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        隨鉆擴(kuò)眼工具的研究與優(yōu)化

        2012-08-29 12:06:50夏宏南陳偉峰
        裝備制造技術(shù) 2012年8期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

        宋 頤,夏宏南,徐 超,周 昆,陳偉峰

        (中國石油天然氣集團(tuán)公司鉆井工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏技術(shù)研究室;長江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北 荊州 434023)

        所謂隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)(Ream While Drilling,簡稱RWD)就是采用隨鉆擴(kuò)眼工具和常規(guī)鉆頭程序,在全面鉆進(jìn)的同時(shí)擴(kuò)大井眼的一種鉆井技術(shù)。實(shí)踐表明,隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)在處理井下復(fù)雜情況、降低鉆井綜合成本、提高建井質(zhì)量和安全性等方面具有顯著的優(yōu)勢,隨鉆擴(kuò)眼工具也正逐漸成為一種重要的石油鉆井配套工具。

        1 隨鉆擴(kuò)眼工具

        用于隨鉆擴(kuò)眼鉆井過程的隨鉆擴(kuò)眼工具,從結(jié)構(gòu)上來說可以分為兩大類,一是鉆頭型的隨鉆擴(kuò)眼工具,主要包括雙心鉆頭(單體式偏心鉆頭)、雙體式偏心鉆頭、近鉆頭隨鉆擴(kuò)眼工具。二是具有獨(dú)立結(jié)構(gòu)的隨鉆擴(kuò)眼工具,主要包括兩類,即偏心結(jié)構(gòu)和同心結(jié)構(gòu)的隨鉆擴(kuò)眼器[4]。

        1.1 雙心擴(kuò)眼鉆頭

        雙心擴(kuò)眼鉆頭由兩個(gè)PDC鉆頭上下一體連接而成。由于上下兩個(gè)PDC鉆頭的軸線不重合,當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí),產(chǎn)生較大的側(cè)向力從而對井壁產(chǎn)生刮擴(kuò)作用,使眼徑擴(kuò)大。此類工具的缺點(diǎn)是:擴(kuò)徑大小不穩(wěn)定;扭矩大,易導(dǎo)致井下鉆具事故;領(lǐng)眼鉆頭易泥包;在結(jié)構(gòu)上與領(lǐng)眼鉆頭成為一體,不易更換。遼河油田在1996-1999年曾多次使用雙心隨鉆擴(kuò)眼鉆頭進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè),因扭矩大,常發(fā)生扭脹鉆桿內(nèi)接頭、扭斷鉆具等事故,而被停止使用。

        目前雙心擴(kuò)眼鉆頭的開發(fā)和研制正朝著節(jié)約鉆井成本、易于操縱以及針對具體鉆井需要而設(shè)計(jì)制造特殊專用鉆頭的方向發(fā)展。

        1.2 偏心擴(kuò)眼工具

        偏心工具,鉆擴(kuò)眼系統(tǒng)是在雙心擴(kuò)眼鉆頭的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。由于采用和領(lǐng)眼鉆頭分體安裝的兩件式設(shè)計(jì),因而對所使用的領(lǐng)眼鉆具組合和鉆頭沒有限制。該工具本身沒有活動(dòng)部件,所以可避免擴(kuò)眼刀翼落井的危險(xiǎn)。由于擴(kuò)眼總成呈不對稱分布,鉆柱旋轉(zhuǎn)所形成的離心力,迫使擴(kuò)眼總成沿徑向外移進(jìn)行破巖擴(kuò)眼作業(yè)[5]。

        偏心工具采用硬質(zhì)合金為支撐,金剛石復(fù)合片為切削齒,并在幾何形狀方面進(jìn)行了布置,以提高切削能力,緩解切削齒破碎和磨損的速度。切削齒表面高度拋光,以減少剪切應(yīng)力,改善排屑能力。通過對擴(kuò)眼刀翼的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)從通過直徑到擴(kuò)眼井徑的平滑過渡,是系統(tǒng)更加穩(wěn)定。主要應(yīng)用范圍限于易膨脹和疏松地層。其缺點(diǎn)是對下部鉆具組合的性能影響較大,井斜和方位的變化難以預(yù)測,扭矩脈沖過高,所形成的井徑不規(guī)則,受地層影響較大,并且不能鉆套管水泥塞。

        1.3 同心擴(kuò)眼工具

        同心擴(kuò)眼器與偏心擴(kuò)眼器最大的區(qū)別是其幾何結(jié)構(gòu)上與偏心擴(kuò)眼工具不同,各擴(kuò)眼刀翼為同軸設(shè)計(jì),這些刀刃構(gòu)成的圓心線與鉆柱軸線重合,并且其他部件也都是以幾何中心線為軸線對稱分布,這種設(shè)計(jì)能在很大程度上減少鉆井中的有害振動(dòng)。切削刀翼展開后為對稱設(shè)計(jì),在應(yīng)用上相當(dāng)與一個(gè)穩(wěn)定器。

