變徑穩定器的研制與應用

楊 勇

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶 163413）

1 國內技術現狀

1.1 遙控型正排量變徑穩定器

由中國石油勘探開發科學研究院研制，該工具在秦皇島QH32 井進行了現場試驗，進尺1224m，工作時間91h。工具尺寸為?288～?311mm，僅適用于9-1/2″井眼，不適用于8-1/2″井眼；此外，該工具沒有設計示位機構，不利于現場使用。

1.2 排量控制式變徑穩定器

由蘇義腦等人研制，通過改變鉆井泵排量，節流嘴產生壓降，使井下變徑穩定器主軸下行,當主軸上下移動時，主軸旋轉一定角度進入不同的槽，控制活塞伸縮，達到改變穩定器外徑的目的。工具變徑時需要旋轉主軸，結構復雜，不利于靈活換位。

1.3 投球觸控式可控變徑穩定器

大港鉆采工藝研究院研制的投球觸控式可控變徑穩定器，采用投球開泵憋壓的原理。

工具內部設計有球籠，每次變徑需要卸開鉆柱向鉆柱內投入球，開泵循環到球籠處，實現工具的動作，該套工具的現場使用工藝復雜，由于采用投球的方式變徑，工具變徑的次數受限，難以滿足現場需求。

1.4 下壓鉆柱觸控式變徑穩定器

華北鉆井研究院設計，采用芯軸上下移動推動芯軸錐形面使工具變徑的原理，該工具的變徑需要芯軸的上下移動，工具內部設計有芯軸錐形面，每個芯軸錐形面對應有活塞，當需要活塞伸出時，下壓鉆柱使芯軸壓縮下彈簧，斜面體上行，推動活塞伸出；工具現場操作復雜，未見推廣使用報道。

1.5 彈簧凸輪筒組合式變徑穩定器

勝利油田恒昌石油科技有限責任公司研制，在新疆吐哈油田應用，能夠適應于鉆井增斜、降斜的工藝要求，滿足現場使用。工具設計有斜面體，斜面體隨芯軸下行，推動活塞伸出本體，實現工具變徑。當停泵后復位彈簧復位，芯軸上行帶動斜面體上行，活塞收回。每次芯軸下行，隨芯軸一起下行的凸輪筒旋轉一定角度，安裝于本體的定位銷沿凸輪筒上的滑槽滑動，通過垂直方向滑動距離的不同，控制芯軸下行距離的不同，芯軸下行距離長，活塞伸出，芯軸下行距離短，活塞不伸出。

通過該工具斜面體在鉆進時既承受強烈的撞擊力和剪切力，又承受工具由內向外的液壓力，一旦螺栓松動滑脫，整個活塞支撐頭總成將脫落，不但會造成落物卡鉆，還會使泥漿循環短路造成鉆頭提前報廢或沉砂卡鉆，后果比較嚴重。

2 變徑控制方式的選擇

目前變徑穩定器按遙控方式分為:鉆井液排量控制法、投球控制法、鉆壓控制法和電控法。排量控制法是通過加大鉆井泵的排量來控制井下鉆井工具的狀態，現場需要雙泵增加排量；投球控制法通過向鉆桿內投球來遙控井下工具狀態，準確率高、操作簡單。但由于工具內部結構限制，投球的數量受限，使變徑次數有限；鉆壓控制法是通過提壓鉆柱來遙控穩定器的外徑尺寸，可靠性高，但現場工藝操作復雜；電控法是通過傳感器及伺服機構等實現自動控制，國外產品采用，技術水平高，安全可靠。但工具成本昂貴，研制難度大。

綜上，通過各種方法的比較，采用排量控制法，可通過鉆井泵的開關和排量，控制井下變徑穩定器的工作狀態切換，現場工藝更加方便、安全可靠。

3 變徑穩定器設計及計算

3.1 基本結構及技術參數

如圖1 所示，變徑穩定器包括：上接頭、本體、節流及示位機構、復位彈簧及內扶正、芯軸、斜面體、活塞、重力彈簧機構、控制機構、平衡活塞和下接頭等零件。變徑穩定器有效長度2.67m，重量500kg。適用于8-1/2″(?215.9mm)井眼，本體直徑178mm。芯軸直徑45mm,活塞伸出工具以后外徑為214mm,縮回工具后外徑為200mm。

