液控随钻扩眼器球座冲蚀规律及结构优化

在随钻扩眼的过程中,扩眼器球座的冲蚀较为严重,尤其是球座旁通孔附近。基于冲蚀理论与固液两相流理论,结合DPM离散相模型对扩眼器球座进行冲蚀模拟分析,研究不同因素对扩眼器球座冲蚀的影响规律。此外,利用正交试验方法,研究各参数对冲蚀磨损的影响程度,并优化扩眼器球座结构。通过极差和方差分析可知:影响球座冲蚀磨损的因素依次为流量>含砂比>颗粒直径,最优工艺参数组合为:流量35 L/s、含砂比3%、黏度0.028 Pa·s、颗粒直径0.25 mm、颗粒密度1 500 kg/m~3,此时球座的冲蚀率最小,为4.52×10^(-6) kg/(m~2·s)。为了减少扩眼器球座的冲蚀,对球座进行结构优化,优化后球座旁通孔角度为顺时针倾斜45°、圆角半径为7 mm、个数为6,相比优化前的球座冲蚀率降低了24%。

随钻选择性扩眼器锥直型水眼液力特性研究

在随钻扩眼技术中,扩眼器的射流效率决定了整个扩眼技术的效率,对整个扩眼技术应用极为重要。针对扩眼器和扩眼器刀翼水眼的液力特性,建立了其物理有限元模型。通过分析可知,射流可以起到清洗岩石切割和冷却刀翼的作用,扩眼器刀翼水眼的几何结构对射流性能有重要影响。为了优化扩眼器刀翼水眼射流性能,提出了将锥直型喷嘴应用于扩眼器刀翼水眼,对其进行了优化。该研究可为扩眼器刀翼水眼结构参数的优化设计提供理论指导,对提高侧钻完井质量、推广侧钻改造技术具有重要意义。

推力可控的投球式液压随钻扩眼器

随着我国油气勘探开发向地球深部进军,由深井超深井环空间隙小及大段盐膏层的存在带来的塑性地层卡钻、钻井液安全密度窗口窄等钻井工程难题对井身结构设计、钻井施工和固井质量提升带来了严峻挑战。为此,在分析国产扩眼器结构和功能局限性的基础上,通过结构设计、安全性模拟、流场分析及室内实验,研发了一种投球激活液压式可控随钻扩眼器并开展了现场试验。研究结果表明:①工具在极限钻压、极限扭矩、极限提拉工况下的安全系数分别为2.42、1.70、1.23,安全性能满足现场需求;②工具通过调节钻井液排量来控制刀翼推力,可以满足不同地层的扩眼需求;③工具在小排量时压耗变化更为明显,可通过投球后小排量憋压以判断工具在井下的工作状态;④室内及现场试验表明,工具投球后能够稳定执行刀翼展开和收回动作,试验井段目标扩眼井径241.30 mm,实际平均扩眼井径241.49 mm,相比扩眼前井径平均扩大14.53 mm,扩大率6.4%,与预定目标吻合。结论认为,可控随钻扩眼器有效缓解了地层缩颈导致的电测遇阻、挂卡等问题,为解决盐膏层缩颈、非常规套管作业提供了重要技术手段。

多级变径随钻扩眼器研制及刀翼受力与钻压分配分析

深层小井眼采用随钻扩眼器进行扩眼作业时存在井眼缩径、固井质量差和卡钻频繁等问题。为解决该问题,基于随钻扩眼器基本结构和工作原理,采用新型变径结构,研制了一种多级变径随钻扩眼器;建立了随钻扩眼尺寸与主动活塞轴向位移之间的函数关系,并分析了扩眼器刀翼的受力情况;采用双因素计算方法分析了该扩眼器的钻压分配情况,得到了随钻扩眼器钻压分配比对扩眼尺寸、钻具锐度及地层抗压强度的影响规律。分析得知,随钻扩眼器的钻压分配比与钻遇地层抗压强度、扩眼尺寸呈正比,与扩眼器锐度呈反比,该扩眼器的理论井径扩大率为7%~20%。研究认为:对随钻扩眼器进行钻压分配分析,可以指导扩眼器的设计及领眼钻头的选型;研制的多级变径随钻扩眼器为提高扩眼效率提供了技术支撑。

