一種新型伸縮式復合鉆頭伸縮機構的設計制作

傅文韜

(四川建筑職業技術學院，四川 德陽 618000)

0 引言

目前，在石油和天然氣的開采過程中，世界各國絕大多數仍然依賴于常規PDC鉆頭和牙輪鉆頭。其中牙輪鉆頭發展得較為成熟，主要用于硬地層或較復雜地層的工況中，但在遇到軟地層鉆進時常存在泥包、效率低、鉆進速度慢等問題；而PDC鉆頭主要用于均質松軟地層的工況中，通過刮削形成井眼，但在復雜難鉆的硬地層中，其鉆進阻力和難度大幅增加，常出現上下左右跳鉆等振動，會使得切削齒受到過大的沖擊而過早損壞，嚴重時還會出現PDC齒突發崩斷，大大降低了其使用壽命。

為加快當前井下鉆探工具的發展，提高鉆具的工作效率，并增強鉆具在鉆遇不同地層時對鉆井環境的快速適應性，減少起下鉆時間和頻率，使鉆具的使用壽命增加，人們逐漸開展伸縮式復合鉆頭的研制。

2012年，西南石油大學鄧嶸等[1]設計了“自適應混合鉆頭”，該鉆頭本體外側布置了可調節刀翼，利用鉆頭內部的彈性元件為可調節刀翼提供軸向力，使其具備伸縮的能力，通過鉆頭對不同地層巖石破碎過程中所受反作用大小不同，可調節刀翼便能根據受力大小判斷巖石的硬度，從而控制其伸縮功能。

2014年，中國石油大學劉忠等[2]設計了“主動調節型復合鉆頭”，該方案首先通過鉆井液壓力為發電機供電，然后由發電機為其相連的步進電機提供動力來控制換向軸套的上下運動，再利用鉆頭本體上部活塞中的鉆井液壓力的變化和滑閥的原理，從而實現鉆頭本體內部導桿的伸縮；其中導桿與鉆頭本體下部的PDC刀翼相連，以此來實現PDC刀翼的伸縮。該主動調節型復合鉆頭可以完成牙輪鉆頭和PDC刀翼之間的破巖量分配，使鉆井效率和鉆具壽命得到一定改善。

同年，鄭國榮等[3]發明了“智能化回縮式復合鉆頭”，本方案是在鉆頭前部安裝一個熱感應元件，通過利用鉆進過程中鉆遇不同地層巖石所釋放的熱量，將感應到的熱量轉換為控制鉆頭本體中心小鉆頭伸縮的信號，從而可有效控制鉆頭中心小鉆頭的伸縮。該鉆頭可以根據巖石地層的特性不同，交替采用大小鉆頭鉆進的方法破碎巖石，根據電信號智能快速的特點精準控制鉆進過程，減少鉆頭起下鉆的時間和頻率，有效提高鉆井效率，并達到延長鉆頭使用壽命的目的。

綜上所述，通過調研目前伸縮式復合鉆頭方案，雖然，有些方案能解決破巖量分配問題，實現PDC刀翼和牙輪鉆頭的單獨或混合破巖，但現有的伸縮式復合鉆頭方案均沒能實現鉆頭準確伸縮及穩定定位的功能，其主要存在以下問題：①PDC刀翼不能通過自適應性功能區區分硬地層和軟地層，使得鉆探人員無法做到主動控制鉆進過程；②伸縮機構通過電機控制，不適用于井下復雜地質情況；③如果巖石硬度通過熱感應元件判斷，則鉆進過程中具有不確定性。由于現有伸縮方案中伸縮機構存在的缺陷，無法解決軟硬交錯地層破巖時的難題。因此，急需設計一種新型伸縮式復合鉆頭的伸縮機構。

