新型随钻液压扩眼器的研制

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 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 井眼为螺旋形 井身 质量较差 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 影 响造 斜 易形成泥包 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 服务费用昂贵 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 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 如产生泥包 弹簧的推 力不够 刀翼不能收回 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 4 0 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 3 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 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 继续加压至 1 2 M P a 刀翼张开 张开直径 2 5 4 f il m 继续加压 至 5 MP a 刀翼张 开直径保持 为 2 5 4 n l m 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