新型随钻液压扩眼器的研制.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 0年 第 3 8卷 第 7期 钻 井新技术 新型 随钻液压扩眼器 的研 制 于小龙 刘贵远 左 凯 于海永 程 仲 杨 进 巩立根 1 ．中海油能源发展 监督监理技 术公 司 2 ．中国石 油大学 北京石 油_T - 程教 育部重点 实验 室 摘要 鉴于 目前国内外随钻扩眼器存在的问题，以及不能满足海洋钻 井技术要求的状况 ，研 制了一种安全性和可靠性较高的新型随钻液压扩眼器。该液压扩眼器通过投球 、憋压实现刀翼的 收放。扩眼器直 径为 2 1 5 ． 9／ r i m，扩 眼后 井 眼直 径 为 2 5 4 mm，误差 小于 5 ％ ，刀翼伸 出力 为 1 5 ． 5 3 3 k N，刀翼的缩回力为 5 5 ． 4 7 7 k N 。现场应用表明，使用 2 1 5 ． 9 mlT l 扩眼器扩眼后，井眼扩 大率为2 0 ％ ～ 2 5 ％ ，能满足海洋石油钻探的要求。新型随钻液压扩 眼器采用投球、憋压推动活塞 高效运行的方法，使扩眼器刀翼伸 出和收回的动作准确无误。 关键词 钻井 液压扩眼器 随钻扩眼 刀翼 0 引 言 国外在 2 0世纪 9 0年代初便开始 了随钻扩眼的 研究工作 ，其技术水平相对较高。迄今为止 ，国外 已研制出多种随钻扩眼器 ，主要有偏心钻头和液压 扩眼器。偏心钻头使用过程 中主要存在以下 问题 ①扩眼刀翼单边受力，扭矩大 ，憋跳严重 ，对钻头 和钻柱易造成很大的伤害 ；②井眼为螺旋形 ，井身 质量较差 ；③ 自洁能力差 ，扩眼切削齿不能及时完 成扩眼 ，造成扭矩偏 大，机械钻速低 ；④影 响造 斜 ；⑤易形成泥包；⑥井眼扩大尺寸有限l 】 ] 。目 前使用的液压扩眼器在使用过程 中存在的主要问题 有以下几点 ①服务费用昂贵 ；②利用压差推动刀 翼张开 ，但不能准确判断刀翼是否张开到扩眼所需 尺寸 ；③刀翼张到最大后没有锁定机构 ，随着压力 的变化外径易发生变化 ；④如产生泥包 ，弹簧的推 力不够 ，刀翼不能收回；⑤水眼处没有单流阀， ． 水 眼容易堵塞 。 。 国内开展随钻扩眼钻井相关研究较晚，从当前 来看，对随钻扩眼工具相关研究与实践应用尚处于 起步阶段 ，有关介绍随钻扩眼工具 、理论分析 、随 钻扩眼工具研发及现场应用的文章较少 ，许多理论 尚不完善。进 口偏心钻头及液压扩眼器在使用过程 中存在 的问题在国产工具中都有所体现。同时，国 产液压扩眼器扩眼效率低 、结构不合理 、工作安全 性差和寿命短的问题更为突出，难以满足海洋钻井 的技术要求 ；因此。 目前 国产扩 眼器 的结 构迫 切需要进一步完善以提高其工作可靠性。 鉴于 目前国内、外随钻扩眼器存在的问题 ，以 及不能满足海洋钻井技术要求的状况，2 0 0 7年中 海油能源发展监督监理技术公 司和中国石油 大学 北京开始对液压扩眼器的结构原理和力学性能 进行研究 ，2 0 0 9年 3月成功研 制出安全性 和可靠 性较高的新型随钻液压扩眼器。该随钻液压扩眼器 可大大降低钻完井过程 中的作业风险 ，提高固井和 完井质量 ，增加单井产能。 1 技术分 析 1 ． 1 结构 新型随钻液压扩眼器主要 由外壳 、调整接头、 呼吸喷 嘴、弹簧 、上活 塞、滑块 、刀翼、清洗 喷 嘴 、主活塞 、弹爪 、主活塞座 、销钉 、心轴 、调整 套 由部件 1 、部件 2和部件 3构成 、密封筒和 主喷嘴等组成 ，结构如图 1 所示 。 基金项 目周家科技重大专项 “ 多枝导流适度 出砂技术 ” 2 0 0 8 Z X 0 5 0 2 40 0 3 部分研究成果。