        從工作原理(或者擴(kuò)眼機(jī)構(gòu)動(dòng)力來源)是來說,可分為兩種類型,一種是通過液壓動(dòng)力實(shí)現(xiàn)擴(kuò)眼刀刃的擴(kuò)張,另一種是依靠機(jī)械作用力通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)眼刀刃的伸縮該工具。由于具有對稱的幾何結(jié)構(gòu),因此在鉆進(jìn)過程中也具有比偏心擴(kuò)眼器較穩(wěn)定的工作狀態(tài),可執(zhí)行鉆套管內(nèi)的水泥塞等作業(yè)。鉆具組合設(shè)計(jì)方面也有所不同,根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況來看,采用的方式有,領(lǐng)眼井段采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具再加上同心擴(kuò)眼器及其它組件等形成隨鉆擴(kuò)眼鉆具組合,也有采用常規(guī)穩(wěn)定器加上同心擴(kuò)眼器的組合方式。

        2 擴(kuò)眼工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

        2.1 隨鉆擴(kuò)眼工具水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

        在隨鉆擴(kuò)眼鉆進(jìn)過程中,存在井底和鉆頭上部兩個(gè)破巖位置,兩個(gè)破巖工具同時(shí)工作,在現(xiàn)有的地面機(jī)泵條件下,如何合理分配鉆井液能量,在兩個(gè)部位同時(shí)滿足鉆井液輔助破巖、清洗、冷卻和潤滑的要求,是一個(gè)難題。如果處理不當(dāng)則會(huì)顯著降低破巖鉆進(jìn)效率,并很可能引起鉆頭泥包、井徑不規(guī)則、井眼環(huán)空中局部巖屑沉積、工具磨損加劇等鉆井安全隱患,因此合理的水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是隨鉆擴(kuò)眼鉆井工具及技術(shù)研究的一個(gè)重點(diǎn)[5]。

        圖1 帶反置噴嘴的Trimax擴(kuò)眼工具

        例如,Trimax的擴(kuò)眼工具(見圖1)下方布置了可更換的反置噴嘴,噴嘴的結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生一個(gè)很輕的峰值,可將巖屑吸離鉆頭表面,在相對低的循環(huán)排量下實(shí)現(xiàn)攜帶巖屑,并能減少巖屑滑落速度,消沉鉆頭對井下巖屑的重復(fù)研磨,并且可以防止鉆頭泥包現(xiàn)象;同時(shí)還能產(chǎn)生欠平衡狀態(tài)下的鉆井效果,工具的這種性能大幅度提高了隨鉆擴(kuò)眼的鉆進(jìn)速度。如果采用牙輪為切削元件,水力的輔助切削、清洗的作用顯得尤為重要,很多國外公司在這方面都具有獨(dú)有的專利設(shè)計(jì),如采用反向噴嘴和多噴嘴結(jié)構(gòu),以及斜向加長噴嘴,使清洗更徹底[2]。

        2.2 擴(kuò)眼工具執(zhí)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

        隨鉆擴(kuò)眼鉆具組合的選擇依據(jù)是所鉆井的井況、地層和井身結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)方式的不同,確定不同的鉆具組合,如:常規(guī)套管下隨鉆擴(kuò)眼組合;旋轉(zhuǎn)近鉆頭擴(kuò)眼模式;導(dǎo)向擴(kuò)眼鉆具組合(見圖2)。用對現(xiàn)有工具的適應(yīng)性和匹配性進(jìn)行研究,充分發(fā)掘各種類型工具的優(yōu)勢,在直井、斜井、定向井中都能有不同的鉆具組合方案進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè),不斷地對各個(gè)裝置、參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,切實(shí)提高工具的可靠性,形成系列化隨鉆擴(kuò)眼工具[3]。

        圖2 Weatherford公司的RipTide導(dǎo)向擴(kuò)眼工具組合

        2.3 擴(kuò)眼總成的優(yōu)化

        在基于對PDC鉆頭破巖工具研究的基礎(chǔ)上,在切削齒結(jié)構(gòu)、布齒方式、冠部形狀等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),進(jìn)而減少實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的振動(dòng)、井徑不規(guī)則、工具壽命偏小等問題[3]。

        遼河油田在研究不同地區(qū)側(cè)鉆井?dāng)U眼的基礎(chǔ)上,對最初的模仿PDC鉆頭切削方式的擴(kuò)眼刀片進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),研制出適用于不同地層的6種擴(kuò)眼刀片,純泥巖擴(kuò)眼刀片、純砂巖擴(kuò)眼刀片、松散砂泥巖互層擴(kuò)眼刀片、硬質(zhì)砂泥巖互層擴(kuò)眼刀片、研磨性中以下砂泥巖擴(kuò)眼刀片、研磨性中以上砂泥巖擴(kuò)眼刀片,針對所遇不同的地層情況,旋轉(zhuǎn)合適的刀片[1]。

