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摘 要：滚轮式稳定器通常应用于硬地層中的钻具组合，该工具在井下可以为钻柱提供稳定的工作环境，但现有钻柱滚轮稳定器在使用过程中，滚轮及滚轮轴使用寿命较短，滚轮档块稳定销易松脱，导致中途提前起钻，影响了钻头使用效果。本文介绍了一种新型滚轮稳定器，其滚轮槽、档块为燕尾槽互锁结构，滚轮与滚轮轴之间采用油基润滑方式，通过现场应用，滚轮稳定销没有在工作中松动落井，工具的使用寿命延长，并实现了现场检修和更换。
关键词：滚轮式 稳定器 结构 设计 应用
一、产品现状
在各种钻具组合中，稳定器是提供井眼增斜、降斜、稳斜必不可少的组件。随着深井、超深井、丛式井、水平井等现代钻井工艺的发展，各类稳定器均显示出它在钻井中的重要作用。尽管稳定器在钻井中表现出卓越的优点，但钻遇坚硬地层时，三翼螺旋稳定器保径部分不耐磨，而需要使用滚子稳定器。
虽然滚轮稳定器在钻井过程中，能有效降低钻柱摩阻，在坚硬地层中使用比三翼螺旋稳定器寿命长，但现有的滚轮稳定器中的滚子锁定装置易松脱，更有甚者锁定部件松动落井造成井下事故，同时滚轮固定螺帽与井壁直接接触，易造成螺帽变形，在井场地面检修时，无法进行正常的检修，以致不能重复入井，只能下入新的滚轮稳定器。其次是滚轮与滚轮轴为钻井液冷却和润滑，易导致滚轮卡死造成滚轮偏磨或者滚轮先期磨损，因此，滚轮稳定器的结构有待改进，提高滚轮稳定器的使用寿命。
二、滚子稳定器结构原理
滚轮稳定器为一个圆柱体上有三个直棱，且三直棱上分别装有三套滚轮和滚轮轴，当稳定器在井下随钻柱一起转动时，滚轮稳定器上的滚轮随钻柱公转的同时还进行自转，保证钻柱在转动过程中，为钻柱提供一个平稳转动的环境，减少钻头的横向震动。
1.滚轮工作段总体设计
针对滚轮稳定器工作要求，重点在原结构的基础上进行优化设计，减少固定稳销松脱并能实现滚轮的油润滑，提高滚轮的使用寿命。
稳定器三棱工作段的宽度直接影响滚轮槽的宽度和滚轮轴的直径，如果三棱过窄，滚轮槽形成的壁薄易导致槽体变形，如果减少槽体宽度，则滚轮轴直径变小，影响其轮轴的使用寿命和承载的侧向负荷。三直棱过宽，会直接影响钻井液通过环空的截面面积，增加钻井液的水力损失，不利于钻井液的循环。故三直棱的宽度需要作适当的选择，按稳定器工作段环空截面不得小于名义环空截面的80%推导，可依如下计算公式得：如图1所示。
螺旋棱梯形截面积为（60度等腰梯形）：
………………… 公式1
式中：S-单棱截面积mm
D1-稳定器工作段外径mm
D2-稳定器本体外径mm
K-系数
S=（A+B）/2*H ………………… 公式2
式中A-上棱宽mm
B-下棱宽mm
H-棱高mm
从以上公式可以计算出稳定器工作面棱宽值，能保证钻井液的正常循环，且钻井液压力与流速无异常。
即：Φ214滚轮稳定器：外径214mm；底径165mm；梯高18mm。
按公式1得：
S=1582mm2
A=78mm
图1工作段截面图
2.三直棱滚轮槽及固定方式设计
三直棱滚轮槽是确定滚轮的大小和安装方式，滚轮式稳定器又是在较为复杂的环境下工作，其结构要求整体性好，强度高且不变形等特点，因此在设计上主体为一整体结构体，其余部件均安装在主体上。
以往滚轮与滚轮轴靠螺栓将轴座固定在本体上，长时间工作螺栓松动，易造成滚轮的脱落，为此，我们在滚轮轴固定方式设计进行了改进，在主体外圆上均布有三道用于安装滚轮的燕尾槽和与之对应的燕尾固定档块，并采用档块稳钉的方式，相互制约，避免了钻井过程中产生的冲击载荷而损坏某一部件，造成滚轮及滚轴销在工作中的落井事故发生。在主体结构强度满足要求的情况下，采取等强度结构设计，力求为滚轴提供强度最大化的设计条件，提高滚轴和滚轮的使用寿命。 图2为设计完成后的滚轮槽三维图。
图2 滚轮式稳定器滚轮槽三维图
3.滚轮结构设计
滚轮是由特种合金钢制成，而且经过特殊热处理，具有较好的机械性能，即耐磨又能在钻井作业中起到一定程度的划眼作用。因此，该滚轮采用整体设计，外表面采用螺旋铣加工成滚齿状（或者镶嵌硬质合金齿），滚轮内孔加镶硬质合金轴套，保证具有较强的耐磨性，从而提高滚轮的使用寿命。图3为完成后的滚轮实物图。
