井下可控變徑穩定器工作機理及力學探討

萬教育，丁紅，易超，袁瑞剛，尹永清

（1.中國石油集團西部鉆探定向井技術服務公司，新疆 烏魯木齊 830026；2.奧瑞拓能源科技股份有限公司，河北 廊坊 065000）

石油鉆井的井眼控制是一個技術難題。傳統的固定穩定器，必須在起鉆或停鉆時才能更換，一方面，會刮擦井壁，出現拔活塞現象；另一方面，會降低鉆進效率，甚至引起井塌、井噴等事故。為了解決這一問題，將可控變徑穩定器用在定向造斜、直徑防斜中，可明顯縮短鉆井時間。然而，目前可控變徑穩定器因結構復雜、成本較高，并未在國內大范圍推廣，進行結構和性能上的改進，成為今后生產企業的一個關注重點。

1 可控變徑穩定器的工作機理

1.1 結構組成

如下圖1，是可控變徑穩定器的組成結構，其中數字對應的各部件是：1是殼體，2是導流套筒，3是上復位彈簧，4是彈簧座，5是導向體，6是支撐塊，7是下復位彈簧，8是活塞，9是過濾網，10是節流套筒，11是接頭。從位置關系看，殼體和接頭在外邊，其余部件在殼體里邊；從外觀來看，殼體表面有螺旋式翼面，且上端和下端均有螺紋。

1.2 工作機理

井下作業時，根據泵壓大小決定著該穩定器是否變徑。

（1）變徑機理。泥漿泵正常運行時，漿液經過連接頭，在節流作用下導致液壓變大，這個壓力會推動節流套筒向上運動，繼而帶動導向體、支撐塊同方向運動。支撐塊的運動，是在滑軌上完成的，滑軌在滑動過程中，支撐塊發生徑向伸縮，就會從殼體孔內推出。隨著外徑不斷增大，當支撐塊全部推出，導向體上端到達殼體限位臺肩處，導向體就不能繼續向上運動了。

（2）恢復機理。導向體向上運動，此時，復位彈簧處于壓縮狀態。當泥漿泵停止運行，泵壓開始降低，此時，復位彈簧沒有了作用力，就開始恢復壓縮形變。與此同時，導向體、節流套筒均向下運動，支撐塊收縮殼體孔內，最終回到初始位置，整個變徑過程結束。

2 可控變徑穩定器關鍵部件的安全性分析

2.1 殼體安全性分析

該穩定器的殼體上，共有6個開孔。在井下實際使用時，穩定器上端和柔性鉆鋌連接，下端和鉆頭連接，殼體會和井壁發生碰撞，拉力和扭力符合載荷均由殼體承受。為了評價殼體的安全性，使用ANASY軟件對軸向載荷、扭矩耦合下的殼體應力進行分析。其中，殼體材料采用40 CRNiMo，屈服強度為930MPa；扭矩取20000N·m時，計算軸向載荷的影響；軸向載荷取350000N時，計算扭矩的影響。

結果顯示，殼體應力主要有三處：一是開槽口的弧形過渡部位，二是螺旋帶開槽口的兩端，三是螺旋槽對應的開槽部位。隨著軸向載荷變化、扭矩變化，殼體應力也發生變化，如圖2。可見，當扭矩為40000N·m時，此時，殼體開槽口弧形過渡部位的應力最大約為440MPa。相比930MPa的屈服強度，可見安全系數較高（2.11＞1），說明殼體的安全性滿足實際作業要求。

2.2 彈簧座銷安全性分析

彈簧座銷的作用，是在殼體上固定彈簧座的位置，穩定器在工作過程中，座銷會承受彈簧壓縮產生的載荷。為了評價座銷的安全性，使用ANASY軟件分析在惡劣工況下座銷應力進行分析。其中，座銷受力時，殼體下端是固定的，彈簧座上方受到彈簧產生的彈力，座銷和殼體、彈簧座相接觸，承受的軸向剪切載荷最大值為200000N，座銷的屈服強度為900MPa。

