液压控制式双向随钻扩孔工具研制

李传武 ，李忠庆，廉光义

(1.中石化 中原石油工程有限公司，河南 濮阳 457001；2. 中石化中原石油工程有限公司 钻井一公司，河南 濮阳 457001；3.川庆钻探工程有限公司 新疆分公司，新疆 库尔勒 841000)

随着深井、复杂井钻井技术的应用，对井下扩孔工具提出了更高的要求[1-2]。新型硬质材料的发展，以及制造工艺的进步为研制高效井下扩孔工具奠定了基础。随钻扩孔工具使用时要求不能影响正常钻进，能与常规井下工具匹配，且能在地面开启或停止井下工具的工作。扩孔功能要求工具能够扩出所要求的井眼尺寸，而且不影响扩孔钻井的速度。为实现随钻扩孔工具的这些基本功能，国内外发展了多种结构形式的扩孔工具[4-7]。

随钻扩孔工具可分为扩眼总成、执行机构和本体结构，其中执行机构是启动或停止工具扩眼作业的机构，扩眼总成则是具体执行破岩扩眼作业，本体结构主要是容纳执行机构和扩眼总成，并与钻柱、钻头等相连[8]。随钻扩孔工具的差别主要是扩眼总成和执行机构的不同。按照执行机构的不同，随钻扩眼工具可分为以重力驱动的机械式、以离心力驱动的偏心式和以流体压力驱动的液压式3类，机械式工具存在刀翼打开困难或不回收的缺点，偏心式工具存在离心力不稳定导致的扩径不规则等缺点。因此，为解决深井超深井钻进时缩径的难题，结合3种结构的优缺点研制了液压驱动的随钻扩孔工具。

1 液压控制式双向随钻扩孔工具工作原理

液压控制式双向随钻扩孔工具如图1～2所示。其工作原理为：以钻柱内外钻井液的压差为动力驱动扩孔刀翼同时张开。当随钻扩孔工具下入到需要进行扩孔作业的井段后加大泵排量，扩孔工具本体内外压差值增加到3 MPa时，剪切销钉被剪断，主动活塞在液压驱动作用下向上移动，主动活塞带动主动推块推动扩孔刀翼沿本体窗孔上的斜轨道伸出，并在1.5 MPa压力作用下稳定在扩孔位置，进行扩孔作业。同时，扩孔刀翼推动回位推块及回位活塞，压缩回位压缩弹簧。扩孔作业完成后，降低泵排量，本体内外的压差降低到0.3 MPa以下，回位弹簧推动回位推块及回位活塞向下移动，推动扩孔刀翼沿斜轨道退回。

1—本体；2—中心管；3—主动活塞；4—主动推块1；5—主动推块2； 6—刀翼； 7—回位推块；8—剪切销；9—回位压缩弹簧；10—预紧螺母；11—螺纹压帽。

图2 液压驱动式双向随钻扩孔器实体装配

如果扩孔刀翼沿斜轨道退回遇阻，可以通过投球到中心管上端的锥面进行蹩压至10 MPa以上，此时，扩孔工具本体内外可以产生几乎接近泵压的高压差，强行将扩孔刀翼推回，以便起钻[9-10]。

液压控制式双向随钻扩孔工具可以进行正反两个方向划眼。

2 液压控制式双向随钻扩孔工具的特点

1) 同心扩孔。偏心随钻扩孔工具因其结构原因，有以下的缺点：①稳定性差、振动剧烈常导致疲劳破坏；②造成井身质量较差，井眼轨迹不光滑；③卡钻风险大；④工作方向调整性能较差，无法在定向井、旋转导向等工具中配合使用。本液压式双向随钻扩孔工具的同心扩孔切削块能随钻扩出同心、足尺寸、高质量的井眼。

2) 水力控制。利用系统的压差，切削块通过水力驱动，工具内径畅通；地面压力可现实切削块已完全打开；不用钻压来驱动切削块，确保连续的足尺寸井眼；停泵后切削块缩回。

3) 强制收回。如果扩孔刀翼沿斜轨道退回遇阻，可以通过投球进行蹩压，强行将扩孔刀翼推回，以便起钻，保证了扩孔作业的安全。

4) 双向扩孔。扩孔器刀翼(如图3)上下两个冠面上均布有PDC齿[11]，不仅可以正向扩孔，同时也能进行倒扩孔，适合在膏盐地层缩经时反复划眼。液压式驱动的特点决定了在倒扩孔时只要排量不变，扩孔工具就能稳定地进行倒扩孔(这点与钻压驱动式不同)。

图3 扩孔器刀翼

3 本体强度校核

对于所有的井下工具来说，井下安全使用是至关重要的一环，因此，利用有限元方法从两方面对最大外径ø203 mm的液压控制式随钻扩孔工具本体强度进行校核。验证工具在转矩作用下问题屈服强度是否满足要求；及本体的变形引起刀翼收回问题。

材料基本参数为：弹性模量2.16×1011Pa；泊松比0.3；抗拉强度980 MPa；屈服强度835 MPa。钻杆最大抗扭强度36 170 N·m，因此，选用最大转矩为40 000 N·m。选择5～40 kN·m中5个不同数值进行计算。网格划分如图4。

图4 扩孔工具本体网格划分

等效应力云图(采用第四强度准则[12-14])如图5。计算结果如图6～7。

图5 本体等效应力云图(转矩3 000 N·m)

图6 本体最大变形量随转矩变化

图7 本体最大等效应力随转矩变化

由等效应力云图可知，本体开孔位置的等效应力相对较高，但绝对值较低，不同转矩时的应力值如表1。当转矩高达40 kN·m时，其最大等效应力仅为10.6 MPa，远远低于材料的屈服极限835 MPa，强度满足要求。对应的该转矩作用下本体的变形量虽达到0.43 mm，但也不会造成工具刀翼收回困难。

表1 扩孔工具本体强度校核结果

4 水力参数计算

液压控制式随钻扩孔工具主要通过地面调节泵排量来控制刀翼的收放。在不同的工况条件下其工作排量是不一样的，它受到井深、额定泵压、钻头喷嘴大小、扩孔工具喷嘴大小、泥浆性能等多种因素控制，现场使用时必须要根据实际情况计算扩孔器工作参数[15]。因此，以上述最大外径ø203 mm的扩孔器为基础，下入井深1 000 m的直井为例进行开展水力学设计，具体参数如表2。

表2 随钻扩孔器水力学计算基本参数

钻具组合为：ø215.9 mm钻头+ø215.9 mm×241.3 mm扩孔工具+ø159 mm钻铤9根+ø127 mm钻杆。

根据设计要求，剪断销钉需要3 MPa的压差，经过计算需要31 L/s排量，此时泵压为7 MPa没有超过额定泵压。

当刀翼完全打开后，此时有六个喷嘴共同工作(钻头和扩孔工具上各三个)，要保证1.5 MPa的压差才能稳定住刀翼，经过计算需要33 L/s的排量才能满足要求，此时的泵压为5.86 MPa，没有超过额定泵压，完全满足施工要求。

5 结论

1) 通过井深1 000 m的水力学计算，工具在33 L/s的排量和泄压时能实现刀翼收放，操作简单，可控性强，扩孔动作持续可靠。

2) 刀翼冠部上下布有PDC齿，实现了双向扩孔功能。

3) 转矩40 kN·m时，工具最大等效应10.6 MPa，变形量0.43 mm，强度满足要求，安全可靠。