图3 滚轮成品图
4.滚轮轴自润滑系统设计
根据以往钻井公司反馈滚轮与滚轮轴的失效情况，往往是滚轮轴与滚轮的内孔严重磨损或者相互卡死导致滚轮偏磨，分析主要原因是由于润滑不够。因此结合动压润滑和静压润滑原理对滚轮和滚轮轴的结构做出如图4所示。滚轮轴1和滚轮4之间通过防尘圈2和密封圈3产生一个密封油腔，滚轮轴中心为油孔与密封油腔连通。油孔内装有活塞5，活塞外部装有螺堵7。其润滑原理如下：首先外部钻井液通过螺堵7中心的小孔，施加给活塞5-定压力，使滚轮轴的油腔内的润滑油产生一定压力，当滚轮与井壁接触产生旋转时油就能被带入滚轮轴与滚轮内孔的楔形空间内，形成流体动压效应在轴与内孔之间形成稳定油膜，从而实现一定的动压润滑效应。使滚轮轴与滚轮的摩擦减至最小，延长使用寿命。
图4 滚轮自润滑系统结构图
三、现场应用情况
1.G61-14井，在井深501m开始下入滚轮稳定器，钻井至2680m起钻，钻井参数：钻压60～80kN，转速65N/min，排量30L/min，钻井液密度1.38，粘度50"，失水4.8ml，机械钻速达14.53m/h。期间起钻换钻头二次，使用时间达230h，使用效果相当好，没有出现泥包等现象，井队反映与以往的同类工具相比钻柱工作稳定，延长了钻头使用寿命，井眼轨迹与以往也顺利一些，测井证实井身质量优。 2.源1井，2012年4月28日開钻，进入81/2"井眼后，起下钻不畅，由于地层坚硬，下其它稳定器使用寿命短，为了提高钻进速度，正常加压钻进的同时，保证井深质量。2012年7月21日决定下入φ213mm 滚轮稳定器，使用井段2402-4200m，钻井液密度1.38，粘度100"，失水2.8ml。期间每次起钻换钻头进行检查，使用两至三个钻头后更换一次滚轮，每次入井使用2-3次，即500h左右更换一次滚轮，使用效果相当好，没有出现泥包等现象，深受井队欢迎。井队反映与以往的同类工具相比钻柱工作稳定，延长了钻头使用寿命，井眼轨迹与以往也顺利一些，测井证实井身质量优。
3.庆探4井使用情况2012年8月22日4：00分滚轮稳定器入井，8月27日4：30分起出，使用井段：1204.00 -2713.00米，地层：安定组、直罗组、延安组、延长组，岩性砂岩、泥岩。井眼尺寸241.3mm。使用时间106.92小时。
钻具组合：241.3BIT+630*410+178减震器+178DC*2+238稳定器+178DC*3+127/139DP。排量36-48L/s，泥浆密度1.03、1.08-1.12g/cm3安定组钻进参数：钻压40kN，转速67转/分，井段1204-1513米，井斜控制情况：1204米4.75度，1331米2.75度，1480米1.50度，1657米0度。后继钻进中将钻进参数调整为：钻压40-80kN，转速67转/分，8月27日，钻速变慢，钻到2713米起钻换钻头，井底井斜0.5度，防斜效果良好。该工具稳定器在使用过程中，摩阻正常。
四、认识与建议
1.滚轮式稳定器可以应用于常用钻具组合中，能减少轴向振动，改善钻头工作环境，在硬地层中使用寿命优于普通的三棱螺旋稳定器，节约钻井成本。
2.滚轮轴的固定采用燕尾槽互锁方式，避免滚轮从本体脱落，保证了钻井安全。
3.滚轮采用自润滑系统。与滚轮内孔之间形成稳定油膜，从而实现一定的动压润滑效应。使滚轮轴与滚轮的摩擦减至最小，避免滚轮偏磨和失效，延长使用寿命。
4.使用后的滚轮稳定器需再次入井时，必须检查无误方可再次入井。
作者简介：娄新见： 1992年毕业于中原石油学校矿机专业；现中原石油工程有限公司管具公司；工程师。
任俊： 1987年毕业于江汉技校钻井专业；现中原石油工程有限公司管具公司；高级工程师。
刘淑英：1993年毕业于天津大港石油测井专业，现中原石油工程有限公司管具公司，工程师。
参考文献
[1]兰志钢.缩径钻具稳定器的研制与应用.川庆钻探工程有限公司川西钻探钻具井控公司.《石油机械》 2011年06期.
