变径稳定器的研制与应用

杨 勇

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆 163413）

1 国内技术现状

1.1 遥控型正排量变径稳定器

由中国石油勘探开发科学研究院研制，该工具在秦皇岛QH32 井进行了现场试验，进尺1224m，工作时间91h。工具尺寸为∅288～∅311mm，仅适用于9-1/2″井眼，不适用于8-1/2″井眼；此外，该工具没有设计示位机构，不利于现场使用。

1.2 排量控制式变径稳定器

由苏义脑等人研制，通过改变钻井泵排量，节流嘴产生压降，使井下变径稳定器主轴下行,当主轴上下移动时，主轴旋转一定角度进入不同的槽，控制活塞伸缩，达到改变稳定器外径的目的。工具变径时需要旋转主轴，结构复杂，不利于灵活换位。

1.3 投球触控式可控变径稳定器

大港钻采工艺研究院研制的投球触控式可控变径稳定器，采用投球开泵憋压的原理。

工具内部设计有球笼，每次变径需要卸开钻柱向钻柱内投入球，开泵循环到球笼处，实现工具的动作，该套工具的现场使用工艺复杂，由于采用投球的方式变径，工具变径的次数受限，难以满足现场需求。

1.4 下压钻柱触控式变径稳定器

华北钻井研究院设计，采用芯轴上下移动推动芯轴锥形面使工具变径的原理，该工具的变径需要芯轴的上下移动，工具内部设计有芯轴锥形面，每个芯轴锥形面对应有活塞，当需要活塞伸出时，下压钻柱使芯轴压缩下弹簧，斜面体上行，推动活塞伸出；工具现场操作复杂，未见推广使用报道。

1.5 弹簧凸轮筒组合式变径稳定器

胜利油田恒昌石油科技有限责任公司研制，在新疆吐哈油田应用，能够适应于钻井增斜、降斜的工艺要求，满足现场使用。工具设计有斜面体，斜面体随芯轴下行，推动活塞伸出本体，实现工具变径。当停泵后复位弹簧复位，芯轴上行带动斜面体上行，活塞收回。每次芯轴下行，随芯轴一起下行的凸轮筒旋转一定角度，安装于本体的定位销沿凸轮筒上的滑槽滑动，通过垂直方向滑动距离的不同，控制芯轴下行距离的不同，芯轴下行距离长，活塞伸出，芯轴下行距离短，活塞不伸出。

通过该工具斜面体在钻进时既承受强烈的撞击力和剪切力，又承受工具由内向外的液压力，一旦螺栓松动滑脱，整个活塞支撑头总成将脱落，不但会造成落物卡钻，还会使泥浆循环短路造成钻头提前报废或沉砂卡钻，后果比较严重。

2 变径控制方式的选择

目前变径稳定器按遥控方式分为:钻井液排量控制法、投球控制法、钻压控制法和电控法。排量控制法是通过加大钻井泵的排量来控制井下钻井工具的状态，现场需要双泵增加排量；投球控制法通过向钻杆内投球来遥控井下工具状态，准确率高、操作简单。但由于工具内部结构限制，投球的数量受限，使变径次数有限；钻压控制法是通过提压钻柱来遥控稳定器的外径尺寸，可靠性高，但现场工艺操作复杂；电控法是通过传感器及伺服机构等实现自动控制，国外产品采用，技术水平高，安全可靠。但工具成本昂贵，研制难度大。

综上，通过各种方法的比较，采用排量控制法，可通过钻井泵的开关和排量，控制井下变径稳定器的工作状态切换，现场工艺更加方便、安全可靠。

3 变径稳定器设计及计算

3.1 基本结构及技术参数

如图1 所示，变径稳定器包括：上接头、本体、节流及示位机构、复位弹簧及内扶正、芯轴、斜面体、活塞、重力弹簧机构、控制机构、平衡活塞和下接头等零件。变径稳定器有效长度2.67m，重量500kg。适用于8-1/2″(∅215.9mm)井眼，本体直径178mm。芯轴直径45mm,活塞伸出工具以后外径为214mm,缩回工具后外径为200mm。

