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。     

射频识别随钻扩眼器的研制与应用

为了解决当前常规随钻扩眼器在实际应用中的问题,设计了一种基于射频识别控制技术的随钻扩眼器,实现了控制命令的井下无线传输和接收,并通过液压执行机构控制扩眼刀翼动作,实现井下扩眼操作。工具设计过程中,在射频识别天线外部安装铁氧体屏蔽环,解决了井下金属涡流对天线磁场强度的削弱问题,保证了井下射频识别通讯系统对控制命令的可靠接收;通过理论计算和仿真分析确定了液压执行系统最大承压能力,为电磁阀优选和液压回路承压设计提供了理论依据,保证扩眼刀翼的可靠锁止。设计的RFID随钻扩眼器成功进行了4口井的现场扩眼作业,验证了工具的工作可靠性和稳定性。     

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。     

随钻扩眼对钻井液循环特性的影响

随钻扩眼作业会对钻井液循环特性产生影响,但国内尚缺乏相关研究。针对该问题,基于计算流体力学方法开展数值仿真,研究了直线形刀翼的扩眼直径、刀翼倾斜角两参数对钻井液循环的影响规律。研究结果表明:在扩眼器刀翼切削位置,随着刀翼扩眼直径的增大,钻井液流场的低速区域不断增大,当扩眼直径大于特定值时,流场低速区域将急剧增大;随着刀翼倾斜角的增大,钻井液流场的低速区域呈现出先减小再增大的变化规律;对?215.9 mm(■in)扩眼器的刀翼,最优倾斜角为55°,最优扩眼直径为250 mm。研究结果对于随钻扩眼器刀翼结构参数的设计具有指导意义。     

随钻扩眼工具的研制与应用

随钻扩眼技术是近年来兴起的一项钻井新技术,其原理是采用随钻扩眼工具在套管下边钻边扩,最终实现井眼尺寸比领眼钻头尺寸大,以达到提高完井质量及解决复杂事故的目的。胜利油田钻井院研制开发了随钻扩眼工具JK215-237,介绍了随钻扩眼工具的结构及特点,详细叙述了该工具在垦628井现场试验情况,试验结果表明,JK215-237随钻扩眼工具结构合理,能够实现套管下边钻边扩,扩眼的结果能够提高完井质量,该工具的研制与应用对随钻扩眼技术的应用以及随钻扩眼工具的研制具有重要的指导意义。     

随钻扩眼工具的动力学仿真研究

为了解随钻扩眼工具在井眼内的运动状态和受力情况,促进钻井工具的优化设计和更合理的应用,对随钻扩眼工具在井眼内的运动进行了研究,给出了基于拉格朗日方程的动力学分析方法;基于法向接触约束的惩罚准则,计算了扩眼刀翼与岩石之间的接触力,对随钻扩眼工具在井眼内的运动过程和动力响应进行了动力学仿真研究。仿真结果表明,随着随钻扩眼工具轴心偏离井眼轴心距离的增大,或扩眼刀翼数量的减少,所扩井眼的实际可通过半径逐渐减小,扩眼刀翼与井壁的最大接触力则逐渐增大,据仿真结果给出了实际可用的建议。研究结果与相关试验规律吻合较好,说明该分析方法是有效的。研究结果对多翼肋型石油钻井工具的设计和应用具有普遍的指导意义。     

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。     

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.     

扩张式随钻扩眼工具技术现状与发展建议

在指出扩张式随钻扩眼工具与其他扩眼工具比较具有的技术优势之后,介绍了国外几种典型的扩张式随钻扩眼工具的结构原理、性能特点和应用情况,包括Smith公司的Rhino一体化扩眼器、Halliburton公司的XR型扩眼器、NOV公司的Anderreamer扩眼器以及Tesco公司的Un-derreamer扩眼器等,随后简要分析了国内随钻扩眼工具的技术现状,最后对国内开展扩张式随钻扩眼工具研制提出了建议。     

液压控制式双向随钻扩孔工具研制

随钻扩孔工具不仅能显著提高小井眼固井质量,而且解决了深井超深井钻井过程中的缩径难题,从而避免了发生井下事故。在分析研究国内外随钻扩孔工具特点的基础上,研制了一种高效随钻扩孔工具,具有随钻同心扩孔、水力可控、强制收翼、双向扩孔的特点。以井深1 000 m为例,进行了刀翼收放的水力学校核。同时,运用有限元对其本体进行了不同转矩工况下的强度校核,当转矩高达40 kN·m时,最大等效应力仅为10.6 MPa,满足设计要求。该工具的研制对国内随钻扩孔的研究具有重要意义。     

领眼与扩眼双级PDC钻头井底流场数值模拟

针对领眼与扩眼双级PDC钻头,利用FLUENT有限元软件进行了井底流场数值模拟,得到了四刀翼双级PDC钻头与六刀翼双级PDC钻头井底的速度场、压力场特征。仿真结果表明,领眼钻头刀翼上的内侧切削齿由于低速滞留区的存在导致表面钻井液流速较低,清洗效果较差;从领眼钻头井底上返的钻井液流过阶梯状环空井眼台阶处时出现压力波动。对比两种双级PDC钻头仿真结果,四刀翼双级PDC钻头领眼体与扩眼体井底水力能量分配更加均衡,同时领眼空间与扩眼空间均形成了较大的轴向压差,更加利于钻井液携岩上返。领眼钻头的井眼尺寸、领眼钻头与扩眼钻头喷嘴的过流面积配比对于双级PDC钻头的井底流场有着较为明显的影响。     

