缩回的压力变化不大。为 防止由于刀翼张力过大而导致瞬时憋钻 ，刀翼张力 不宜过大。 2. 2 液压扩眼器销钉剪切的力学分析 销钉选材为合金钢，抗剪切强度 310 MPa。 扩 眼作业时投球、 憋压， 将下端左右侧剪切销钉剪 断，流体经过内部最小通道的直径为 57 mm，液体 压力为 3 ～ 5 MPa。 忽略摩擦引起的压降损耗， 经 计算，作用在销钉上的力为 7. 651 ～ 12. 752 kN。 设下部剪切销钉直径为 d， 横截面积为 A。 当 τ= F ≥τ b 时，2 销钉同时被剪断 （ τ b 为材料抗剪 2A
［ 2］
Sketohler B C，Fieldar C M，Lee B E. New bi － center technology proves effective in slim hole horizontal well ［ R］ . IADC / SPE 29396 ，1995.
［ 3］
Kalloo C L，Atton D J， Steele H E. A novel design bi － center bit successfully drills deep exploration well off the east coast of trinidad ［R］ . IADC / SPE 27471 ， 1994.
刀翼伸出力： 15. 533 kN； 刀翼最小缩回力： 55. 477 kN。 技术特点 （ 1 ） 本体上增加了导向槽， 使刀翼始终承受
向上的推力，可有效防止刀翼的径向运动； （ 2 ） 扩 眼 作 业 时， 投 球、 憋 压， 刀 翼 张 开， 张到最大外径后由自锁机构锁定， 刀翼不能收回， 从而提高了扩眼器切削的稳定性 ； （ 3 ） 增加了刀翼的有效切削长度、 分段式加 长保径刀翼设计，并根据扩眼地层岩性的不同，采 用了阶梯状切磨混合布齿方法，从而提高了刀翼的 切削能力； （ 4 ） 在喷嘴内安装有单流阀， 能够防止杂质 进入工具内部； （ 5 ） 通过投第 2 个钢球憋压使心轴下移， 将 刀翼收回，而且能够建立循环，从而提高了工具的 安全性； （ 6 ） 下入前， 通过更换行程调整垫片和锁定 调整垫片来调节扩眼器的最大外径 ，实现一种扩眼 器可以进行多种尺寸的扩眼作业， 满足不同的钻、 完井要求。
鉴于目前国内外随钻扩眼器存在的问题 ，以及不能满足海洋钻井技术要求的状况 ， 研 制了一种安全性和可靠性较高的新型随钻液压扩眼器 。 该液压扩眼器通过投球、 憋压实现刀翼的 收放。扩眼 器 直 径 为 215. 9 mm， 扩 眼 后 井 眼 直 径 为 254 mm， 误 差 小 于 5% ， 刀 翼 伸 出 力 为 15. 533 kN，刀翼的缩回力为 55. 477 kN。现场应用表明，使用 215. 9 mm 扩眼器扩眼后， 井眼扩 大率为 20% ～ 25% ，能满足海洋石油钻探的要求。新型随钻液压扩眼器采用投球、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 。 关键词 钻井 液压扩眼器 随钻扩眼 刀翼 尚不完善。进口偏心钻头及液压扩眼器在使用过程 中存在的问题在国产工具中都有所体现 。同时，国 产液压扩眼器扩眼效率低、结构不合理、工作安全 性差和寿命短的问题更为突出，难以满足海洋钻井 的技术要求 ； 因此。 目前国产扩眼器的结构迫 切需要进一步完善以提高其工作可靠性 。
1
1. 1
技术分析
结构
新型随钻液压扩眼器主要由外壳、 调整接头、 呼吸喷 嘴、 弹 簧、 上 活 塞、 滑 块、 刀 翼、 清 洗 喷 嘴、主活塞、弹爪、主活塞座、销钉、心轴、调整 套 （ 由部件 1 、 部件 2 和部件 3 构成 ） 、 密封筒和 主喷嘴等组成，结构如图 1 所示。
* 基金项目： 国家科技重大专项 “多枝导流适度出砂技术 ” （ 2008ZX05024 － 003 ） 部分研究成果。 随钻液压扩眼器已获得国家实用新 型专利，专利号： ZL 200820124565. 0 。
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（ 1）
［ 5］
扩眼作业结束后，采用再次投球、憋压的方法 将上端左右两侧剪切销钉剪断，推动活塞强行收回 刀翼。第 2 次投球时，上部流体经过直径为 77 mm 的孔道，液体压力为 3 ～ 5 MPa。忽略摩擦引起的压 降损耗，作用在销钉上的力为 13. 962 ～ 23. 270 kN。 由式 （ 1） 计算可得上部剪切销钉直径 d 为 7 mm。
［1 － 3 ］
鉴于目前国内、外随钻扩眼器存在的问题，以 及不能满足海洋钻井技术要求的状况，2007 年中 海油能源发展监督监理技术公司和中国石油大学 （ 北京） 开始对液压扩眼器的结构原理和力学性能 进行研究，2009 年 3 月成功研制出安全性和可靠 性较高的新型随钻液压扩眼器。该随钻液压扩眼器 可大大降低钻完井过程中的作业风险 ，提高固井和 完井质量，增加单井产能。
Cook O， Doster M， Dykstra M. Development of steerable ream while drilling technology and Its application in high angle wells in GOM ［R］ . IADC / SPE 39326 ， 1998.