图1 变径稳定器结构图

3.2 工具原理

工具本体设计有3个螺旋翼带，每个翼上设计有4个活塞；活塞由斜面体推出和拉回，如图2所示，斜面体下行推动活塞伸出到本体外，工具为大径状态；当斜面体上行时，由于斜面体与活塞通过燕尾槽结构连接，斜面体将活塞拉回到本体内部。变径稳定器的变径控制即是控制斜面体下行的距离，斜面体下行距离大活塞的伸出的长度越大。

图2 活塞收回时节流及示位机构位置图

3.3 本体设计

本体上部连接上接头，下部连接下接头，内部安装芯部总成，本体上设计有3个螺旋翼带，每个螺旋翼带上开有4个活塞孔，此外本体上还开有注油孔，用于向工具内注液压油，另开有环空孔，可将环空压力引入工具内部形成压差，推动工具变径。

其两端NC50 钻杆扣满足GB/T 9253.1-1999《石油钻杆接头螺纹》标准，外径为∅177.8mm，内径为∅105mm，材料为40CrMnMo，机械性能满足钻井要求。活塞孔直径为∅60mm。

3.4 节流及示位机构设计

如图2 所示，当活塞收回时，节流体下部的圆柱伸入到示位体内部，钻井液从圆柱与示位体间的环隙通过时产生节流压差；当活塞收回时，节流体下部的圆柱没有伸入到示位体内部，钻井液通过环隙面积增大，节流及示位机构产生压差较小。通过产生的节流压差的大小，判断井下变径稳定器井下工作状态。

3.5 芯轴设计

芯轴上部设计M60X3 直螺纹，与示位体连接；芯轴下部加工有弹子环槽与旋转体通过20 个直径为∅10mm的弹子连接，使旋转体与芯轴一起上行和下行且可以自由旋转，完成工具换位。

芯轴外径为∅60mm，弹子环槽处外径为∅70mm，内径为∅45mm，钻井液通过芯轴内孔流过变径稳定器达下部钻具。

3.6 复位弹簧及内扶正机构设计

当开泵时，压缩复位弹簧，芯轴下行带动下部斜面体和活塞动作、控制机构动作，完成变径的功能；当停泵时，工具内外压力平衡，压缩的复位弹簧回弹复位，带动芯轴上行，使活塞收回，变径稳定器复位。

复位弹簧上端压在示位体下部，下端压在弹簧座上，而弹簧座固定在本体上，使复位弹簧受压缩时始终对示位体有向上的回弹力。

由于工具内部尺寸限制，复位弹簧的工作空间仅在∅105mm 与∅70mm 之间环腔内，限制了弹簧的中径和截面直径。此外，变径稳定器活塞回位及工具的复位都要求复位弹簧的回弹力较大。通过优化设计，确定了复位弹簧的设计参数：

弹簧中径D=90mm；

材料直径d=14mm；

弹簧自由高度H=600mm；

有效圈数n=8。

3.7 斜面体及活塞设计

斜面体随芯轴下行时，安装在本体螺旋翼上的12个活塞在斜面体上滑动，活塞伸出到本体外，使变径稳定器从∅200mm 变径到∅214mm，实现工具的变径；当停泵后，复位弹簧拉动芯轴上行，斜面体随芯轴上行，将活塞通过燕尾槽结构拉入到本体内，变径稳定器从∅214mm变径到∅200mm。

如图3 所示，变径稳定器设计有3 个螺旋翼带，每个螺旋翼带上布置4个活塞，周向每3个活塞对应一个斜面体，斜面体设计有3 个斜面，每个斜面安装1 个活塞，并且活塞与斜面体间接触面设计成燕尾槽结构，便于活塞收回。

图3 斜面体及活塞结构图

12个活塞尺寸为∅60mm，每个活塞上装有O型密封圈。

3.8 控制机构设计

新型控制机构为周向齿轮机构，第一次开泵后，旋转体（如图4所示）随芯轴下行一次，下行后旋转体与限位体上的浅槽接触，芯轴不能下行，此时芯轴下行距离最短，活塞不伸出；当停泵后复位弹簧回弹带动芯轴上行，旋转体随芯轴上行与上部的换位体的螺旋面接触，并旋转到下一工作位置，当再次开泵，芯轴下行，旋转体深入到限位体的深槽处，此时芯轴下行距离最大，活塞伸出；当再次停泵后，旋转体上行再次切换到浅槽位置，以此类推，每开2次泵即回到浅槽位置，实现变径稳定器工作状态的切换。

