機械式隨鉆小井眼擴孔工具研制與應用

錢 雯，邱小鋒，蘇德勝，馬開良，儲明來

機械式隨鉆小井眼擴孔工具研制與應用

錢 雯，邱小鋒，蘇德勝，馬開良，儲明來

（中國石化江蘇油田分公司石油工程技術研究院，江蘇揚州225009）

為降低側鉆小井眼鉆井作業風險，提高固井質量，針對?118 mm井眼研制了一種機械式隨鉆擴孔工具。對比計算了傳動軸結構強度，分析了切削齒布齒參數對工具破巖效率的影響，并進行了現場試驗。該擴孔工具尺寸合理，結構可靠，與常規鉆井工具及工藝匹配。現場使用結果證明，擴孔工具可滿足套管內側鉆井隨鉆擴孔工藝技術要求。

機械擴孔器；隨鉆擴孔；傳動軸設計；布齒設計

近年來，江蘇油田在套管內側鉆小井眼井方面取得了快速發展，但是?139．7 mm（5英寸）套管側鉆井受主套管尺寸限制，尾管環空間隙小，井眼裸眼段長，井斜度大，循環阻力大，而擴孔技術在提高固井質量方面具有顯著的優勢。

目前，國內外擴孔工具普遍采用液壓式隨鉆擴孔技術，基本已淘汰固定翼設計，尤其Baker H ughes Christens、Bakersfeild Bit＆Tool、A ndergauge和S mith等公司的擴孔工具設計制造處于世界領先水平。國內以遼河油田、勝利油田的擴孔工具較有代表性，通過液壓控制刀翼擴張，作業完成后卸壓，再通過彈簧實現刀翼復位，適用于大井徑擴眼作業。小井眼側鉆井要求擴徑尺寸不宜過大，如果采用液壓推動，會造成井筒循環壓力過高，在深井、高黏度鉆井液等情況下，工具難以正常工作。此外，還有機械式隨鉆擴孔設計，采用機械力驅動，燕尾槽控制刀翼伸縮。機械式擴孔工具尺寸較小，結構自鎖功能可靠，工作穩定性良好，井斜控制能力較強。威德福公司的RipTide是第1個實現電子脈沖控制的擴眼工具［1-5］。

2013-01，為了降低小井眼側鉆作業風險，提高固井質量，江蘇油田石油工程技術研究院針對?118 mm小井眼研制了機械式隨鉆擴孔工具，并于2013-10完成了現場試驗。

1　擴孔工具技術分析

1．1 工具結構

該工具主要由傳動機構、刀具伸縮機構、擴孔刀具等組成，如圖1所示。工具的傳動機構主要由傳動軸、傳動接頭、剪切銷釘、本體等組成，可高效傳遞轉矩。刀具伸縮機構主要由芯軸、本體組成，利用芯軸上的斜面和滑槽控制刀具的伸縮。將P D C復合片焊接于刀翼上構成刀具，P D C刀齒安裝采用連貫切削布齒設計。

圖1　機械式隨鉆小井眼擴孔工具結構

1．2 工作原理

擴孔工具上下端均可直接與鉆具連接，工具隨管柱一起入井，正常鉆進過程中，刀翼處于收縮狀態。需要擴孔時，通過鉆具加壓，剪斷剪切銷釘，傳動軸下行，上接頭處凹槽與傳動接頭凸塊配合卡接，傳動軸推動芯軸下行，芯軸上的斜滑槽推動刀具徑向伸出。隨后鉆具繼續鉆進，通過傳動軸、傳動接頭、本體帶動刀具轉動進行擴孔。

擴孔結束后，上提管柱，帶動傳動軸、芯軸上行，刀具在外部阻力及芯軸斜滑槽作用下縮回本體內。

2　工具設計

2．1 主要設計參數

主要設計參數如下：擴孔工具長890 mm，最大外徑112 mm，最大擴孔直徑126 mm，傳動軸抗扭強度為?73．03 mm（2英寸）鉆桿的1．11倍，抗拉壓強度約為?73．03 mm（2英寸）鉆桿的1．795倍，推薦工作排量240～720 L／min，剪切銷釘剪斷鉆壓50～55 k N，工具最大鉆壓6 k N。

2．2 傳動軸設計

在不影響鉆頭鉆進的前提下，機械式隨鉆擴孔工具自身還要實現擴孔作業，傳動軸傳遞轉矩必須足夠大，其強度和抗扭性能不低于鉆桿。常用傳動軸截面有正六邊形、正八邊形（如圖2），在具有相同外接圓（D＝72 mm）和內管徑（d＝30 mm）時，對比分析不同截面傳動軸的抗拉強度和抗扭截面模量，計算結果如表1所示。由表1可以看出：半圓形的截面積遠大于?73．03 mm（2英寸）鉆桿，因此其抗拉強度優于?73．03 mm（2英寸）鉆桿；半圓形截面的抗扭截面模量最大，是?73．03 mm（2英寸）鉆桿的1．11倍，滿足擴孔轉矩大的條件。對擴孔工具而言可靠性是第1位的，其結構強度設計必須足夠安全。因此，在傳動軸與傳動接頭間設有1對矩形牙嵌，可輔助傳遞轉矩。將上接頭與傳動軸一體化，可實現傳動軸上接鉆桿，并有效傳遞轉矩，同時推動芯軸在本體內移動的功能，簡化工具結構。