圖1 變徑穩定器結構圖

3.2 工具原理

工具本體設計有3個螺旋翼帶，每個翼上設計有4個活塞；活塞由斜面體推出和拉回，如圖2所示，斜面體下行推動活塞伸出到本體外，工具為大徑狀態；當斜面體上行時，由于斜面體與活塞通過燕尾槽結構連接，斜面體將活塞拉回到本體內部。變徑穩定器的變徑控制即是控制斜面體下行的距離，斜面體下行距離大活塞的伸出的長度越大。

圖2 活塞收回時節流及示位機構位置圖

3.3 本體設計

本體上部連接上接頭，下部連接下接頭，內部安裝芯部總成，本體上設計有3個螺旋翼帶，每個螺旋翼帶上開有4個活塞孔，此外本體上還開有注油孔，用于向工具內注液壓油，另開有環空孔，可將環空壓力引入工具內部形成壓差，推動工具變徑。

其兩端NC50 鉆桿扣滿足GB/T 9253.1-1999《石油鉆桿接頭螺紋》標準，外徑為?177.8mm，內徑為?105mm，材料為40CrMnMo，機械性能滿足鉆井要求。活塞孔直徑為?60mm。

3.4 節流及示位機構設計

如圖2 所示，當活塞收回時，節流體下部的圓柱伸入到示位體內部，鉆井液從圓柱與示位體間的環隙通過時產生節流壓差；當活塞收回時，節流體下部的圓柱沒有伸入到示位體內部，鉆井液通過環隙面積增大，節流及示位機構產生壓差較小。通過產生的節流壓差的大小，判斷井下變徑穩定器井下工作狀態。

3.5 芯軸設計

芯軸上部設計M60X3 直螺紋，與示位體連接；芯軸下部加工有彈子環槽與旋轉體通過20 個直徑為?10mm的彈子連接，使旋轉體與芯軸一起上行和下行且可以自由旋轉，完成工具換位。

芯軸外徑為?60mm，彈子環槽處外徑為?70mm，內徑為?45mm，鉆井液通過芯軸內孔流過變徑穩定器達下部鉆具。

3.6 復位彈簧及內扶正機構設計

當開泵時，壓縮復位彈簧，芯軸下行帶動下部斜面體和活塞動作、控制機構動作，完成變徑的功能；當停泵時，工具內外壓力平衡，壓縮的復位彈簧回彈復位，帶動芯軸上行，使活塞收回，變徑穩定器復位。

復位彈簧上端壓在示位體下部，下端壓在彈簧座上，而彈簧座固定在本體上，使復位彈簧受壓縮時始終對示位體有向上的回彈力。

由于工具內部尺寸限制，復位彈簧的工作空間僅在?105mm 與?70mm 之間環腔內，限制了彈簧的中徑和截面直徑。此外，變徑穩定器活塞回位及工具的復位都要求復位彈簧的回彈力較大。通過優化設計，確定了復位彈簧的設計參數：

彈簧中徑D=90mm；

材料直徑d=14mm；

彈簧自由高度H=600mm；

有效圈數n=8。

3.7 斜面體及活塞設計

斜面體隨芯軸下行時，安裝在本體螺旋翼上的12個活塞在斜面體上滑動，活塞伸出到本體外，使變徑穩定器從?200mm 變徑到?214mm，實現工具的變徑；當停泵后，復位彈簧拉動芯軸上行，斜面體隨芯軸上行，將活塞通過燕尾槽結構拉入到本體內，變徑穩定器從?214mm變徑到?200mm。

如圖3 所示，變徑穩定器設計有3 個螺旋翼帶，每個螺旋翼帶上布置4個活塞，周向每3個活塞對應一個斜面體，斜面體設計有3 個斜面，每個斜面安裝1 個活塞，并且活塞與斜面體間接觸面設計成燕尾槽結構，便于活塞收回。

圖3 斜面體及活塞結構圖

12個活塞尺寸為?60mm，每個活塞上裝有O型密封圈。

3.8 控制機構設計

新型控制機構為周向齒輪機構，第一次開泵后，旋轉體（如圖4所示）隨芯軸下行一次，下行后旋轉體與限位體上的淺槽接觸，芯軸不能下行，此時芯軸下行距離最短，活塞不伸出；當停泵后復位彈簧回彈帶動芯軸上行，旋轉體隨芯軸上行與上部的換位體的螺旋面接觸，并旋轉到下一工作位置，當再次開泵，芯軸下行，旋轉體深入到限位體的深槽處，此時芯軸下行距離最大，活塞伸出；當再次停泵后，旋轉體上行再次切換到淺槽位置，以此類推，每開2次泵即回到淺槽位置，實現變徑穩定器工作狀態的切換。

