随钻扩眼钻压分配规律的试验研究

随钻扩眼钻井技术可在全面钻进的同时实现裸眼井段的扩径,能有效减少起下钻次数、提高钻井效率。随钻扩眼过程中领眼钻头和扩眼器上钻压、扭矩的分配与地层岩石性质、钻井参数、钻具结构等多种因素有关,因此提出能反映实际随钻扩眼过程的理论或试验方案是钻压分配规律研究的关键。为了在室内试验环境下模拟实际随钻扩眼过程,设计并进行了全尺寸随钻扩眼破岩试验。设计加工了ø215.9 mm PDC领眼钻头和扩眼直径可调(242、260 mm)的试验用扩眼器,在钻头试验台架上进行了全尺寸破岩试验,研究了随钻扩眼过程中的钻压分配规律及其受岩石类型、钻压、转速及扩眼直径的影响。试验结果表明:钻压比和扭矩比随总钻压的增大而增大,随岩石强度的减小而增大,但基本不受钻速的影响;扩眼器刀翼切削区域攻击性越强,相应的钻压比越大。所得结论可为随钻扩眼作业的钻井参数和钻具组合优化提供依据。

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。

随钻扩眼工具井底钻压分配的实验研究

为了考察随钻扩眼工具钻进过程中产生的特殊结构井眼对井底钻压分配的影响,按照相似原理建立了随钻扩眼工具底部钻柱动力学特性模拟实验装置,对领眼井底与阶梯井底的钻压分配规律进行了研究。模拟实验结果表明,随钻扩眼形成的阶梯式井底岩石要比领眼井底岩石更容易破碎,实际钻压分配比小于按照几何结构定义的钻压分配比。该结果与理论模型的研究得到的结论一致。

定向随钻扩孔钻压分配及优化

深井大斜度井扩孔难题一直没得到较好解决,传统的方法是采用液力扩眼工具进行钻后扩孔。然而,钻后扩孔实践表明,随着井斜增加,钻后扩孔难度增大,钻后扩孔在定向井中一般在32°以内。为此,引进了53/4 in×51/2 in×43/4 in CSDR5211S-B2定向随钻扩孔钻头。扩孔钻头钻压分配关系对工具面稳定和机械钻速具有重要影响。介绍了定向随钻扩孔钻头特性,分析了钻压分配关系,并对钻压分配进行优化。优化后的钻压应用于塔河油田TH10410CH2井定向随钻扩孔试验。应用结果表明,根据扩孔钻头偏心部分所要求钻压,计算出定向随钻扩孔钻头施工最大钻压不超过40 kN;在20～40 kN钻压工况下,定向随钻扩孔钻进过程中无憋跳现象、工具面平稳、井眼轨迹平滑、机械钻速高,说明该井优化的钻压合理。

随钻扩眼钻压分配的双因素计算方法

随钻扩眼过程中扩眼器与领眼钻头的钻压分配关系对扩眼钻进工作状态具有重要影响。传统计算方法仅考虑扩眼器与领眼钻头的几何结构因素,精度不高,难以合理指导工具设计。为此,在充分考虑岩石特性、钻具切削结构双参数的基础上,提出一种计算随钻扩眼钻压分配关系的双因素法,以分析各因素对钻压分配的影响规律。理论计算表明,扩眼钻压比与扩眼器钻遇岩层强度成正比,与扩眼刀翼锐度成反比。这一结果与文献的试验结果基本一致,可用于指导随钻扩眼装置的设计和应用。

锐度对随钻扩眼钻具钻压分配关系的影响

随钻扩眼过程中,领眼钻头与扩眼器前后相随,同步切除岩层。由钻柱施加的钻压为二者共同承担。若钻压分配不当,则易引起钻柱剧烈振动,机械钻速降低,钻具过早损坏等复杂状况。在设计和选配领眼钻头与扩眼器时即应着重考虑钻压分配关系。然而,常规设计方法仅依赖领眼钻头和扩眼器所切除岩层的截面积来确定分配关系,所得结果较为粗糙。故提出钻具锐度的概念以表征破岩工具的切削能力,其值由室内试验测定,值越大,表示工具切削岩层的能力越强;在锐度基础上发展了计算钻压分配关系的常规方法,并说明了锐度对钻压分配关系的影响规律。该结果对随钻扩眼钻具组合的设计和选型具有指导作用。

领扩眼钻具间钻铤数量对随钻扩眼钻进特性的影响研究

针对横向振动引起的扩眼器过早失效、钻进速度缓慢等问题,基于弹塑性力学和岩石力学,以Drucker-Prager准则作为岩石的屈服准则,建立钻具-岩石互作用非线性动力学有限元模型,分析了领眼钻头和扩眼器之间的钻铤数量对钻进时领扩眼钻具的钻压分配、横振强度和机械钻速的影响。研究表明,在领扩眼钻具间连接适当数量的钻铤能够有效减小扩眼钻压的占比、降低扩眼器的横振强度、提高钻进效率;将扩眼器设计在中和点下方并使其远离中和点,有利于降低扩眼器失效的风险;在该工况下进行随钻扩眼时,领扩眼钻具间的最佳钻铤数量为3根。研究结果对随钻扩眼钻具组合设计和扩眼器寿命的提高具有一定的指导意义。

钻具组合对扩眼器振动的影响

已有研究表明扩眼器的横向振动是引起扩眼钻具失效的主要原因,而合理的扩眼器与领眼钻头的钻压分配与井下钻具组合则可以改善扩眼器的横向振动。以前在计算钻头与扩眼器的钻压比时常采用几何面积法,但这种方法影响因素单一。在PDC单齿受力模型的基础上,通过求出每个齿的受力,进而求出领眼钻头和扩眼器所受的钻压,再求得钻压比;通过有限元仿真,分析了钻具组合对扩眼器振动的影响。结果表明:领扩眼钻具间的距离对扩眼器的振动有一定的影响,适当的距离可以有效降低扩眼器钻进时振动强度;在本文工况下,领扩眼钻具间钻铤数量为2根时振动最小;稳定器数量的增加可以减缓扩眼器的振动强度。研究结果可为随钻扩眼作业的提速提效给予技术支持。