随钻扩眼工具及技术研究

基于随钻扩眼技术优势的分析，研究了机械式、液压式和偏心式随钻扩眼工具执行机构和扩眼总成的机构原理，并介绍了国内所开展的相关研究。文章提出应加强现有工具的适应性和匹配性研究，发掘各类工具的优势。优化执行机构、扩眼总成和水力机构、重视底部钻具组合力学特性的分析是今后发展和完善随钻扩眼工具及技术的几个重要内容。实践表明，随钻扩眼技术在处理井下复杂情况、降低钻井综合成本、提高钻井速度、提高建井质量和安全性等方面具有显著的优势，随钻扩眼工具也正逐渐成为一种重要的石油钻井配套工具。     

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。     

导向PDC钻头设计及其在临盘地区的应用

针对常规PDC钻头在胜利油田临盘地区定向井钻进过程中存在的工具面不稳定、井斜角和方位角难以控制、滑动钻进时钻速较低等问题,研究分析了PDC钻头的剖面形状、切削结构、保径设计等对钻头导向性能的影响规律,在此基础上,研制出一种适合临盘地区地层特性的BTM115H型导向PDC钻头。该型PDC钻头采用浅内锥、双圆弧剖面形状,特殊双重切削布齿、短保径设计和侧向力平衡设计,能够有效提高钻头的导向性能和机械钻速。多口定向井的现场应用效果表明,BTM115H型导向PDC钻头在定向钻进过程中,工具面可控性好,复合钻井速度和定向机械钻速较常规PDC钻头都有大幅度提高,为临盘地区的定向井快速钻进提供了有力保障。      

新型定向井PDC钻头的研制与应用

针对常规PDC钻头在胜利油田临盘区块定向井钻井施工中，工具面不稳定、难以控制、滑动钻进时钻压较小、钻速低的问题，研制出了一种新型定向井PDC钻头。该PDC钻头采用短剖面形状，特殊双重切削布齿结构，又对钻头进行了力平衡设计，把钻头的侧向力减到最小，增加了钻头工作时的稳定性。在临盘区块多口定向井的现场应用表明，新型定向井PDC钻头滑动钻进时钻压变化的敏感度小，工具面可控性好，复合钻进机械钻速和定向井机械钻速较常规PDC钻头都有较大幅度提高，且提高了钻井和下套管效率及井身质量。     

宣页1井新型PDC钻头设计与应用

为了提高宣页1井二开井段印渚埠组地层的机械钻速、减小井斜角,以加强PDC钻头的稳定性、耐磨性、降斜性为设计目标,设计出了新型311.1 mm六刀翼PDC钻头。设计钻头时采用了小锥角、浅内锥冠部及短保径、短接头结构、高密度布齿、硬质合金限位减振齿等方法。设计的PDC钻头配合垂直钻井系统AVDS,在宣页1井805.61~1 017.18 m井段进行了现场应用,平均机械钻速达到3.28 m/h,与同地层常规PDC钻头相比提高8.61%;最小井斜角达到1.09°,与常规PDC钻头钻进井段相比减小明显,井斜问题得到了很好的控制。现场应用表明,设计的新型PDC钻头具有较好的井斜控制能力、稳定性及岩石切削效果,可达到防斜打快的目的。      

井下大径垮塌物打捞划眼一体化处理技术

深部裂隙发育泥岩地层和破碎地层在钻进时极易垮塌,且垮塌物尺寸较大,如采用段塞清扫、牙轮钻头和反循环打捞篮划眼等常规方法处理井下大径垮塌物,易遇阻且划眼时间长,严重影响钻井成本和效益。因此,在分析常规方法处理大径垮塌物划眼难度大、时间长原因的基础上,从划眼工具入手,采用了集破碎、划眼和打捞于一体的打捞工具,并根据井下情况采用不同的划眼、打捞参数及垮塌物取出工艺,形成了井下大径垮塌物打捞划眼一体化处理技术。12口因井下垮塌遇阻划眼的井应用了该技术,划眼打捞成功率达到了100%。研究结果表明,井下大径垮塌物打捞划眼一体化处理技术,能实现井下硬脆性泥岩大径垮塌物划眼、打捞一体化作业,对快速处理井下硬脆性泥岩大径垮塌物导致的遇阻具有较好的效果,可缩短井下复杂情况处理时间。      

川西地区PDC钻头防斜技术研究

PDC钻头在川西地区的推广应用取得了显著的经济效益和社会效益，但是在应用PDC钻头钻进时，井斜现象不但没有减少,而且比牙轮钻头钻进时更为严重，甚至导致报废钻井进尺。通过对川西地区实钻资料的调查分析发现，PDC钻头的外观形状与钻具组合防斜能力不够等因素是引起PDC钻井井斜的主要原因，针对性地提出了PDC钻头钻进防斜的技术途径，通过几口井现场试验得到了验证。建议川西地区PDC钻头宜选用短外锥，而可钻性好的蓬莱镇组软地层可选用中-深内锥PDC钻头类型，以满足防斜要求。根据该地区经验，推荐的钻头型号有AR574、R60ST、AR482、B1936、F512B、F622。