圖2　傳動軸截面

表1　不同截面軸的力學性能對比

2．3 布齒設計

擴孔工具的核心部分是擴孔刀具，布齒參數決定了破巖效率和工具使用壽命。每個刀座設計為2排刀翼，每排刀翼上P D C復合片的布齒位置均不重合，可形成連貫的切削刃［6-7］（如圖3），保證刀刃完整覆蓋井壁，各個擴刀受力均勻，擴孔直徑穩定。工具后排復合片的主要作用是保徑。

P D C切削齒在安裝時，鑲裝角度包括前傾角α和側轉角β，如圖4所示。前傾角α是齒柱軸線與井壁切平面的夾角；側轉角β是齒柱端面與工具軸線夾角。

圖3　切削刃分布

圖4　PDC齒安裝角度示意

在相同載荷下，切削齒前傾角度越小，巖石的破碎越傾向于剪切破壞；在前傾角增大后，巖石的破碎傾向于擠壓破壞，而巖石的抗壓強度要遠高于抗剪強度。因此，小前傾角有利于破碎巖石。但是在小前傾角的情況下，切削齒與巖石接觸面積也小，容易造成局部磨損，對齒的耐磨性能有更高要求。大側轉角β可以對巖屑產生側向推力，有利于排屑，防止重復破碎擠壓切削齒。綜合考慮前傾角和側轉角對P D C切削齒壽命和破巖效率的影響后，設計中采用前傾角α為15°，側轉角β為10°［8-10］。

切削齒在破巖過程中所受載荷非均勻分布，都集中在切削齒與巖石接觸的部分，因此在切削過程中易出現切削齒局部磨損導致工具整體報廢。因此在工具制造時，對該部位進行了局部強化，以延長工具使用壽命。

3　現場試驗

機械隨鉆擴孔工具在地面功能性試驗取得成功后，于2013-10在側周38-2井進行了井下試驗，驗證了刀翼自動伸縮、轉矩傳遞的可靠性，對擴孔效果進行了評估。

根據施工設計，從鉆頭深度1 800 m開始造臺階1．5～2．0 m，然后隨鉆擴孔至鉆頭深度1 810．64 m結束。鉆具組合為：?118 mm單牙輪鉆頭＋230 ×210變扣＋擴孔工具＋?105 mm無磁鉆鋌1根＋?89 mm加重鉆桿10根＋?73．03 mm（2英寸）鉆桿。現場試驗加鉆壓65～70 k N，剪切銷釘剪斷。造臺階和擴孔參數為：鉆壓40 k N，轉速30 r／min，排量500 L／min，泵壓5 M Pa。從試驗結果來看，擴孔工具性能穩定，擴孔效果較好。

截至目前，機械式隨鉆擴孔工具已應用于多口側鉆井，明顯提高了側鉆井固井質量。

4　結論

1） 本工具外徑尺寸較小，連接及運動部件少，結構簡單，機械傳動可靠性高，能夠滿足小井眼側鉆井摩阻大、循環壓力高的工作條件。

2） 工具采用下壓及上提鉆具實現刀具的撐開及回收，不影響正常鉆進過程，使得隨鉆擴孔可以持續。

3） 在工具結構設計中，傳動軸強度及抗扭性能均大于?73．03 mm（2英寸）鉆桿，保證了工具的安全性。

4） P D C刀具是重要的切削部件，對P D C復合片的鑲裝位置與角度進行了分析，為提高破巖效率、延長工具壽命提供理論依據。

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Research and Application of M echanic Reamer for Drilling Slim Hole

QIA NWen，QIU Xiaofeng，SUDesheng，MAKailiang，CHUMinglai
（Research Institute of Petroleu m Engineering Technology，Jiangsu Oilfield Com pany，Yangzhou225009，China）

In order to reduce risk of drilling side-tracked small hole and im prove cementing quality，a kind of mechanic rea mer for ?118 mm hole was developed．It is connected with bit directly，w hich realizes reaming w hile drilling．T he torsional strength of shaft by contrasting was calculated．It also analyzed how cutter distribution para meters affected rock breaking efficiency．It has been tested in field successfully．This tool has reasonable size and stable structure．It matches conventional drilling technology and tools．The result shows that it can meet the technical requirement of drilling side-tracked small hole．

mechanical rea mer；w hile drilling；shaft design；P D C distribution

T E921．203

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．015

1001-3482（2015）01-0060-03

2014-07-27

中國石化江蘇油田分公司科技項目“機械式隨鉆小井眼擴孔工具的研究與應用”（G C Y1309）

錢 雯（1986-），女，江蘇泰州人，碩士，主要從事井下鉆采工具設計工作，E-mail：qian wen．jsyt＠sinopec．co m。