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为了降低井下扩孔的难度,保证径向水平井水平井眼长度达到要求,本文对目前应用比较成熟的径向水平井转向器进行改进,设计了一种滑道阻力小、送进能力强的小半径径向水平井转向器。通过正交和单因素实验方法,采用数值模拟优选了31.75、25.4、19.05、15.88、12.7及9.53mm钻管转向器轨道的关键参数。数值模拟结果表明:不同外径钻管的最优轨道关键参数互不相同。对于上述外径的钻管,最优转向半径分别为:100、60、60、60、40、40mm;最优角度分别为30°、36°、42°、41°、48°、50°;31.75mm钻管最优材质为304不锈钢,25.4、19.05及9.53mm钻管均为ASTM A606 4型改进型,15.88及12.7mm外径钻管为20CrMo;转向半径和角度不存在交互作用。计算了在30MPa泵压下钻管通过轨道时的受力和应力分布,并评估了钻管的扁化。在数值模拟优选的最优轨道参数和钻管受力基础上,设计了一种外径114mm,应用于5-1/2″套管的小半径径向水平井转向器。分别计算了不同外径钻管轨道最大数量、30MPa泵压下转向器下入套管的最大深度、不同外径钻管通过轨道时的钻管的变形。针对外径15.88mm、12.7mm、9.53mm钻管通过轨道时易发生压杆稳定问题。为了解决压杆稳定问题,设计了需要加装扶正块的最小数量及位置。采用数值模拟优选的轨道参数设计制造了实验轨道,进行了最优材质的六种管径钻管通过最优轨道及12.7mm钻管在不同间隙下通过轨道的室内试验,测量了钻管通过轨道的最大阻力、通过后的平稳受力及水平长度和总长度的比值。结果表明实验结果与模拟结果吻合良好,12.7mm钻管通过轨道后水平长度与总长度比值、最大阻力和平稳阻力随间隙增大而减小。本文的数值模拟优选参数方法、优选结果及实验验证可为以后的相关研究和应用提供借鉴;设计的小半径径向水平井转向器能够达到使用要求。