关键词：滚轮式 稳定器 结构 设计 应用
一、产品现状
在各种钻具组合中，稳定器是提供井眼增斜、降斜、稳斜必不可少的组件。随着深井、超深井、丛式井、水平井等现代钻井工艺的发展，各类稳定器均显示出它在钻井中的重要作用。尽管稳定器在钻井中表现出卓越的优点，但钻遇坚硬地层时，三翼螺旋稳定器保径部分不耐磨，而需要使用滚子稳定器。
虽然滚轮稳定器在钻井过程中，能有效降低钻柱摩阻，在坚硬地层中使用比三翼螺旋稳定器寿命长，但现有的滚轮稳定器中的滚子锁定装置易松脱，更有甚者锁定部件松动落井造成井下事故，同时滚轮固定螺帽与井壁直接接触，易造成螺帽变形，在井场地面检修时，无法进行正常的检修，以致不能重复入井，只能下入新的滚轮稳定器。其次是滚轮与滚轮轴为钻井液冷却和润滑，易导致滚轮卡死造成滚轮偏磨或者滚轮先期磨损，因此，滚轮稳定器的结构有待改进，提高滚轮稳定器的使用寿命。
二、滚子稳定器结构原理
滚轮稳定器为一个圆柱体上有三个直棱，且三直棱上分别装有三套滚轮和滚轮轴，当稳定器在井下随钻柱一起转动时，滚轮稳定器上的滚轮随钻柱公转的同时还进行自转，保证钻柱在转动过程中，为钻柱提供一个平稳转动的环境，减少钻头的横向震动。
1.滚轮工作段总体设计
针对滚轮稳定器工作要求，重点在原结构的基础上进行优化设计，减少固定稳销松脱并能实现滚轮的油润滑，提高滚轮的使用寿命。
稳定器三棱工作段的宽度直接影响滚轮槽的宽度和滚轮轴的直径，如果三棱过窄，滚轮槽形成的壁薄易导致槽体变形，如果减少槽体宽度，则滚轮轴直径变小，影响其轮轴的使用寿命和承载的侧向负荷。三直棱过宽，会直接影响钻井液通过环空的截面面积，增加钻井液的水力损失，不利于钻井液的循环。故三直棱的宽度需要作适当的选择，按稳定器工作段环空截面不得小于名义环空截面的80%推导，可依如下计算公式得：如图1所示。
螺旋棱梯形截面积为（60度等腰梯形）：
………………… 公式1
式中：S-单棱截面积mm
D1-稳定器工作段外径mm
D2-稳定器本体外径mm
K-系数
S=（A+B）/2*H ………………… 公式2
式中A-上棱宽mm
B-下棱宽mm
H-棱高mm
从以上公式可以计算出稳定器工作面棱宽值，能保证钻井液的正常循环，且钻井液压力与流速无异常。
即：Φ214滚轮稳定器：外径214mm；底径165mm；梯高18mm。
按公式1得：
S=1582mm2
A=78mm
图1工作段截面图
2.三直棱滚轮槽及固定方式设计
三直棱滚轮槽是确定滚轮的大小和安装方式，滚轮式稳定器又是在较为复杂的环境下工作，其结构要求整体性好，强度高且不变形等特点，因此在设计上主体为一整体结构体，其余部件均安装在主体上。
以往滚轮与滚轮轴靠螺栓将轴座固定在本体上，长时间工作螺栓松动，易造成滚轮的脱落，为此，我们在滚轮轴固定方式设计进行了改进，在主体外圆上均布有三道用于安装滚轮的燕尾槽和与之对应的燕尾固定档块，并采用档块稳钉的方式，相互制约，避免了钻井过程中产生的冲击载荷而损坏某一部件，造成滚轮及滚轴销在工作中的落井事故发生。在主体结构强度满足要求的情况下，采取等强度结构设计，力求为滚轴提供强度最大化的设计条件，提高滚轴和滚轮的使用寿命。 图2为设计完成后的滚轮槽三维图。
图2 滚轮式稳定器滚轮槽三维图
3.滚轮结构设计
滚轮是由特种合金钢制成，而且经过特殊热处理，具有较好的机械性能，即耐磨又能在钻井作业中起到一定程度的划眼作用。因此，该滚轮采用整体设计，外表面采用螺旋铣加工成滚齿状（或者镶嵌硬质合金齿），滚轮内孔加镶硬质合金轴套，保证具有较强的耐磨性，从而提高滚轮的使用寿命。图3为完成后的滚轮实物图。
图3 滚轮成品图
4.滚轮轴自润滑系统设计