1 一種新型伸縮式復合鉆頭的設計

1.1 新型伸縮式復合鉆頭總體方案設計

該新型伸縮式復合鉆頭結構組成如圖1所示。

1.2 新型伸縮式復合鉆頭伸縮機構方案設計

該鉆頭的核心技術是其內部伸縮機構。該伸縮機構的方案是由一整套伸縮裝置相配合完成伸縮的，伸縮裝置由壁內突出筋板、旋轉伸縮塊、受壓塊、伸縮柱、鉆頭筒體下部彈簧和限位塊等部分組成，且伸縮裝置包含在鉆頭本體內部，如圖2所示。

圖1 新型伸縮式復合鉆頭結構示意圖

10-彈簧；12-伸縮柱；13-旋轉伸縮塊；17-壁內突出筋板;18-限位塊；19-受壓塊圖2 伸縮裝置的爆炸視圖

本文提出的伸縮機構方案，其伸縮柱下端牙輪鉆頭可以通過伸縮機構的主動調節和控制，實現與PDC刀翼發生相對位移的功能，因此能夠達到牙輪鉆頭與PDC刀翼的單獨或混合破巖的目的。當該伸縮式復合鉆頭整體處于位置1狀態時(見圖3)，伸縮柱下端的牙輪鉆頭位于PDC刀翼所包圍的中心空槽內，通過調節鉆井液壓力大小來控制伸縮機構的上下移動，從而控制牙輪鉆頭的伸出和縮回。

如圖3所示，該伸縮式復合鉆頭在鉆遇硬地層時，需要由牙輪鉆頭作為主力鉆頭預先破碎巖石，通過逐漸增大鉆桿上部的鉆井液壓力，使得受壓塊受到的液壓力大于摩擦力和彈簧彈力之和后，便會推動受壓塊下部的旋轉伸縮塊在筋板滑槽中軸向運動，當旋轉伸縮塊軸向位移超過距離a之后，逃脫滑槽的限位，順著斜面1移動到卡槽內；此時，牙輪鉆頭完全伸出，穩定在位置2的狀態，保持鉆井液壓力等于摩擦力和彈簧彈力之和，即也保持住了牙輪鉆頭的伸出狀態，實現預先破碎硬地層巖石的功能。

該伸縮式復合鉆頭在鉆遇較為松軟地層時，為避免伸出的牙輪鉆頭產生嚴重的泥包現象，需要將牙輪鉆頭縮回至中心空槽中，由PDC刀翼作為主力鉆頭來刮削破碎巖石。通過增大鉆井液壓力，再次使受壓塊受到的液壓力大于摩擦力和彈簧彈力之和后，推動旋轉伸縮塊軸向運動超過距離b后，逃脫卡槽的約束，順勢沿著斜面2滑動，便會重新運動至壁內突出筋板的滑槽中；此時，牙輪鉆頭完全縮回到中心空槽，穩定在位置1的狀態，保持鉆井液壓力等于摩擦力和彈簧彈力之和，即也保持住了牙輪鉆頭的縮回狀態，實現PDC刀翼刮削松軟巖層的功能。

1.3 新型伸縮式復合鉆頭伸縮機構的受力分析

新型伸縮式復合鉆頭的伸縮機構部分包括受壓塊、旋轉伸縮塊和壁內突出筋板在相互接觸作用時的受力情況如圖4所示。

圖4 伸縮機構受力示意圖

當鉆井液壓力作用于受壓塊上時，旋轉伸縮塊與受壓塊接觸的斜面部分便將鉆壓力傳遞下去，如圖4所示。此時由于豎直向下的鉆壓力是通過斜面傳遞的，所有旋轉伸縮塊上所受到的作用力應該是垂直于斜面。這樣一來，旋轉伸縮塊斜面上的力就可以分解為豎直和水平兩個方向的分力。

當旋轉伸縮塊上的筋條在壁內突出筋板的滑槽內運動時，由于受到滑槽的限制作用，即便旋轉伸縮塊受到水平力的作用，也只能沿著滑槽豎直向下運動，可是隨著旋轉伸縮塊逐漸下移至脫離兩側筋板(滑槽)約束時，此時旋轉伸縮塊在斜面上水平力和豎直力共同作用下沿筋板斜面滑入卡槽，這樣便實現了牙輪鉆頭伸出和穩定定位的功能。

