井下可控变径稳定器工作机理及力学探讨

万教育，丁红，易超，袁瑞刚，尹永清

（1.中国石油集团西部钻探定向井技术服务公司，新疆 乌鲁木齐 830026；2.奥瑞拓能源科技股份有限公司，河北 廊坊 065000）

石油钻井的井眼控制是一个技术难题。传统的固定稳定器，必须在起钻或停钻时才能更换，一方面，会刮擦井壁，出现拔活塞现象；另一方面，会降低钻进效率，甚至引起井塌、井喷等事故。为了解决这一问题，将可控变径稳定器用在定向造斜、直径防斜中，可明显缩短钻井时间。然而，目前可控变径稳定器因结构复杂、成本较高，并未在国内大范围推广，进行结构和性能上的改进，成为今后生产企业的一个关注重点。

1 可控变径稳定器的工作机理

1.1 结构组成

如下图1，是可控变径稳定器的组成结构，其中数字对应的各部件是：1是壳体，2是导流套筒，3是上复位弹簧，4是弹簧座，5是导向体，6是支撑块，7是下复位弹簧，8是活塞，9是过滤网，10是节流套筒，11是接头。从位置关系看，壳体和接头在外边，其余部件在壳体里边；从外观来看，壳体表面有螺旋式翼面，且上端和下端均有螺纹。

1.2 工作机理

井下作业时，根据泵压大小决定着该稳定器是否变径。

（1）变径机理。泥浆泵正常运行时，浆液经过连接头，在节流作用下导致液压变大，这个压力会推动节流套筒向上运动，继而带动导向体、支撑块同方向运动。支撑块的运动，是在滑轨上完成的，滑轨在滑动过程中，支撑块发生径向伸缩，就会从壳体孔内推出。随着外径不断增大，当支撑块全部推出，导向体上端到达壳体限位台肩处，导向体就不能继续向上运动了。

（2）恢复机理。导向体向上运动，此时，复位弹簧处于压缩状态。当泥浆泵停止运行，泵压开始降低，此时，复位弹簧没有了作用力，就开始恢复压缩形变。与此同时，导向体、节流套筒均向下运动，支撑块收缩壳体孔内，最终回到初始位置，整个变径过程结束。

2 可控变径稳定器关键部件的安全性分析

2.1 壳体安全性分析

该稳定器的壳体上，共有6个开孔。在井下实际使用时，稳定器上端和柔性钻铤连接，下端和钻头连接，壳体会和井壁发生碰撞，拉力和扭力符合载荷均由壳体承受。为了评价壳体的安全性，使用ANASY软件对轴向载荷、扭矩耦合下的壳体应力进行分析。其中，壳体材料采用40 CRNiMo，屈服强度为930MPa；扭矩取20000N·m时，计算轴向载荷的影响；轴向载荷取350000N时，计算扭矩的影响。

结果显示，壳体应力主要有三处：一是开槽口的弧形过渡部位，二是螺旋带开槽口的两端，三是螺旋槽对应的开槽部位。随着轴向载荷变化、扭矩变化，壳体应力也发生变化，如图2。可见，当扭矩为40000N·m时，此时，壳体开槽口弧形过渡部位的应力最大约为440MPa。相比930MPa的屈服强度，可见安全系数较高（2.11＞1），说明壳体的安全性满足实际作业要求。

2.2 弹簧座销安全性分析

弹簧座销的作用，是在壳体上固定弹簧座的位置，稳定器在工作过程中，座销会承受弹簧压缩产生的载荷。为了评价座销的安全性，使用ANASY软件分析在恶劣工况下座销应力进行分析。其中，座销受力时，壳体下端是固定的，弹簧座上方受到弹簧产生的弹力，座销和壳体、弹簧座相接触，承受的轴向剪切载荷最大值为200000N，座销的屈服强度为900MPa。