图4 旋转体位于浅槽处结构图

换位体设计4 个螺旋面，螺旋线高度40mm，螺距3000mm，起始角260°，逆时针；旋转体上部4 个螺旋面的设计参数与换位体的4个螺旋面一致，旋转体下部设计成2 个螺旋翼，其参数为螺旋线高度70mm，螺距400mm，起始角0°，顺时针；限位体上部设计有2个深槽和2 个浅槽，两槽深度差30mm，螺旋线参数与旋转体下部的螺旋线一致。

3.9 变径稳定器计算

（1）本体力学校核。本体既受轴向力又承受周向扭矩的作用，根据《材料力学》强度理论，使用第一强度理论校核：本体通过校核满足要求。

（2）示位机构压差计算。根据钻头水力计算标准SY/T 5234-91《喷射钻井水力参数计算方法》，编程实现了常规水力的计算，包括钻头压降、当量直径、管内压耗、环空压耗、地面压耗、喷射速度等常规的数据计算，应用主要计算公式如下：

水眼截流面积：

水眼当量直径：

总液流面积：

喷嘴出流速度：

液流冲击力：

压降：

单位面积水功率：

式中：n——水眼个数；

AJn——第n个水眼截流面积，mm2；

dn——第n个水眼直径，mm；

de——当量直径，mm；

Q——排量，L/s；

ρm——泥浆密度，kg/m3。

活塞外径D=108mm，活塞内径d=45mm；示位芯直径dn=35mm。

塞住时最小过流面积：

产生压降：

式中：Q——排量，初步定为30L/s；

ρm——钻井液密度，取1.2g/mm2；

计算得pb=1.517MPa，满足设计要求。

（3）复位弹簧力学计算。根据《机械设计手册》第3卷的26-11计算弹簧：

式中：τ——切应力，MPa；

τp——许用切应力，MPa；

F——弹簧的工作载荷，N；

f——工作载荷下的变形量，mm；

k——弹簧刚度，N/mm；

U——弹簧变形能，N·mm；

d——材料直径，mm；

D——弹簧中径，mm；

C——旋绕比，

K——曲度系数，由计算；

n——弹簧的有效圈数；

G——切变模量，MPa。

由上述公式可导出计算材料直径的公式：

计算弹簧有效圈数的公式：

由上选取弹簧中径D=90mm ，材料直径d=14mm，弹簧自由高度H=600mm，弹簧切变模量G=79MPa ，有效圈数n=8，旋绕比C=6.4，根据公式（10）得弹簧刚度k=65.05kN/m，根据虎克定律得初始弹簧压缩力F=8456N，满足设计要求。

4 现场应用

高8-33-平5 井现场试验。变径稳定器安装钻具组合为：∅215mmPDC 钻头×0.43m+1°螺杆×7.95m+变径稳定器×2.67m+LWD×12.69m+MHWDP×9.18m+∅127mm钻杆。

变径稳定器在井口处进行了打压，验证变径稳定器是否动作。开关钻井泵4次，活塞伸出和收回动作正常，活塞收回时泵压6.8MPa，活塞伸出时泵压6.5MPa，压差显示0.3MPa，其活塞伸缩情况如图5 所示。

图5 小径状态活塞收回大径状态活塞伸出

地面接收记录仪能够准确测量泵压值，仪器工作正常。变径稳定器使用井段为1438～1766m；钻压6～8t；钻井液密度1.15g/cm3；漏斗粘度49s；排量30L/s；变径稳定器井下累计工作时间71h；工具变径动作正常，活塞伸出7mm和0mm两个工作位置，换位顺畅，活塞伸出后降斜率较大为0.9°/单根；工具示位压差0.3～0.6MPa，通过钻井泵压表和LWD 压力传感器可以判断井下工具工作状态。

5 结论和认识

（1）设计了周向旋转曲面轴向阶梯式换位控制机构，通过开关钻井泵即可实现变径稳定器大径和小径之间的切换控制，结构简单、换位顺畅；

（2）变径稳定器可不起钻控制井斜变化，实现了水平井水平段降斜工艺要求，减少定向时间，有利于水平井轨迹控制。降低钻井成本。具有广泛的应用前景和较好的经济效益。