閆偉 魏來 左凱 郝宙正 劉禹銘 孔學(xué)云 蔣暢

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司

隨鉆擴眼技術(shù)是采用隨鉆擴眼工具和常規(guī)鉆頭，在全面鉆進的同時擴大裸眼段尺寸，使其大于上部套管串內(nèi)徑的一種鉆井技術(shù)［1］，在處理井下復(fù)雜情況、降低鉆井綜合成本、提高固井質(zhì)量等方面具有顯著的優(yōu)勢［2-4］，隨鉆擴眼工具正逐漸成為一種重要的石油鉆井配套工具［5-7］。液壓式隨鉆擴眼器是應(yīng)用最成熟、最廣泛的一種隨鉆擴眼工具，國內(nèi)外油服公司均有自主的產(chǎn)品。常規(guī)液壓式隨鉆擴眼器是靠投球擊發(fā)執(zhí)行機構(gòu)［8］，決定了擴眼器必須安裝在LWD/MWD之上，且完成擴眼作業(yè)后無法進行大排量循環(huán)，另外對于非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)或者蠕變地層，無法完成多層位間歇性擴眼。針對以上問題，筆者研制了一種通過鉆井液脈沖信號［9］和鉆桿轉(zhuǎn)速信號指令控制的液壓擴眼器，并進行了指令下傳方式測試。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

無線指令電控式液壓擴眼器結(jié)構(gòu)如圖1所示。該工具主要包括液壓擴眼器、傳壓系統(tǒng)、脈沖器總成及電控系統(tǒng)總成(文中上、下按照工具習(xí)慣安裝方向定義，如圖1所示左端定義為上，右端定義為下)。液壓擴眼器采用海上油田應(yīng)用廣泛的投球打開的擴眼器，拆掉原擴眼器的球座總成，改換為傳壓系統(tǒng)，擴眼器的傳壓孔由投球控制的一次性打開轉(zhuǎn)變成指令控制的多次開關(guān)。

圖1無線指令電控式液壓擴眼器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the wireless signal based electric-control hydraulic reamer

傳壓系統(tǒng)由活塞套、活塞、彈簧、壓帽及推力桿組成。推力桿在受到脈沖器給出的向上的軸向力時，帶動活塞向上壓縮彈簧，使活塞套上傳壓孔與活塞上傳壓孔溝通，完成傳壓功能。在收回指令下，推力桿在彈簧的回彈力和鉆井液的沖擊力作用下，帶動活塞下移，傳壓孔關(guān)閉。脈沖器總成是執(zhí)行機構(gòu)，負(fù)責(zé)給電控系統(tǒng)供電和在接收到電控系統(tǒng)發(fā)出的指令后，完成軸向運動。電控系統(tǒng)是本工具的核心部件，如圖2所示，包括電源模塊、控制芯片及陀螺儀等，其中陀螺儀是轉(zhuǎn)速傳感器，獲取鉆桿轉(zhuǎn)速，用于鉆桿轉(zhuǎn)速下傳指令的解碼?？刂菩酒?DSP)是實現(xiàn)控制功能的關(guān)鍵部分，芯片具備信號識別功能，識別到固定電壓變化波形后下傳供電，控制脈沖器的電磁閥開關(guān)，從而實現(xiàn)擴眼器刀翼的伸出/收回動作。

圖2電控系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of the electric control system

1.2 工作原理

無線指令電控式擴眼器隨鉆井管柱一起下入，依情況可安放在MWD/LWD之上，亦可安放在其下。擴眼器刀翼通過獲取改變鉆井液旁通器或手動調(diào)節(jié)泥漿泵排量產(chǎn)生的鉆井液脈沖信號，或鉆桿轉(zhuǎn)速變化信號等3種指令方式實現(xiàn)伸縮。傳壓系統(tǒng)可以根據(jù)需要進行多次開關(guān)，電控系統(tǒng)具備記憶功能，每次停泵斷電，再開泵供電工作時，系統(tǒng)會保持上次斷電前的工作狀態(tài)。下鉆到擴眼位置時，啟動打開控制程序，傳壓系統(tǒng)打開，管柱內(nèi)的液體壓力傳遞至刀翼處，液體壓力推動刀翼伸出，開始造型擴眼；擴眼完畢后，下傳關(guān)閉控制程序，傳壓系統(tǒng)關(guān)閉，管柱內(nèi)的液體壓力無法傳遞至刀翼處，復(fù)位彈簧推動刀翼縮回。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

適用井徑215.9 mm，最大擴眼井徑241.3 mm，工具最大外徑203.2 mm，擴眼推薦排量1.9~2.1 m3/min，下傳指令時鉆井液排量2~2.2 m3/min。