随钻液压扩眼器已获得圉家实用新 型 专利 ，专利号 Z L 2 0 0 8 2 0 1 2 4 5 6 5 ． 0 。 2 0 1 0年第 3 8卷第 7期 于小龙 等 新型 随钻液压扩眼 器的研 制 图 l 液 压 扩 眼 器 结 构 示 意 图 1 一外壳 ；2 -- 调整接头 ；3 一 呼吸喷嘴 ；4 一 弹簧 ；5 -- 上活塞；6 -- 滑块 ；7 --刀翼 ；8 --清洗喷嘴 ；9 --主活塞 ；1 0 一弹爪；l 1 主 活 塞座 ； 1 2 一销 钉 ； 1 3 一主 喷嘴 ； 1 4 一 密封 筒 ； 1 5 一 调 整套 部件3； 1 6 一 调整 套 部件 2； 1 7 一 调整 套部 件 1 ； 1 8 一 心轴 。 推杆上部与活塞相连 ，弹簧支撑活塞，喷嘴固 刀翼伸出力 1 5 ． 5 3 3 k N； 定在刀片底部和上部 ，调压杆通过金属爪 固定在调 刀翼最小缩 回力 5 5 ． 4 7 7 k N。 压杆支架上，扩眼器刀翼上装有 P D C切削齿，推 1 ． 4 技术特点 杆与限位块一起利用弹簧的伸缩控制扩眼刀翼的缩 1 本体上增 加 了导 向槽 ，使 刀翼始终 承受 放。调整套部件 3的作用是限定主活塞下移的极 限 向上的推力 ，可有效防止刀翼的径向运动； 位置。调整套部件 2的主要作用是限定弹爪锁定位 2 扩 眼作 业 时 ，投 球 、憋 压 ，刀 翼 张开 ， 置 ，即在上活塞上移至极限位置时 ，调整部件 2的 张到最大外径后 由 自锁机构锁定 ，刀翼不能 收回， 长度 ，使弹爪 刚好锁定主活塞。调整套部件 1的作 从而提高 了扩眼器切削的稳定性 ； 用是 限定上活塞上移 的极 限位置 ，即调整部件 1的 3 增加 了刀翼 的有效 切削长度 、分段式加 长度可达到调整扩孑 L 直径的目的。其长度的增加可 长保径 刀翼设计 ，并根据扩眼地层岩性 的不 同，采 以增加活塞上移距离 ，增大扩孔直径 ，同时一 13、 “ 轴也 用 了阶梯状切磨混合布齿方法 ，从而提高 了刀翼的 随之上移 ，所 以调整套部件 1 长度的变化不会影响 切削能力 ； 弹爪锁定性能。 4 在喷嘴 内安装 有单 流阀 ，能够 防止杂质 1 ． 2工作原理 进入工具 内部 ； 在钻具组合时 ，液压扩眼器应放在定 向工具和 5 通 过投第 2个钢 球憋压使心轴下 移 ，将 螺杆钻具 以上 ，保证投球到位 。其工作 过程如下 刀翼收回，而且 能够建立循环 ，从而提高了T具的 在正常钻井作业状态时 ，扩眼器刀翼紧贴心轴 ，整 安全性 ； 个工作不参 与任何作 业。钻进 至需扩 眼作业地层 6 下人前 ，通 过更换行程 调整垫 片和锁定 时，投小球憋压 ，利用 压差推 动主活 塞使刀翼 张 调整垫片来调节扩眼器的最大外径 ，实现一种扩眼 开，刀翼张开到位后 ，弹性爪与心轴啮合 ，将刀翼 器可 以进行多种尺寸 的扩眼作业 ，满足不同的钻 、 锁定再进行 随钻扩 眼作 业。刀翼 张开过 程为 投 完井要求。 球 、憋压 ，球座下移 ，喷嘴与 内环空相通 ，冲洗刀 翼，流体靠压降作用推动活塞使刀翼张开。 2 力学 分 析 需要说明的是 ，所钻井段无井斜或井斜较小时 可 以采用随钻扩眼作业模式。若需要扩眼井段的井 斜和位移较大时 ，建议采用先钻完该井段后投球 、 憋压再倒划眼扩孔作业模式 ，这样能够避免出现大 井斜 、大位移井段。 扩眼结束后，投大球憋压 ，心轴下移 ，推动上 活塞使刀翼强行收回。进行第 2次投球 ，收回刀翼 的基本 过程为 投球 、憋压 ，将 上部剪 切销钉 剪 断 ，使心轴下移 ，在流体压差的作用下使刀翼收回 并建立流体循环 ，继续进 行正常作业 。通过投球 、 憋压使刀翼收回。 ， 1 ． 3 主要技术参数 扩眼器直径 2 1 5 ． 