液压式扩眼器在柴参1侧1井扩眼施工的实践与认识

介绍了KKQ - 15 0型液压式扩眼器的结构、性能、工作原理及其在直井中的应用情况 ,并且结合该种工具首次在定向井—柴参 1侧 1井扩眼施工的现场应用 ,给出了该工具在定向井中实施扩眼作业的难点和特殊性 ,分析总结出作业失败的原因 ,提出了相应的对策与解决办法 ,为今后在定向井中成功应用该类工具提供一定的借鉴。

大井径液压式扩眼器的研制与应用

中国石油化工股份有限公司承建的土耳其TuzGlü天然气地下盐丘储气库,需要将井眼由215.9mm扩至444.5mm,此类扩眼作业在国内外均属首次。在分析扩眼施工技术难点的基础上,利用先进的有限元和三维ProE软件对扩眼器进行了力学分析和优化设计,最终研制出了YK304-444.5液压式扩眼器。其结构组成和工作原理为：由本体、活塞总成、上下限位机构和切削刀翼等组成;依靠钻井液流经活塞上的喷嘴产生一定的压降,推动活塞下行张开3个扩眼刀翼,并由活塞上的支撑装置锁紧。采用新研制的扩眼器顺利地完成了UGS-6等井的扩眼施工作业,未出现工具损坏问题,扩眼后的井眼直径达到设计要求。同时还在实践中不断地完善了盐岩层的大井径扩眼作业技术,并优选出如下作业技术参数：1钻压应控制在30kN以内,以减小扩眼过程中的扭矩;2排量介于45~55L/s,转速介于60~70r/min;3在进行盐层扩眼时要求使用饱和盐水钻井液。

随钻扩眼器扩眼机构流场分析与优化设计

扩眼机构是射频识别控制随钻扩眼器的关键部件之一,其结构与性能关系着随钻扩眼器的成败。为此,优化设计了扩眼器短节,研制出具有自锁功能、可回收双台阶刀翼的扩眼器。该扩眼器的止推台阶可保证刀翼完全张开,后自锁台阶使刀翼自锁;采用三刀翼布局,合适的刀翼布齿方式、布齿密度及保径齿数量可保持扩眼井段井眼扩大率。现场应用结果表明:RFID随钻扩眼器扩眼井径达到设计要求,射频识别标签读取正常;既具备常规随钻扩眼作业连续性、快速性的特点,又可根据需要控制扩眼器多次开闭;可以在管柱中集成多个扩眼器,并按照设计程序控制各扩眼器刀翼的收放,实现复合扩眼作业。该扩眼器操作简单可靠,具有广阔的推广应用前景。

液压扩眼器设计及井下试验验证

为了降低小井眼钻井作业风险,提高固井质量,对152.4 mm井眼液压扩眼器结构原理和力学性能进行了研究,并制作了样机。152.4 mm井眼液压扩眼器主要由上接头、螺旋扶正套、环形剃刀组件、固定套、摩擦环及下接头等组成。对样机的压耗、刀翼张开、刀翼自动收回及强制收回等功能进行了验证,同时对扩眼效果进行了预评估。验证结果表明,该液压扩眼器的压耗约为1.38 MPa,小于计算的最大压耗1.96 MPa,满足现场作业需求;液压扩眼器能够实现正扩眼、倒扩眼和随钻扩眼作业,正扩眼和倒扩眼井径均达到190.5 mm以上,井径较规则,扩眼效果较好;在随钻扩眼中,刀翼张开最大扭矩达到14 kN·m。