结果显示，座销受到200000N的轴向剪切载荷时，应力最大值约为350MPa，如下图3。相比900MPa的屈服强度，可见安全系数较高（2.57＞1），说明弹簧座销的安全性满足实际作业要求。

2.3 过流压降分析

井下作业时，钻井液流经节流套筒会产生压力差，这个压力差会带动导向体和支撑块运动，促使稳定期的直径大小改变。钻井液流经节流套筒时，其流速并不是均匀固定的，一旦发生变化就会引起流体压降，经能量转化促使导向体运动的作用力会变化，按照设计要求压力差控制在0.5～2.0MPa。为了评价钻井液流速变化对压力差的影响，进行仿真分析。其中，稳定器分为三种工位：一是支撑块收缩，二是支撑块和工具外径相等，三是支撑块完全伸出；入口流量为40～70L/s；出口相对压力设置为0。

结果显示，该稳定器处于第2种工位、钻井液流量为70L/s时，压力差达到最大值为1.95MPa，如下图4。相比最大压力差设计值2.0MPa，可见安全系数较高（1.02＞1），说明该稳定器在各种状态下，过流压降均满足设计要求。

图4 不同工位钻井液流量对压力差的影响

3 可控变径稳定器常用的下部钻具组合

该稳定器可在水平井段、大位移井段、造斜井段应用；在定向井中，配套使用螺杆钻具、防磨工具等，可以提高钻进效率，缩短工作时间。以φ216mm的井眼为例，第一，如果是水平井或定向井，可用的钻具组合方案是：φ216mmPDC钻头+直螺杆（或单弯螺杆）+φ158.8mm无磁钻铤+φ216mm变径稳定器+φ158.8mm钻铤+φ127mm加重钻杆+φ127mm钻杆。第二，如果是直井防斜，可用的钻具组合方案是：φ216mm牙轮钻头+φ216mm变径稳定器+158.8mm无磁钻铤+φ158.8mm钻铤+φ127mm钻杆。

4 实例应用

以KJW-310型可控变径稳定器为例，在工作运行中，没有采用钻研驱动、排量锁定、电控变径等方式，而是通过井口投球、开泵憋压促使稳定器的外径改变。其技术参数如下：工作外径为290～310mm，工作长度为370mm，两端外径为203mm，总长度为2465mm；变径方式是井口投球4×φ45mm，单泵憋压流量≥25L/s；适用于311mm的井眼。

4.1 技术特点

KJW-310型可控变径稳定器的技术特点是：

（1）使用棱块进行伸缩，能增加支撑面积，提高支撑效果。

（2）投球憋压时，随着泵压增高，棱块到位并锁定；随着泵压降低，棱块恢复原始状态，在地面能及时了解棱块的工作情况。

（3）相比于电控变径、排量锁定等方式，投球封堵的驱动力大，锁定更加可靠。

（4）稳定器的整体结构简单，除了活塞上的螺旋槽需要数控机床加工，其余部件容易制造，具有成本低、组装方便的优点。

（5）实际应用时方便操作，容易大范围推广。

4.2 试验情况

KJW-310可控变径稳定器在投入使用前，按照规范进行密封、室内模拟、地面井口试验等。结果如下：

（1）密封试验中，液压油设置为20MPa，压力稳定15min后，稳定器没有出现泄漏现象。

（2）室内模拟试验中，使用液压机代替钻井液产生推动力，结果显示棱块能灵活伸缩、锁定可靠，推力约为11.8kN，和设计值相近。

5 结语

综上所述，在石油钻井施工中，将可控变径稳定器用于井眼控制可以加快效率、保证质量。本文从壳体、弹簧座销、过流压降三个方面，对工作安全性进行分析，结果证明，均满足安全生产要求。以KJW-310型可控变径稳定器为例，井下实际应用时不论是增斜、稳斜还是降斜，经监测证实井身结构和设计基本一致，可在井下作业中大力推广。