1.4 技術(shù)特點

(1)實現(xiàn)了由鉆井液脈沖信號和鉆桿轉(zhuǎn)速信號控制液壓擴眼器動作；

(2)無線指令電控式擴眼器可安放在MWD/LWD之下，縮短了井眼領(lǐng)眼長度;

(3)在下傳關(guān)閉指令后，傳壓孔關(guān)閉，鉆井液壓力不會使刀翼伸出；

(4)可依據(jù)作業(yè)平臺空間情況，選擇適合的控制方式：平臺空間大，可選鉆井液旁通器控制方式；空間局限，可選手動調(diào)節(jié)泥漿泵排量或者鉆桿轉(zhuǎn)速控制方式。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計及分析

2.1 傳壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析

脈沖器在收到打開控制指令后，脈沖器活塞(見圖3)在液壓油的作用下促使推力桿向上運動［10］，傳壓系統(tǒng)中的活塞和活塞套上的傳壓孔溝通(見圖4a)，鉆井液被分流，一部分向上流動使刀翼伸出，一部分繼續(xù)向下循環(huán)。而脈沖器在收到關(guān)閉控制指令后，在彈簧的回彈力和鉆井液的沖擊力下，推動推力桿和活塞向下運動，傳壓孔關(guān)閉(見圖4b)，刀翼收回。設(shè)計時，應(yīng)重點考慮打開傳壓孔時，脈沖器活塞推力大于彈簧阻力與流體沖擊阻力之和。

圖3脈沖器活塞結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the piston in the pulse generator

圖4傳壓系統(tǒng)Fig.4 Pressure transmission system

活塞缸產(chǎn)生的推力為1

彈簧阻力為

鉆井液沖擊力為

式中，F(xiàn)為脈沖器活塞產(chǎn)生的推力，N；p為脈沖器標(biāo)定后的液壓油產(chǎn)生的壓力，Pa；A1為脈沖器活塞截面積，m2；D1為脈沖器活塞外徑，m；F彈為彈簧壓縮載荷，N；k為彈簧剛度，N/mm；fb為彈簧變形量，mm；G為切變模量，MPa；d為彈簧線徑，mm；D2為彈簧中徑，mm；Nc為彈簧有效圈數(shù)；F液為鉆井液沖擊力，N；ρ為流體密度，kg/m3；A2為流道截面積，m2；v為流體速度，m/s；D3為流道截面直徑，m；Q為流體流量，m3/s。

將參數(shù)代入公式(1)~(3)得F=4 874 N，F(xiàn)彈=124 N，F(xiàn)液=974 N。傳壓孔溝通后，推力桿的有效面積與流道總面積的比值為0.4，故流體作用在推力桿上的阻力為974×0.4=390 N，則彈簧阻力與鉆井液作用在推力桿上的阻力之和為414 N，遠(yuǎn)小于脈沖器活塞產(chǎn)生的推力4 874 N，滿足設(shè)計要求。

2.2 傳壓系統(tǒng)沖蝕分析

為滿足液壓擴眼器的過流面積，在傳壓系統(tǒng)的活塞圓周上設(shè)置了8個方形槽。此槽是擴眼器的關(guān)鍵流體通道，應(yīng)考慮受鉆井液沖蝕情況。隨鉆擴眼作業(yè)過程中，鉆井液由鉆桿進入流道入口，并經(jīng)流道出口到外筒以外井眼環(huán)空，返出至井口。根據(jù)圖5結(jié)構(gòu)建立流體分析模型，運用Flow Simulation 流體分析模塊進行流體速度與沖蝕分析。

圖5傳壓系統(tǒng)沖蝕部件結(jié)構(gòu)簡圖Fig.5 Schematic structure of the erosion component in the pressure transmission system

根據(jù)現(xiàn)場隨鉆擴眼作業(yè)實際情況，模擬傳壓系統(tǒng)流場壓力與沖蝕結(jié)果，F(xiàn)low Simulation 邊界條件設(shè)置為：(1)顆粒物直徑0.1~0.12 mm，顆粒物中徑0.115 mm，入口固體相對液體流速10 m/s，質(zhì)量流量1.12 kg/s；(2)環(huán)境壓力101 325.00 Pa；(3)邊界層類型為湍流；(4)入口體積流量0.033 m3/s；(5)出口壁面材料密度7 850 kg/m3，侵蝕系數(shù)2×10?9，正?；謴?fù)系數(shù)1，切向恢復(fù)系數(shù)1。

由圖6模擬結(jié)果可以看出，流體經(jīng)出口進入外管環(huán)空后速度略有下降，此時出口最大流速17.83 m/s，說明在出口位置沒有明顯流速變化。傳壓系統(tǒng)中沖蝕最嚴(yán)重的位置為活塞出口的下壁面，該位置最大質(zhì)量沖蝕速率0.053 5 kg/(s · m2)。盡管顆粒物濃度較大時，會有更多的反彈顆粒物與入射顆粒物進行碰撞，可以引起沖蝕減緩，但相對入射顆粒物質(zhì)量相比而言，這種碰撞引起的沖蝕減緩作用可以忽略不計。