扩眼器在定向造斜段的应用可行性研究

随钻扩眼器可有效扩大下部井眼直径,对于优化井身结构、提高完井质量、提高钻进效率、降低后续作业风险具有重要意义。随钻扩眼时该工具相当于一个满眼扶正器,在直井段工作时扩眼器具有防斜作用,但在定向段随钻扩眼时该工具将改变常规造斜钻具的造斜特性,因此该工具在定向造斜段应用的可行性需要研究。以一套常用造斜钻具为例,计算了其初始造斜率以及直接扩眼工况和随钻扩眼工况的造斜率,发现使用扩眼器后对原有钻具组合的造斜特性影响很大。为达到原有造斜要求,通过单独和组合调整BHA参数(主要有螺杆钻具弯角、上稳定器外径、上稳定器距离钻头距离等)获得与原有BHA造斜特性基本相当的多种方案,这说明扩眼器可在既定的造斜要求下完成定向随钻扩眼钻进施工。

双向随钻扩眼器刀翼设计研究及应用

借鉴金刚石钻头的设计理论,针对随钻扩眼器切削刀翼的特殊性,提出了一套专门适用于液压控制式双向随钻扩眼器刀翼冠部形状设计与布齿的理论及方法。应用该理论方法设计的扩眼刀翼既能满足扩眼作业的需要,又易于刀翼的加工制造。

单球投入式扩眼器及其扩眼技术在渤海油田的应用

随着渤海油田开发的深入,深井、大位移井等高难度井作业大量增加,为保证安全,在井内下入尾管或者完井时下入防砂筛管等成为必然要求。但这类作业一般处于井的深部井段,实施困难较大,为保证尾管、筛管的顺利下入,利用扩眼器将实际井眼扩大成为解决问题的主要技术措施。介绍了单球投入式扩眼器的结构组成及工作原理,并通过实例阐述了该扩眼器在随钻扩眼、钻后扩眼(倒划扩眼、下划扩眼)的应用情况,对扩眼器在不同工作模式下的使用效果进行了分析。

双扩眼器井底小井眼消除技术

双扩眼器井底小井眼消除技术是一种高效的随钻扩眼技术,钻进过程中不仅可使用MWD/LWD仪器高质量地测量底部井眼的井斜参数以及电阻率、伽马、密度等地质参数,而且钻进结束后可直接下入较大尺寸的尾管,无需额外的扩眼施工,从而缩短施工时间,节约成本。介绍了Rhino RHE井底小井眼消除系统的组成及Ro D工具的工作原理,阐述了双扩眼器井底小井眼消除技术在墨西哥湾深水环境下的应用效果,并指出施工前要进行Ro D工具安放位置对BHA方位趋势变化的影响、Ro D工具的意外开启和关闭以及水力学模拟分析,这样有助于提高作业成功率。最后建议加强与Ro D工具和Rhino RHE系统功能类似的扩眼器及扩眼技术的研发。

确定同步式扩眼器临界钻压的一种数学方法

通过对同步式扩眼器机械钻速y与钻压x试验数据进行数理统计分析，给出了建立钻速与井底钻压之间的一元多次正交多项式回归方程和对回归系数的显著性进行F检验的方法。然后根据回归曲线变化特征，提出了曲线斜率变化率极值点即为该种扩眼器的最小可工作钻压临界点，并求得在一定置信水平下临界点的置信区间。为该类扩眼工具最佳工作钻压的确定提供了一种较为实用的数学处理方法。

埃及旋转导向系统与可变径扩眼器钻井技术应用分析

近年来,在埃及为了进一步优化定向井钻井技术,引进了一种旋转导向系统和可变径扩眼器相组合的钻井技术。运用该技术可以避免在先期钻导眼后再下入专门的扩眼器进行扩眼,从而节约了扩眼作业成本。但是这项技术受到了钻具组合在井下工作状态不稳定、振动剧烈、滑动摩阻大等一系列问题的挑战,由此可能导致钻具组合部件疲劳破坏、定向效果差等后果。介绍了在埃及施工的三口定向井的实例,在施工中先后使用了三种类型的可变径扩眼器,与旋转导向系统相结合,成功地把12-1/4″导眼扩大为13″～17-1/2″的范围,充分证明了运用旋转导向系统与可变径扩眼器的组合钻井技术,可以达到提高机械钻速和控制井身轨迹的理想效果,同时还降低了因扩眼带来的钻具结构震动和部件失效的风险。