根据以往钻井公司反馈滚轮与滚轮轴的失效情况，往往是滚轮轴与滚轮的内孔严重磨损或者相互卡死导致滚轮偏磨，分析主要原因是由于润滑不够。因此结合动压润滑和静压润滑原理对滚轮和滚轮轴的结构做出如图4所示。滚轮轴1和滚轮4之间通过防尘圈2和密封圈3产生一个密封油腔，滚轮轴中心为油孔与密封油腔连通。油孔内装有活塞5，活塞外部装有螺堵7。其润滑原理如下：首先外部钻井液通过螺堵7中心的小孔，施加给活塞5-定压力，使滚轮轴的油腔内的润滑油产生一定压力，当滚轮与井壁接触产生旋转时油就能被带入滚轮轴与滚轮内孔的楔形空间内，形成流体动压效应在轴与内孔之间形成稳定油膜，从而实现一定的动压润滑效应。使滚轮轴与滚轮的摩擦减至最小，延长使用寿命。
图4 滚轮自润滑系统结构图
三、现场应用情况
1.G61-14井，在井深501m开始下入滚轮稳定器，钻井至2680m起钻，钻井参数：钻压60～80kN，转速65N/min，排量30L/min，钻井液密度1.38，粘度50"，失水4.8ml，机械钻速达14.53m/h。期间起钻换钻头二次，使用时间达230h，使用效果相当好，没有出现泥包等现象，井队反映与以往的同类工具相比钻柱工作稳定，延长了钻头使用寿命，井眼轨迹与以往也顺利一些，测井证实井身质量优。 2.源1井，2012年4月28日開钻，进入81/2"井眼后，起下钻不畅，由于地层坚硬，下其它稳定器使用寿命短，为了提高钻进速度，正常加压钻进的同时，保证井深质量。2012年7月21日决定下入φ213mm 滚轮稳定器，使用井段2402-4200m，钻井液密度1.38，粘度100"，失水2.8ml。期间每次起钻换钻头进行检查，使用两至三个钻头后更换一次滚轮，每次入井使用2-3次，即500h左右更换一次滚轮，使用效果相当好，没有出现泥包等现象，深受井队欢迎。井队反映与以往的同类工具相比钻柱工作稳定，延长了钻头使用寿命，井眼轨迹与以往也顺利一些，测井证实井身质量优。
3.庆探4井使用情况2012年8月22日4：00分滚轮稳定器入井，8月27日4：30分起出，使用井段：1204.00 -2713.00米，地层：安定组、直罗组、延安组、延长组，岩性砂岩、泥岩。井眼尺寸241.3mm。使用时间106.92小时。
钻具组合：241.3BIT+630*410+178减震器+178DC*2+238稳定器+178DC*3+127/139DP。排量36-48L/s，泥浆密度1.03、1.08-1.12g/cm3安定组钻进参数：钻压40kN，转速67转/分，井段1204-1513米，井斜控制情况：1204米4.75度，1331米2.75度，1480米1.50度，1657米0度。后继钻进中将钻进参数调整为：钻压40-80kN，转速67转/分，8月27日，钻速变慢，钻到2713米起钻换钻头，井底井斜0.5度，防斜效果良好。该工具稳定器在使用过程中，摩阻正常。
四、认识与建议
1.滚轮式稳定器可以应用于常用钻具组合中，能减少轴向振动，改善钻头工作环境，在硬地层中使用寿命优于普通的三棱螺旋稳定器，节约钻井成本。
2.滚轮轴的固定采用燕尾槽互锁方式，避免滚轮从本体脱落，保证了钻井安全。
3.滚轮采用自润滑系统。与滚轮内孔之间形成稳定油膜，从而实现一定的动压润滑效应。使滚轮轴与滚轮的摩擦减至最小，避免滚轮偏磨和失效，延长使用寿命。
4.使用后的滚轮稳定器需再次入井时，必须检查无误方可再次入井。
作者简介：娄新见： 1992年毕业于中原石油学校矿机专业；现中原石油工程有限公司管具公司；工程师。
任俊： 1987年毕业于江汉技校钻井专业；现中原石油工程有限公司管具公司；高级工程师。
刘淑英：1993年毕业于天津大港石油测井专业，现中原石油工程有限公司管具公司，工程师。
参考文献
[1]兰志钢.缩径钻具稳定器的研制与应用.川庆钻探工程有限公司川西钻探钻具井控公司.《石油机械》 2011年06期.