圖4 旋轉體位于淺槽處結構圖

換位體設計4 個螺旋面，螺旋線高度40mm，螺距3000mm，起始角260°，逆時針；旋轉體上部4 個螺旋面的設計參數與換位體的4個螺旋面一致，旋轉體下部設計成2 個螺旋翼，其參數為螺旋線高度70mm，螺距400mm，起始角0°，順時針；限位體上部設計有2個深槽和2 個淺槽，兩槽深度差30mm，螺旋線參數與旋轉體下部的螺旋線一致。

3.9 變徑穩定器計算

（1）本體力學校核。本體既受軸向力又承受周向扭矩的作用，根據《材料力學》強度理論，使用第一強度理論校核：本體通過校核滿足要求。

（2）示位機構壓差計算。根據鉆頭水力計算標準SY/T 5234-91《噴射鉆井水力參數計算方法》，編程實現了常規水力的計算，包括鉆頭壓降、當量直徑、管內壓耗、環空壓耗、地面壓耗、噴射速度等常規的數據計算，應用主要計算公式如下：

水眼截流面積：

水眼當量直徑：

總液流面積：

噴嘴出流速度：

液流沖擊力：

壓降：

單位面積水功率：

式中：n——水眼個數；

AJn——第n個水眼截流面積，mm2；

dn——第n個水眼直徑，mm；

de——當量直徑，mm；

Q——排量，L/s；

ρm——泥漿密度，kg/m3。

活塞外徑D=108mm，活塞內徑d=45mm；示位芯直徑dn=35mm。

塞住時最小過流面積：

產生壓降：

式中：Q——排量，初步定為30L/s；

ρm——鉆井液密度，取1.2g/mm2；

計算得pb=1.517MPa，滿足設計要求。

（3）復位彈簧力學計算。根據《機械設計手冊》第3卷的26-11計算彈簧：

式中：τ——切應力，MPa；

τp——許用切應力，MPa；

F——彈簧的工作載荷，N；

f——工作載荷下的變形量，mm；

k——彈簧剛度，N/mm；

U——彈簧變形能，N·mm；

d——材料直徑，mm；

D——彈簧中徑，mm；

C——旋繞比，

K——曲度系數，由計算；

n——彈簧的有效圈數；

G——切變模量，MPa。

由上述公式可導出計算材料直徑的公式：

計算彈簧有效圈數的公式：

由上選取彈簧中徑D=90mm ，材料直徑d=14mm，彈簧自由高度H=600mm，彈簧切變模量G=79MPa ，有效圈數n=8，旋繞比C=6.4，根據公式（10）得彈簧剛度k=65.05kN/m，根據虎克定律得初始彈簧壓縮力F=8456N，滿足設計要求。

4 現場應用

高8-33-平5 井現場試驗。變徑穩定器安裝鉆具組合為：?215mmPDC 鉆頭×0.43m+1°螺桿×7.95m+變徑穩定器×2.67m+LWD×12.69m+MHWDP×9.18m+?127mm鉆桿。

變徑穩定器在井口處進行了打壓，驗證變徑穩定器是否動作。開關鉆井泵4次，活塞伸出和收回動作正常，活塞收回時泵壓6.8MPa，活塞伸出時泵壓6.5MPa，壓差顯示0.3MPa，其活塞伸縮情況如圖5 所示。

圖5 小徑狀態活塞收回大徑狀態活塞伸出

地面接收記錄儀能夠準確測量泵壓值，儀器工作正常。變徑穩定器使用井段為1438～1766m；鉆壓6～8t；鉆井液密度1.15g/cm3；漏斗粘度49s；排量30L/s；變徑穩定器井下累計工作時間71h；工具變徑動作正常，活塞伸出7mm和0mm兩個工作位置，換位順暢，活塞伸出后降斜率較大為0.9°/單根；工具示位壓差0.3～0.6MPa，通過鉆井泵壓表和LWD 壓力傳感器可以判斷井下工具工作狀態。

5 結論和認識

（1）設計了周向旋轉曲面軸向階梯式換位控制機構，通過開關鉆井泵即可實現變徑穩定器大徑和小徑之間的切換控制，結構簡單、換位順暢；

（2）變徑穩定器可不起鉆控制井斜變化，實現了水平井水平段降斜工藝要求，減少定向時間，有利于水平井軌跡控制。降低鉆井成本。具有廣泛的應用前景和較好的經濟效益。