新型液压随钻扩眼器的研制

新型液压随钻扩眼器的研制*

卿山盟，陈颖，周威

(西南石油大学 机电工程学院，四川 成都610500)

摘要：鉴于目前小井眼侧钻缩径卡钻和小井眼固井质量差的难题，设计了一种安全性和可靠性非常高的扩眼器。该工具采用机械式硬支撑设计方案，具有PDC切削效应，可实现随钻扩眼，并将118mm钻头所钻进的井眼机械式扩眼至145mm。该工具通过投球憋压实现刀翼收放。当刀翼完全打开时，由连接接头上的定位套使PDC刀翼的位置稳定不变，实现硬支撑。此扩眼器原理正确、结构可靠，为从根本上彻底解决小井眼固井难和小井眼缩径、卡钻频繁等情况提供了一种有效的手段。

关键词：液压；随钻扩眼；硬支撑；PDC切削

中图分类号:TE92文献标志码：A

收稿日期：*2014-12-03

作者简介：卿山盟(1988-)，男，四川广汉人，在读硕士，主要从事井下工具的设计与研究方面的工作。

Research on a New-pattern Hydraulic Pressure Reamer

QING Shan-meng, CHENYing, ZHOUWei

(SchoolofMechatronicEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,ChengduSichuan610500,China)

Abstract:In view of the problems such as the slim hole sidetracking is easily sticking and has a bad cementing quality, a safe and reliable reamer has been designed in this paper. The tool with PDC cutting effect is designed following the mechanical hard-support design scheme which could achieve reaming while drilling, and could mechanically ream the borehole which drilled by 118mm bit to 145mm. The tool expands and shrinks the blades through pitching pressure. When the blades expand to the opening size, the position sleeve of joints remains the position of PDC blades stability to ensure the hard-support. The tool with correct principle and reliable structure provides an effective solution to solve the slim hole problems of cementing difficulty, reducing diameter and sticking frequently.

Key words: hydraulic pressure; ream while drill; mechanical hard-support; PDC cutting

0引言

随钻扩眼技术是一种具有发展潜力的钻井新技术。随钻扩眼技术就是采用随钻扩眼工具和常规钻头程序，在全面钻进的同时扩大井眼直径的一种钻井技术。随钻扩眼技术可实现深井小间隙井段固井，增大生产套管的尺寸，有利于完井及修井作业。扩眼器的最早雏形可以追溯至上世纪90年代初期逐渐投入使用的双心钻头，而后产生跟它扩径原理相同的偏心式扩眼器，接下来的是机械式扩眼器，目前市面上主流的是液压式扩眼器。目前使用的液压扩眼器在使用过程中主要存在以下问题：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；井眼尺寸扩大有限；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；易产生泥包；水眼处没有单流阀，水眼容易堵塞[1-3]。

目前，国外Smith、Halliburton、Baker Hughes、NOV等公司在生产扩眼器。其中Smith公司推出的Rhino XS 型液力驱动式扩眼器最具有代表性。Hughes Christensen公司的Gauge Pro和Andergauge公司的Anderreamer优势独特，短期内即获得广泛应用。

20世纪70年代初, 井下扩眼技术从国外引入国内。大港、辽河、胜利油田等[4]单位在跟踪考察国外技术的基础上, 陆续研制了不同规格的扩眼器, 其中辽河油田、胜利油田研制的几种随钻扩眼器比较有代表性。辽河油田设计的ZK6- 12型同步扩眼器和RWD - 152型随钻扩眼器。胜利油田研制的机械式PDC随钻扩眼器和BG型扩眼器等。但跟国外的技术差距较大。为此，笔者研制出一种安全性和可靠性较高的新型随钻液压扩眼器。

1新型液压硬支撑随钻扩眼器技术分析

1.1新型液压硬支撑随钻扩眼器的结构

新型液压硬支撑随钻扩眼器结构如图1所示，其解决了偏心式随钻扩眼工具所形成的井径不规则、扩径量小和液压式软支撑随钻扩眼器易形成糖葫芦井眼的问题，保证了PDC刀架在伸开后轴向和径向的位置稳定不变，达到硬支撑的目的，使钻出的井眼更加稳定，具有不缩径、不卡钻的特点。

1.2新型液压硬支撑随钻扩眼器的工作原理

打开时：小井眼扩眼工具借助于高压钻井液作用在活塞上下端面上的压力差产生一定的静压力，剪断剪销后，利用活塞轴上的斜面和斜面销推动PDC刀片到设计时确定的张开尺寸，并将力传递给PDC刀片，连续不断地作用使PDC钻头往下切削岩石而形成机械进尺。同时，利用连接接头上的定位套，使PDC刀片的位置稳定不变，钻出的井眼尺寸稳定。

图1　新型液压硬支撑随钻扩眼器示意图 1.下接头　2.主壳体　3.扩眼刀翼　4.活塞轴　5.橡胶皮碗　6.壳体上接头　7.小活塞　8.返向缸体　9.变流套　10.反向夜缸　11.反向中心轴　12.剪钉　13.密封圈　14.钢球

收回时：当需要收回PDC刀片时，上提钻柱1米，投入1英寸钢球，憋压剪断变流套的剪销，迫使变流套下移，使泥浆进入返向液缸，在高压泥浆的作用下，推动返向活塞剪断返向液缸剪销，迫使返向活塞和固定着PDC刀片的主壳体一起向下移动，强力迫使PDC刀片收回到原始尺寸。此时，由于设计了特殊的通道，泥浆仍然可以通过一定的孔径循环。