牙轮型井下扩眼器扩张机构参数设计

通过对牙轮型井下扩眼器扩张执行机构分析，提出并证明了关于牙轮臂扩张角α、扩眼器轴倾角β和牙掌斜面倾角γ三个工作变量之间的几何关系式ｆ（α，β，γ）＝π／２。由此建立了牙轮臂扩张角与扩张执行机构几何设计参数之间的函数方程，旨在为牙轮型井下扩眼器产品系列化设计提供参考依据。

新型随钻液压扩眼器的研制

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215.9mm,扩眼后井眼直径为254mm,误差小于5%,刀翼伸出力为15.533kN,刀翼的缩回力为55.477kN。现场应用表明,使用Φ215.9mm扩眼器扩眼后,井眼扩大率为20%～25%,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。

克服防喷器限制的井下导向扩眼器

本文论述了已获得专利、由钻头和位于井眼内马达下部的扩眼器构成的井下导向系统的设计、作业、性能及各种约束因素,并阐述了在上部井段中,当同时进行钻进和扩眼时,如何实施定向控制。此外,对北海油田的英国和荷兰石油公司现场试验情况也进行了描述。

基于分区法的扩眼器刀翼布齿优化研究

扩眼器在破岩时,刀翼处受力不均会产生不平衡侧向力,引起井下钻具振动,影响井眼质量和钻具使用寿命,对扩眼作业造成不利影响。为了准确分析井底形状和刀翼切削受力的变化,提出分区法来分析扩眼器刀翼的切削过程。基于分区法,扩眼器旋转切削一圈的过程可以分为几个不同的切削阶段,每个切削阶段对应一组切削参数。借鉴PDC钻头的受力模型,建立了以扩眼器全阶段侧向力最小为目标,以各个切削齿后倾角为优化变量的多目标优化模型。利用非支配排序遗传算法2 (NSGA-Ⅱ)对优化模型进行求解,得到最优Pareto解集,利用模糊综合评价法对Pareto解集中的个体解进行评价,并从中选取最优个体解。以三刀翼扩眼器为例进行了布齿优化设计,优化结果表明,基于分区法的布齿优化方法可以有效减小每个切削阶段的侧向力,且保证了各个阶段的侧向力与钻压比值都在5%以内,从而实现扩眼器全切削阶段的侧向力平衡。研究结果对扩眼器的设计具有一定的指导意义。

套管钻井扩眼器结构设计与启动特性研究

针对常规扩眼器井眼扩大率较小,难以满足套管钻井作业要求的问题,设计了一种用于套管钻井技术的液压臂式扩眼器。综合考虑钻井液流量、主喷嘴结构、心轴与壳体的摩擦力等因素对扩眼臂张开程度的影响,建立了该扩眼器串联在钻头上方时扩眼臂的力学模型。计算表明,扩眼臂的旋转角速度与心轴上下运动线速度呈线性关系;扩眼臂与井壁接触后产生的反推力将阻碍其开启动作,接触力的大小受多种因素控制。扩眼器由液压驱动,扩眼臂的开启动作受喷嘴特性影响很大。实际应用中,应优化设计复位弹簧及心轴等部件,从而提高扩眼器启动的可靠性。

液压随钻扩眼器的研制与典型应用

随钻扩眼工具是解决蠕变地层井眼缩径问题和水泥环厚度低引起固井质量问题的利器。文中介绍了一种在井下复杂环境中能够可靠动作并能够强行收回刀翼的扩眼器产品。该扩眼器一种规格可产生多种扩径范围,井眼扩大率最大为20%左右。随钻扩眼、水平井钻后扩眼等多井次的成功应用表明,该系列扩眼器产品可靠、性能稳健,具有较高的推广应用价值。