圖6傳壓系統(tǒng)模擬云圖Fig.6 Simulation cloud chart of the pressure transmission system

3 現(xiàn)場指令傳輸測試

在試驗井井口對3種指令傳輸方式進行一趟管柱連續(xù)測試。將鉆具組合連接至頂驅(qū)，開泵并下傳控制指令，記錄下傳排量、工作泵壓、指令傳輸時間等參數(shù)。鉆具組合：牙輪鉆頭+?127 mm 鉆桿+無線指令電控式擴眼器+MWD。

3.1 鉆井液旁通器指令下傳

鉆井液旁通器連接壓井管路，操作電腦控制其泄流進行指令下傳測試。打開指令下傳排量2 m3/min，旁通器關(guān)閉未泄流時泵壓4.5 MPa，旁通器打開泄流時泵壓低值3.5 MPa，140 s后電腦顯示指令下傳結(jié)束，5 s后泵壓降低至3 MPa，刀翼伸出，指令下傳成功。關(guān)閉指令下傳排量2 m3/min，旁通器關(guān)閉未泄流時泵壓3 MPa，旁通器打開泄流時泵壓低值2 MPa。170 s后，電腦顯示指令下傳結(jié)束，5 s 后泵壓升高至4.5 MPa，刀翼收回，指令下傳成功(圖7)。每個指令傳輸過程中開、關(guān)旁通器泄流8次，指令曲線固定不可更改。

3.2 手動調(diào)節(jié)排量指令下傳

圖7鉆井液旁通器排量指令下傳曲線Fig.7 Transmission curve of the displacement signal of drilling fluid bypass device

司鉆手動調(diào)節(jié)泥漿泵排量進行指令下傳測試。打開指令下傳排量高值2 m3/min，泵壓4.5 MPa；下傳排量低值1.6 m3/min，泵壓3.5 MPa?？紤]到人員手動操作，每次改變參數(shù)的時間存在誤差，每次時間誤差為±2 s，約140 s后，所有調(diào)節(jié)操作完成，5 s后泵壓降低至3 MPa，刀翼張開，指令下傳成功。關(guān)閉指令下傳排量高值2 m3/min，泵壓3 MPa；下傳排量低值1.6 m3/min，泵壓2 MPa。約170 s后，所有調(diào)節(jié)操作完成，5 s后泵壓升高至4.5 MPa，刀翼收回，指令下傳成功(圖8)。每個指令傳輸過程中調(diào)節(jié)泥漿泵排量8次，指令曲線固定不可更改。

圖8手動調(diào)節(jié)泥漿泵排量指令下傳曲線Fig.8 Transmission curve of the displacement signal of manually regulated slurry pump

3.3 手動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速指令下傳

司鉆手動調(diào)節(jié)頂驅(qū)轉(zhuǎn)速進行指令下傳測試。打開指令下傳排量2 m3/min，泵壓4.5 MPa，轉(zhuǎn)速高值50 r/min，轉(zhuǎn)速低值5 r/min?？紤]到人員手動操作，每次改變參數(shù)的時間存在誤差，每次時間誤差為±2 s，140 s后，所有調(diào)節(jié)操作完成，5 s后泵壓降低至3 MPa，刀翼張開，指令下傳成功。關(guān)閉指令下傳排量2 m3/min，泵壓3 MPa，轉(zhuǎn)速高值50 r/min，轉(zhuǎn)速低值5 r/min。170 s后，所有調(diào)節(jié)操作完成，5 s后泵壓升高至4.5 MPa，刀翼收回，指令下傳成功(圖9)。每個指令傳輸過程中調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速8次，指令曲線固定不可更改。

本次無線指令電控式擴眼器指令傳輸測試過程中，傳輸時間、壓力等下傳參數(shù)穩(wěn)定，擴眼器刀翼伸出和收回正常，指令傳輸不受MWD脈沖波動影響，傳輸成功率高，操作方便且容錯率高。

4 結(jié)論

(1)利用調(diào)節(jié)鉆井液排量(鉆井液旁通器調(diào)節(jié)和司鉆手動調(diào)節(jié))、鉆桿轉(zhuǎn)速等方式，結(jié)合脈沖器的機械功能，設(shè)計了無線指令電控式擴眼器，經(jīng)現(xiàn)場測試，3種指令控制方式均能實現(xiàn)擴眼器刀翼的關(guān)閉和伸開，性能參數(shù)滿足作業(yè)現(xiàn)場要求。

(2)本擴眼器實現(xiàn)了指令控制的功能，刀翼伸縮位置、擴眼器的振動等關(guān)鍵參數(shù)將是下一步的攻關(guān)方向。