9 mm 8 英寸 ； 扩眼后井眼直径 2 5 4 mm，误差小于 5 ％ ； 2 ． 1 液压扩眼器刀翼收放的力学分析 液压扩眼器刀翼收放 的受力状态如图 2所示。 F l | F ／ N { ／ 2 5 7 ／ 图 2 刀翼收放 受力状 态示意 图 图中 刀翼收放支撑压力 ，k N； F 活塞推力 ，k N； 一 l 6一 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 7期 ， v 一滑道对刀翼的支撑力 ，k N； 滑道摩擦力 ，k N； 滑块与刀翼之间的摩擦力 ，k N。 设计刀翼滑道角度 2 5 。 与轴向夹角 ，摩 擦因数f 0 ． 1 5 ，由受力平衡可得到 刀翼伸 出时，活塞推力 F 1 ． 3 5 7 F 。 为 刀翼伸出时的支撑压力 ；刀翼收回时，活塞推力 F 0 ． 2 8 7 F 。 F 。为刀翼收回时的支撑压力 。 以 2 1 5 ． 9 1 T i m 8 英寸液压扩眼器设计为 例，活塞内径 7 3 1T IF ／I ，外径 1 1 3Ⅱ 1n 1 ，压降2 M P a ， 活塞面积为 5 8 4 0 ． 4 m m 。由此可计算得到活塞推力 为 1 1 ． 4 4 6 k N，刀翼伸出力为 1 5 ． 5 3 3 k N，刀翼轴 向 最大承受压力 刀翼最小缩回压力为 5 5 ． 4 7 7 k N。 以上计算都是按静力状态下进行的，在动态时 刀翼伸 出比较容易，刀翼缩 回的压力变化不大。为 防止由于刀翼张力过大而导致瞬时憋钻 ，刀翼张力 不宜过 大 。 2 。 2液压 扩眼器销钉剪切的力学分析 销钉选材为合金钢，抗剪切强度 3 1 0 M P a 。扩 眼作业 时投球 、憋压 ，将 下端左右侧剪切销钉剪 断，流体经过内部最小通道的直径为 5 7 fi l m，液体 压力为 3～5 MP a 。忽略摩擦引起的压降损耗 ，经 计算 ，作用在销钉上的力为 7 ． 6 5 1 ～1 2 ． 7 5 2 k N。 设下部剪切销钉直径为 d ，横截 面积为 。当 r ≥丁 时，2销钉 同时被剪断 为材料抗剪 切强度 ，可得 d ／ 1 √,B 7 - b 经计算得下部剪切销钉直径 d为 5 m i l l 。 扩眼作业结束后 ，采用再次投球、憋压的方法 将上端左右两侧剪切销钉剪断 ，推动活塞强行收回 刀翼。第 2次投球时 ，上部流体经过直径为 7 7 mlT l 的孑 L 道，液体压力为 3～ 5 M P a 。忽略摩擦引起的压 降损耗，作用在销钉上 的力为 1 3 ． 9 6 2～ 2 3 ． 2 7 0 k N。 由式 1 计算可得上部剪切销钉直径 d为 7 I Y I 1T I 。 3 地面测试与现场应用 2 1 5 ． 9 m m 8 1／ 2 英寸 液压扩 眼器加工完成 后 ，进行地面组装 ，组装顺序为 壳体一下接头一 上接头。 地面测试主要是对下部销钉剪切、刀翼张开到 位及刀翼收回情况进行试验 ，具体步骤如下 ①用 加压泵对工具加压 1 7 MP a ，销钉剪切 ，球座下移 ， 压力降为 0；②继续加压至 1 ～2 M P a ，刀翼张开 ； 张开直径 2 5 4 f il m；③继续加压 至 5 MP a ，刀翼张 开直径保持 为 2 5 4 n l m；④通 过 2次投 球使 刀翼 收 回 。 2 1 5 ． 9 mm随钻液压扩眼器在海上试验井进行 了现场应用 ，经过钻后测井井径曲线对 比分析 ，使 用 2 1 5 ． 9 1T im扩眼器扩眼后，井眼的扩大率为 2 0 ％ ～ 2 5 ％ ，现场应用效果良好 。新型液压扩眼器 扩眼直径误差小于5 ％ ，扩眼外径调节范围最大可 至直径的2 0 ％，能够满 足海 洋石油钻探要求。