1.3性能指标和特点

外径：上部φ105 mm，下部φ99 mm；领眼钻头尺寸：φ118 mm；扩眼钻头本体尺寸：φ105 mm；扩眼钻头扩眼尺寸：φ145 mm；工具长度：1.72 m；打开扩眼钻头的液缸活塞直径：φ80 mm；液缸行程：50 mm。

1.4伸缩式硬支撑扩眼器的工作参数

(1) 泥浆泵泵压达到3～5 MPa，打开安全液缸。

(2) 泥浆泵泵压达到15～20 MPa时，使主壳体缸体安全剪钉剪断。

(3) 投球后泥浆泵泵压达到11～13 MPa时，使变流套安全剪钉剪断。

(4) 变流套下移后，泥浆泵压达到13～20 MPa时，使返向缸体安全剪钉剪断。

(5) 小井眼扩眼工具的扩径量将118 mm钻头机械式扩径至145 mm。

2力学分析

2.1刀翼受力分析

液压扩眼器刀翼收放受力[5-6]如图2所示。

(1) 当F较小时：

Frsin θ≤μFrcos θ→θ≤arctanμ

(1)

(2) 当F>>Fr时：Fcosθ≥μFsinθ

(2)

θ≤arccotμ

Fy=Ncosθ-fsinθ

(3)

=Fsinθ(cosθ-μsinθ)

式中：φ=arctan μ；F为活塞推力，kN；N为滑道支持力，kN；f为滑道摩擦力，kN;Fr为岩石径向反作用力，kN;Fy为刀翼径向推力，kN。

当活塞轴上的液压推力F足够大时，可以得到刀翼产生的抵抗外部的径向力Fy与斜面倾角θ及μ有关，且θ∈[0,45°],μ∈(0.35,0.5)。

图2　刀翼受力图

2.2活塞轴的行程与刀翼的伸出量之间的关系

由图3可知：

H=tanθ×L

(4)

要保证扩径量达到规定尺寸，就要综合考虑活塞轴行程L及θ的取值。综上，得到：θ∈(18.2,22.8),L∈(35,60)。

初步设计取中间值：φ=22.78°,θ=22°,tanθ=0.4,μ=0.42,H=20。

将上述数据带入式(4)得：L=50

arctan0.42)-0.5×0.42F

=0.2284F

图3　活塞轴的行程与刀翼的伸出量关系示意图

2.3剪钉的计算

剪钉全部使用45号钢制造，σb=600 N/mm2,τb=0.6，σb=360 N/mm2。

2.3.1打开钻头活塞与液缸的剪钉

剪钉数量m=2，剪钉直径d=8 mm，剪断时载荷：

(5)

活塞轴下端泥浆出口直径d1=10 mm，喷嘴面积S=0.785 mm2，则钻井液流过小口径嘴口时产生的压力降ΔP1为18.5 MPa, 主缸体活塞向下的推力为39.551 kN。即泥浆排量必须大于9 L/s时，才可以剪断该剪钉。

2.3.2投球剪断的剪钉

剪钉数量m=1，剪钉直径d=6 mm，剪断时载荷：

(6)

只有在投球之后，承压面积成为S=804 mm2，只要液压力为1 MPa时，推力就达到0.804 kN，则当液压力达到13 MPa时，就可以剪断此剪钉。

2.3.3返向活塞与液缸的的剪钉

剪钉数量m=2，剪钉直径d=8 mm，剪断时载荷：

(7)

返向活塞与液缸承压面积为S=2 383 mm2，液压力为1 MPa时，推力为2.383 kN，则当返向液缸压力达到16 MPa时，就可以剪断此剪钉。

3地面测试与现场应用

118 mm液压扩眼器加工完成后，进行地面组装，组装顺序为: 壳体—下接头—上接头。

地面测试主要对下部销钉剪切、刀翼张开到位及刀翼收回情况进行试验，具体步骤如下:

加压泵对工具加压3～5 MPa，打开安全液缸；继续加压至15～20 MPa，刀翼张开;张开直径145 mm，刀翼锁定；投球后加压至11～13 MPa，变流套安全剪钉剪断；变流套下移后，泥浆泵压达到13～20 MPa

时，使返向缸体安全剪钉剪断刀翼收回。

4结论

118 mm随钻液压扩眼器在试验井进行了现场应用，经过钻后测井井径曲线对比分析，使用本扩眼器扩眼后，井眼的扩大率为20%～25%，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25%左右，能够满足小井眼扩眼要求。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。

参考文献：

[1]Courville D F，Childers R D，Miller G C. Wellbore en-largement for a deepwater casing program: case study and developments [R]. IADC/SPE 87153，2004.

[2]Sketohler B C，Fieldar C M，Lee B E. New bi-center technology proves effective in slim hole horizontal well[R]. IADC/SPE 29396，1995.

[3]马清明,王瑞和,许俊良.一种新型机械式PDC随钻扩眼工具[J].钻采工艺, 2006(1):68-70

[4]王智锋,李作会,马清明,等.胜利油田随钻扩眼工具及其应用[J].石油钻采工艺,2008(3):128-130.

[5]杨海涛.PDC变径钻头力学特性及结构设计[D]. 大庆：大庆石油学院,2006.

[6]石晓兵,刘鹏,吴应凯,等.RWD随钻扩眼下部钻具组合的强度分析[J].钻采工艺,2007(1):7-10.