結果顯示，座銷受到200000N的軸向剪切載荷時，應力最大值約為350MPa，如下圖3。相比900MPa的屈服強度，可見安全系數較高（2.57＞1），說明彈簧座銷的安全性滿足實際作業要求。

2.3 過流壓降分析

井下作業時，鉆井液流經節流套筒會產生壓力差，這個壓力差會帶動導向體和支撐塊運動，促使穩定期的直徑大小改變。鉆井液流經節流套筒時，其流速并不是均勻固定的，一旦發生變化就會引起流體壓降，經能量轉化促使導向體運動的作用力會變化，按照設計要求壓力差控制在0.5～2.0MPa。為了評價鉆井液流速變化對壓力差的影響，進行仿真分析。其中，穩定器分為三種工位：一是支撐塊收縮，二是支撐塊和工具外徑相等，三是支撐塊完全伸出；入口流量為40～70L/s；出口相對壓力設置為0。

結果顯示，該穩定器處于第2種工位、鉆井液流量為70L/s時，壓力差達到最大值為1.95MPa，如下圖4。相比最大壓力差設計值2.0MPa，可見安全系數較高（1.02＞1），說明該穩定器在各種狀態下，過流壓降均滿足設計要求。

圖4 不同工位鉆井液流量對壓力差的影響

3 可控變徑穩定器常用的下部鉆具組合

該穩定器可在水平井段、大位移井段、造斜井段應用；在定向井中，配套使用螺桿鉆具、防磨工具等，可以提高鉆進效率，縮短工作時間。以φ216mm的井眼為例，第一，如果是水平井或定向井，可用的鉆具組合方案是：φ216mmPDC鉆頭+直螺桿（或單彎螺桿）+φ158.8mm無磁鉆鋌+φ216mm變徑穩定器+φ158.8mm鉆鋌+φ127mm加重鉆桿+φ127mm鉆桿。第二，如果是直井防斜，可用的鉆具組合方案是：φ216mm牙輪鉆頭+φ216mm變徑穩定器+158.8mm無磁鉆鋌+φ158.8mm鉆鋌+φ127mm鉆桿。

4 實例應用

以KJW-310型可控變徑穩定器為例，在工作運行中，沒有采用鉆研驅動、排量鎖定、電控變徑等方式，而是通過井口投球、開泵憋壓促使穩定器的外徑改變。其技術參數如下：工作外徑為290～310mm，工作長度為370mm，兩端外徑為203mm，總長度為2465mm；變徑方式是井口投球4×φ45mm，單泵憋壓流量≥25L/s；適用于311mm的井眼。

4.1 技術特點

KJW-310型可控變徑穩定器的技術特點是：

（1）使用棱塊進行伸縮，能增加支撐面積，提高支撐效果。

（2）投球憋壓時，隨著泵壓增高，棱塊到位并鎖定；隨著泵壓降低，棱塊恢復原始狀態，在地面能及時了解棱塊的工作情況。

（3）相比于電控變徑、排量鎖定等方式，投球封堵的驅動力大，鎖定更加可靠。

（4）穩定器的整體結構簡單，除了活塞上的螺旋槽需要數控機床加工，其余部件容易制造，具有成本低、組裝方便的優點。

（5）實際應用時方便操作，容易大范圍推廣。

4.2 試驗情況

KJW-310可控變徑穩定器在投入使用前，按照規范進行密封、室內模擬、地面井口試驗等。結果如下：

（1）密封試驗中，液壓油設置為20MPa，壓力穩定15min后，穩定器沒有出現泄漏現象。

（2）室內模擬試驗中，使用液壓機代替鉆井液產生推動力，結果顯示棱塊能靈活伸縮、鎖定可靠，推力約為11.8kN，和設計值相近。

5 結語

綜上所述，在石油鉆井施工中，將可控變徑穩定器用于井眼控制可以加快效率、保證質量。本文從殼體、彈簧座銷、過流壓降三個方面，對工作安全性進行分析，結果證明，均滿足安全生產要求。以KJW-310型可控變徑穩定器為例，井下實際應用時不論是增斜、穩斜還是降斜，經監測證實井身結構和設計基本一致，可在井下作業中大力推廣。