        在針對擴(kuò)眼工具在井下工作時(shí)要穿越多套地層,不可能按照巖性在擴(kuò)眼中途更換刀片,長井段擴(kuò)眼施工,強(qiáng)研磨性地層對擴(kuò)眼工具和刀片的研磨性要求很高,工具在強(qiáng)研磨性地層作業(yè)后,刀體、刀片磨損嚴(yán)重,在針對這一情況,對提高刀片耐磨性方面進(jìn)行了專項(xiàng)研究,進(jìn)行了三點(diǎn)改進(jìn)[5]:

        (1)選用搞耐磨性的耐磨材料

        針對強(qiáng)研磨性地層,較多地選用了SK31X聚晶金剛石耐磨材料這種材料硬度達(dá)到HRA97.0,抗彎強(qiáng)度1200N/mm,密度14.9/cm,具有良好的熱穩(wěn)定性,在高溫條件下仍能保持高的硬度、韌性、耐磨性,所以在強(qiáng)研磨性地層也能實(shí)現(xiàn)高速擴(kuò)眼。

        (2)提高擴(kuò)眼切削機(jī)構(gòu)

        早期的切削結(jié)構(gòu)只在刀片兩翼增加了耐磨顆粒的分布,而強(qiáng)研磨性的巖層對刀體的正面、側(cè)面、立面都有研磨作用,因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不適合強(qiáng)研磨性地層的要求。

        經(jīng)改進(jìn),將切削部分設(shè)計(jì)成臺(tái)階狀,刀片側(cè)翼面采用柱狀聚晶金剛石,正面采用柱狀和粒狀超硬材料,立面為片狀超硬材料。刀體的這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),不但加強(qiáng)了刀體對地層的切削能力,而且保證了刀體和工具體之間的間隙,有利于鉆井液對刀體的冷卻,增加了擴(kuò)眼效率。

        (3)改進(jìn)刀體和切削塊的焊接方式

        改進(jìn)了原來切削塊和刀體焊接的孕鑲方式的焊接,在刀體和井壁的三個(gè)接觸面上焊上耐磨材料,切削塊與刀體采用高強(qiáng)度符合材料燒結(jié)成整體,使切削塊與刀體結(jié)合強(qiáng)度大幅提高,抗沖擊能力明顯增強(qiáng),大大提高了工具穿越夾層的能力[1]。

        3 結(jié)束語

        隨鉆擴(kuò)眼是邊鉆進(jìn)邊擴(kuò)眼,底部鉆具組合的特性與常規(guī)鉆井有所不同,同時(shí)實(shí)際應(yīng)用也要求在設(shè)計(jì)和選擇隨鉆擴(kuò)眼鉆具組合時(shí)必須考慮其整體穩(wěn)定性,保證整個(gè)底部鉆具組合能夠在一種平穩(wěn)的狀態(tài)進(jìn)行工作,保證隨鉆擴(kuò)眼工具和鉆頭的切削效率和壽命,防止由于在底部鉆具組合中加入隨鉆擴(kuò)眼工具而使鉆出的軌跡不能達(dá)到實(shí)際要求。所以在進(jìn)一步的研究工作中,應(yīng)注意以下關(guān)鍵點(diǎn):

        (1)應(yīng)注重整體式設(shè)計(jì),重視隨鉆擴(kuò)眼器與鉆具組合的同步性,進(jìn)行隨鉆擴(kuò)眼鉆具組力學(xué)特性研究以及鉆具組合設(shè)計(jì)和鉆井參數(shù)優(yōu)選方法研究。

        (2)優(yōu)化設(shè)計(jì)刀翼結(jié)構(gòu),針對不同地層進(jìn)行合理布齒方法和切削齒性能研究。

        (3)加強(qiáng)現(xiàn)有工具適應(yīng)性和匹配性的研究,充分發(fā)揮各類工具的優(yōu)勢。

        [1]劉乃震,王延瑞.現(xiàn)代側(cè)鉆技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2009,169-190.

        [2]古亞敏.井下擴(kuò)眼裝置的研制現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].石油機(jī)械,2004,32,(增):132-134.

        [3]馬清明,王瑞和.隨鉆擴(kuò)眼工具及技術(shù)研究.天然氣工業(yè)[J].2004,26(3):71-74

        [4]夏 焱.隨鉆擴(kuò)眼工具結(jié)構(gòu)及與之相匹配的鉆具組合設(shè)計(jì)方法研究[D].中國石油大學(xué),2006.

        [5]J.McCarthy,SPE,J.Rebellon,SPE,S.Barton,SPE,R.Rambhai,SPE,NationalOilwell Varco.Study of Vertical Drilling Technology in High Dip and Applications of BHA with Offset Axes Sub,SPE paper 142431.

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