本文提出的新型伸縮式復合鉆頭，其鉆桿上部輸入的鉆井液先到達鉆井液容置空間內，然后經過第一缺口流過第一流道抵達中空流道，最后從位于PDC刀翼上的第一噴嘴噴出，對井底已經破碎的巖屑進行清除。而另一部分鉆井液則通過鉆頭本體中部的鉆井液通道從牙輪上的第二噴嘴噴出[4，5]。

當該鉆頭在井下開展破巖鉆進作業時，會受到巖石施加給鉆頭的反作用力，所以牙輪鉆頭伸出工作時，連接伸縮柱的旋轉伸縮塊上的筋條可穩定地處于壁內突出筋板的卡槽中，保持了破巖過程的穩定性。因此該方案實現了不同種類的鉆頭在井下不同巖層中的有效破巖，針對復雜難鉆地層，成功地進行了鉆巖量的有效分配，提高了鉆井效率，延長了鉆頭的使用壽命。

2 伸縮式復合鉆頭伸縮機構的模型制作

2.1 伸縮機構的模型制作

本文所述的伸縮機構的加工模型主要包括受壓塊、壁內突出筋板、旋轉伸縮塊及伸縮柱四個部分。其加工出來的實物模型如圖5所示。

圖5 伸縮機構模型

2.2 模型組裝及實驗驗證

以壁內突出筋板的套筒為基礎，將壁內突出筋板內部結構插入套筒中并粘合固定；再將組成受壓塊及旋轉伸縮塊的各加工零件粘合固定，使其成為兩個整體；最后按照相互配合關系，將受壓塊、旋轉伸縮塊依次安裝于壁內突出筋板中，如圖6所示。

當伸縮機構模型組裝完成后，按動受壓塊端部，使其推動旋轉伸縮塊沿壁內突出筋板滑槽軸向向下移動，按動后觀察到：彈簧逐漸被軸向壓縮，旋轉伸縮塊上的筋條沿壁內突出筋板間的滑槽滑動一段位移后，脫離兩側筋板的約束，沿筋板端部斜面滑向卡槽內，實現伸縮柱伸出(見圖7)。此時停止按動，伸縮機構整體靜止，實現穩定定位。當再次按動受壓塊時觀察到：受壓塊推動旋轉伸縮塊繼續軸向向下移動，當下移一段位移后，旋轉伸縮塊再一次沿壁內突出筋板端部斜面下滑，此時旋轉伸縮塊由于沒有了卡槽的限制，因此滑回筋板間的滑槽中，彈簧恢復形變，實現伸縮柱縮回(見圖8)。

圖6 伸縮機構組裝圖 圖7 旋轉伸縮塊伸出 圖8 旋轉伸縮塊縮回

綜上所述，該伸縮式復合鉆頭伸縮機構的實體模型能夠實現預期的伸縮運動及穩定定位功能，與前文理論設計運動工況一致。

3 結論

(1) 在調研現有伸縮式復合鉆頭方案的基礎上，結合復雜地層條件下鉆井所遇的關鍵性問題，提出了一種可在井下無需頻繁起下鉆的前提下伸縮并穩定定位的主動伸縮式復合鉆頭總體設計方案。

(2) 對伸縮機構的運動過程及受力情況進行了簡要分析，證明了該伸縮機構能夠實現準確伸縮及穩定定位，并能夠通過鉆井液壓力的控制實現主動伸縮。

(3) 對伸縮式復合鉆頭的整體形式及其中的伸縮機構(受壓塊、旋轉伸縮塊、壁內突出筋板和伸縮柱)進行了三維建模和結構裝配，并制作實物模型開展實驗驗證，驗證結果與理論設計運動工況一致。