加压泵对工具加压 17 MPa，销钉剪切，球座下移， 压力降为 0 ； ②继续加压至 1 ～ 2 MPa， 刀翼张开； 张开直径 254 mm； ③ 继续加压至 5 MPa， 刀翼张 开直径保 持 为 254 mm； ④ 通 过 2 次 投 球 使 刀 翼 收回。 215. 9 mm 随钻液压扩眼器在海上试验井进行 了现场应用，经过钻后测井井径曲线对比分析 ，使 用 215. 9 mm 扩 眼 器 扩 眼 后， 井 眼 的 扩 大 率 为 20% ～ 25% ，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 20% ，能够满足海洋石油钻探要求。 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。
推杆上部与活塞相连，弹簧支撑活塞，喷嘴固 定在刀片底部和上部，调压杆通过金属爪固定在调 压杆支架上， 扩眼器刀翼上装有 PDC 切削齿， 推 杆与限位块一起利用弹簧的伸缩控制扩眼刀翼的缩 放。调整套部件 3 的作用是限定主活塞下移的极限 位置。调整套部件 2 的主要作用是限定弹爪锁定位 置，即在上活塞上移至极限位置时，调整部件 2 的 长度，使弹爪刚好锁定主活塞。调整套部件 1 的作 用是限定上活塞上移的极限位置，即调整部件 1 的 长度可达到调整扩孔直径的目的 。其长度的增加可 以增加活塞上移距离，增大扩孔直径，同时心轴也 随之上移，所以调整套部件 1 长度的变化不会影响 弹爪锁定性能。 1. 2 工作原理 在钻具组合时，液压扩眼器应放在定向工具和 螺杆钻具以上， 保证投球到位。 其工作过程如下： 在正常钻井作业状态时，扩眼器刀翼紧贴心轴，整 个工作不参与任何作业。 钻进至需扩眼作业地层 时，投小球憋压， 利用压差推动主活塞使刀翼张 开，刀翼张开到位后，弹性爪与心轴啮合，将刀翼 锁定再进行随钻扩眼作业。 刀翼张开过程为： 投 球、憋压，球座下移，喷嘴与内环空相通，冲洗刀 翼，流体靠压降作用推动活塞使刀翼张开 。 需要说明的是，所钻井段无井斜或井斜较小时 可以采用随钻扩眼作业模式。若需要扩眼井段的井 斜和位移较大时， 建议采用先钻完该井段后投球、 憋压再倒划眼扩孔作业模式，这样能够避免出现大 井斜、大位移井段。 扩眼结束后，投大球憋压，心轴下移，推动上 活塞使刀翼强行收回。进行第 2 次投球，收回刀翼 的基本过程为： 投球、 憋压， 将上部剪切销钉剪 断，使心轴下移，在流体压差的作用下使刀翼收回 并建立流体循环， 继续进行正常作业。 通过投球、 憋压使刀翼收回。 1. 3 主要技术参数 扩眼器直径： 215. 9 mm （ 8 英寸） ； 扩眼后井眼直径： 254 mm，误差小于 5% ； 1. 4
切强度） ，可得： 2F d = πτ b 经计算得下部剪切销钉直径 d 为 5 mm。
［ 4］
Kelley S，Swadi M，Ream C C. While drilling technology solves difficult south texas drilling problem ［ R］ . IADC / SPE 59240 ，2000.
2010 年
第 38 卷
第7 期
于小龙等： 新型随钻液压扩眼器的研制
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图1
液压扩眼器结构示意图