多功能仪器杆自锁打捞短节的研制

摘 要 可打捞随钻测斜仪器，由于下钻可能被钻井液顶起脱键，而往往在仪器下方加一个单向阀，但有时定向接头与无磁钻铤连接处因为井下复杂的工作环境可能出现连接扣断裂或脱扣的问题，造成仪器落入环空很难打捞，从而带来资源浪费。另外，在水平井段，由于经常开泵、停泵、活动钻具，仪器也会脱键， 有可能造成重大失误。本人就为解决这些问题研究设计了一种多功能仪器杆自锁打捞短节， 该装置将仪器自动挂在无磁钻铤内壁；能够很好地解决这些问题，具有一定的经济价值和实用价值。

关键词 可打捞随钻测斜仪 脱键 单向阀 水平井 仪器杆 自锁打捞短节

中图分类号：TE931 文献标识码：A

1问题探讨

（1）可打捞随钻测斜仪，整体结构简单，可以打捞，具有一定回避风险的能力，可是也存在着脱键等问题，笔者所在公司就长期使用单向阀，防止下钻过程中由于钻井液从钻头水眼进入钻具内，上返的压力使仪器脱键。可是，这又带来了另外的问题，一是传统的箭型单向阀寿命短，更换维修需要大量的资金，浪费了大量的人力物力；而是在下钻过程中因为单向阀的作用，需要向钻具内灌浆，给井队造成一定的麻烦和浪费很多的时间，并且在钻具上接入了更多的接头，本身也增加了一定的风险。（2）仪器虽然使用了单向阀，可是在水平段也有脱键的风险，特别是在停泵状态下，活动旋转钻具，仪器可能会脱键，有可能造成重大失误。为解决该问题国内许多单位都在研究解决这一问题的办法。（3）有人提出与定向接头连接的无磁钻铤可能出现连接扣断裂或脱扣的问题，为防止可打捞仪器落井，要仪器自动能够悬挂在无磁钻铤内壁，同时还要考虑不影响安装坐键问题，这个装置要求可靠，还能装入仪器时方便，甚至钻具在井底再下入仪器时也能可靠坐键，要求该装置既可以自锁止退、又具有自动悬挂功能，还要有可靠性，长寿命，可打捞功能。

2问题研究

2.1结构研究与设计

笔者经过细致的分析研究和计算，同时考虑解决上述三个问题，研究设计出了比较合理的、结构简单的、性能可靠的多功能仪器杆自锁打捞短节，所谓的多功能就是一种结构能够完成和解决上述存在的所有问题。结构如图1、2所示：

本结构由壳体1，斜面体2，爪块3，打捞杆4，接头5，弹簧6组成。打捞杆4与斜面体2用丝扣连接，爪块3有周向分布三块，与斜面体2通过燕尾槽或T型槽连接，当斜面体2轴向运动时，爪块3可以做径向伸缩；爪块3外表面与无磁钻铤内径圆弧吻合接触，其表面喷焊钨钢粉，或爪块直接使用钨钢制作，表面加工菱形花纹，以便与无磁钻铤内壁能够抓牢；设计弹簧6的工作弹力略小于仪器杆件的重量。

2.2锁定力的分析计算

仪器杆件重量大约按50kg计算弹簧力定为F=45kg。斜面体斜角 =60；斜面体与爪块之间的摩擦系数定为 =0.1（有钻井液）（kg）

由于固体表面的粗糙度及波纹度，使得两个固体表面总是在个别的点上发生接触。两个相互叠合的表面只是在其某些凸部发生接触，而这些凸部的总接触面积只占接触轮廓所限定的总表面面积的极小部分。随着压力增大，接触面积增大。凸部的直径几分之一微米至30～50微米（高度小于80微米）。载荷增大，各点的直径增大，随后面积的增大主要是由于接触点数目的增多。名义（几何）接触面积――由接触物体的外部尺寸描绘出来。轮廓接触面积――由物体的体积压皱所形成的面积；真实面积即轮廓接触面上；轮廓接触面积与压力载荷有关。真实（物理）接触面积――物体接触的真实微小面积总和，也是压力载荷的函数，并且在名义面积尺寸的1/100 000至1/10的范围内变化，由接触表面的机械性能及粗糙度而定。

接触点的总数目及每一个接触点的尺寸随着载荷的增大而增大，但当载荷继续增大时，接触面积的增大主要是依靠接触点的数目的增加，尺寸几乎不再变化。对于粗糙表面来说，需要耗费更大的力，使凸部变形，从而获得一定的接触面积；光滑表面，凸部变形不大时，就能获得很大的接触面积（试验知，光滑表面的接触点上的应力约为材料硬度的一半，粗糙表面的接触点应力为硬度的2-3倍）。固体的接触有弹性-塑性的特性，当除去载荷时，大部分（30～70%）的接触点依靠凸部本身的弹性而消失。由于表面粗糙度及波纹度的关系，各个凸部所受载荷不同：距离对偶表面较远的凸部所受载荷较小，反之，距离对偶表面较近的凸部所受载荷较大。事实上，非光滑表面之间的摩擦系数与接触面的粗糙度、波纹度、硬度，且与载荷等有关，硬质合金与无磁钻铤之间已经不是单纯的摩擦关系了，而是机械啮合关系，不是微切削，而是机械切削，硬质合金颗粒或刀刃吃入无磁钻铤内表面，在表面有相对运动的话，就会产生犁沟作用，出现划痕。为了计算方便，爪块与无磁钻铤内壁的（准或当量）摩擦系数可以表示为：

式中： a―粗糙峰粘附作用部分； ap―粗糙峰犁沟作用部分； d―磨损碎粒犁沟作用部分； ―静摩擦系数中粗糙峰犁沟作用所占粗糙峰作用的百分比，纯弹性接触时为 0.5，纯塑性接触时为 1。无磁钻铤材料与钨钢材料相比可作为塑性接触，应当 1我们就取最小 =1，自锁打捞短节的最小轴向锁定力为：