智能導向工具彈簧復位板設計及性能測試

趙洪巖

（1.中國石油集團測井有限公司<旋轉導向集中研發項目組>, 北京 100201；2.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院, 黑龍江大慶 163413）

智能導向工具是在鉆具在全旋轉狀態下鉆進時進行井眼軌道實時導向的一種先進的鉆井工具, 自問世以來在全世界范圍內進行了廣泛的應用, 實現了鉆井技術的騰飛。與常規螺桿+LWD導向鉆進相比, 智能導向鉆進時具有摩阻小、機械鉆速高、井眼凈化效果好、軌道控制精度高、位移延伸能力強等許多優點, 因此被認為是現代導向鉆井技術的發展方向[1]。

導向控制機構作為智能導向工具內的重要組成部分, 包括芯軸、電子倉組件、導向機構本體、液壓模塊、肋板、彈簧復位板、泥漿軸承和下接頭組件, 在智能導向工具現場施工中起著至關重要的作用。彈簧復位板的作用在于當液壓模塊活塞從支撐井壁狀態收回的時候, 依靠彈簧復位板的彈力將肋板從支撐井壁狀態收回到導向控制機構內, 否則就會刮蹭井壁和破壞井眼, 影響導向效果。故需要設計出的彈簧復位板能夠滿足快速將肋板收回。采用專門設計的測試平臺上進行了多次試驗數據驗證, 篩選出了符合設計要求的彈簧復位板, 完全滿足智能導向工具的使用要求。

1 彈簧復位板剛度設計

1.1 彈簧復位板受力與變形分析

智能導向系統在進行導向作業施工時, 液壓模塊活塞處于伸出狀態, 彈簧復位板的上部由兩個M8螺栓固定, 彈簧復位板的下端尖頭深入到液壓模塊活塞的下部, 肋板在伸出前, 彈簧復位板已經處于受力狀態。當液壓模塊活塞收回時, 彈簧復位板需要有足夠的彈力將肋板拉回導向控制機構內。彈簧復位板如圖1所示；彈簧復位板安裝限位圖如圖2所示[2]。

圖1 彈簧復位板

圖2 彈簧復位板安裝限位圖

1.2 力學模型

分析彈簧復位時, 采取如下假設：

(1)彈簧復位板和肋板之間剛性連接；

(2)彈簧復位板螺紋處端面無變形。

圖3是簡化的力學模型。模型中將整個結構簡化為一端固定, 另外一端自由。液壓模塊活塞未伸出時, 彈簧復位板已處于受力狀態, 產生的撓度變形S為L1, 靠此力將伸縮肋板回收到不旋轉外套上。液壓模塊活塞伸出位移最大為L2, 彈簧片的最大允許撓度變形S為L3。因此, 彈簧復位板力學性能要求：彈簧復位板螺紋孔端固定, 另一端受力產生彎曲, 活塞運動到最大位移后, 彈簧復位板仍能夠恢復形變, 即在彈簧復位板彈性范圍之內, 此類彈簧復位板才能滿足性能要求。

圖3 彈簧復位板受力圖

也就是說, 必須保證：

2 彈簧復位板力學性能實驗分析

2.1 性能測試裝置

彈簧復位板測試平臺如圖4所示, 通過2個M8的螺栓將彈簧復位板固定在測試平臺的固定工裝上, 以此來模擬彈簧復位板與肋板的固定關系, 并用2個M8的螺栓將固定工裝和測試平臺固定, 以使彈簧復位板右端位于測試平臺上的壓力傳感器的垂直下方。壓力傳感器下移的距離、以及彈簧復位板的反作用力可以在監測工控機中準確顯示。

圖4 彈簧復位板測試平臺圖

2.2 彈簧復位板性能測試數據分析

A廠家第一批次加工20件彈簧復位板（M6M8兩種規格各加工10件）, 材料：65Mn, 按硬度HRC 60熱處理, 熱處理工藝：800℃保溫1h, 油淬, 在350℃回火, 硬度HRC在60左右。

抽取其中任意兩件彈簧復位板經過測試平臺測試后, 測試數據如圖5和圖6所示。橫坐標為彈簧復位板撓度值, 縱坐標為壓力值。其中Ⅱ線為實際測量值, Ⅰ線為直線標定線。

圖5 A彈簧復位板測試數據圖

圖6 B彈簧復位板測試數據圖

從以上兩個圖中可以看出, 當撓度在16mm以內時, 實測力位移曲線與直線標定線幾乎重合, 彈簧復位板在彈性范圍之內, 當超過16mm后, 彈簧復位板產生塑性變形。

彈簧復位板彎曲變形對比圖見圖7, 左側為經過測試平臺測試過的彈簧復位板, 右側為未經過測試平臺測試過的彈簧復位板。從圖7中非常明顯地可以看到A彈簧復位板變形量非常大, 已經產生塑性變形。

圖7 彈簧復位板彎曲變形對比圖

A廠家第二批次加工5件彈簧復位板, 材料：65Mn, 按硬度HRC64熱處理, 65Mn彈簧復位板熱處理工藝：800℃保溫1h, 油淬, 在370℃回火, 硬度HRC在64左右[3]。

抽取其中任意兩件彈簧復位板經過測試平臺測試后, 三件均不合格。其中一件在形變14mm時發生斷裂, 另外兩件發生塑性變形。如圖8、圖9所示。

圖8 彈簧復位板斷裂圖

A廠家第三批次加工10件彈簧復位板, 材料：65Mn按硬度HRC55熱處理, 65 Mn彈簧復位板熱處理工藝：850℃保溫1h, 油淬, 在360℃回火, 硬度HRC在55左右[4]。

圖9 斷裂彈簧復位板測試數據表

抽取其中任意三件彈簧復位板經過測試平臺測試后, 產生最大撓度22mm后, 撤去外力后彈簧復位板變形量很小, 彈簧復位板在彈性變形區域, 初步滿足了設計要求。如圖10所示。

圖10 彈簧復位板測試數據表

3 結論

（1）將彈簧復位板的受力簡化為力—位移關系。

（2）測試平臺試驗表明, 在彈簧復位板材質65Mn不變得前提下, 不同的熱處理條件下, 彈簧復位板的力學性能變化很大。因此, 熱處理是決定彈簧復位板力學性能的重要因素。