新 型随钻液压扩眼器克服了传统的纯靠流体的压差来 张开刀翼方法的不足 ，而采用投球 、憋压推动活塞 高效运行的方法 ，使扩眼器刀翼伸 出和收回的动作 准确无误。 [ 2 ] 参考文献 Co u r v i l l e D F， Chi l de r s R D，Mi l l e r G C．We l l b o r e e n ’ l a r g e me n t f o r a d e e p wa t e r c a s i n g p r o g r a m e a s e s t u d y a n d d e v e l o p m e n t s[ R]． I A D C ／ S P E 8 7 1 5 3 ，2 0 0 4 ． S k e t o h l e r B C， F i e l d a r C M ， L e e B E ． Ne w b i c e n t e r t e c h n o l o g y p r o v e s e f f e c t i v e i n s l i m h o l e h o r i z o n t a l w e l l [ R]． I A D C ／ S P E 2 9 3 9 6 ，1 9 9 5 ． K a l l o o C L，At t o n D J ，S t e e l e H E． A n o v e l d e s i g n b i c e nt e r b i t s u c c e s s f u l l y d ril l s d e e p e x p l o r a t i o n we l l o ff t h e e a s t c o a s t o f t r i n i d a d [ R]． I A D C ／ S P E 2 7 4 7 1 ， 1 99 4 ． Ke l l e y S ，S wa d i M，Re a m C C ． Wh i l e d r i l l i n g t e c h n o l - o g y s o l v e s d i ffic u l t s o u t h t e x a s d ri l l i n g ’ p r o b l e m[ R]． I ADC／S PE 5 9 24 0，2 00 0． C o o k 0， Do s t e r M ， Dy k s t r a M． De v e l o p me n t o f s t e e r a b l e r e a m whi l e dr i l l i ng t e c hn o l o gy a n d I t s a pp l i c a t i o n i n b i g h a n g l e w e l l s i n G O M [ R]． I A D C ／ S P E 3 9 3 2 6 ， 1 9 9 8 ． 剪树旭 ，文均红 ，王向东 ，等 ．国产扩孑 L 器研究应 用现状 及展 望 [ J ]．石 油钻探 技术，2 0 0 3 ，3 1 64 24 3 ． 第一作者简介于小龙 ，高级工程师，生于 1 9 7 6年， 1 9 9 9年毕业于西南 石油 学院石油工程 专业 ，现从事 海上油 气田钻完井、大修井作业工作。地址 3 0 0 4 5 2 天津市塘沽 区。电话 0 2 2 2 5 8 0 3 6 8 5 。E～m a i l y u x l 2 c n o o c ． c o m． c n 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 4 本文编辑赵连禄 ] J]J 1J] J