液压随钻扩孔器的研制

邓都都,陈云龙,蔡家品,阮海龙,赵义

(北京探矿工程研究所,北京 100083)

0 引言

随钻扩孔器是在钻井过程中对井眼进行扩大的一种井下工具[1,2]。该工具能够改变井身结构,通过扩孔可以减小套管柱之间的间隙,提高钻探的机械钻速,有效降低钻井成本;在钻井过程中遇到了盐膏层段时,其蠕变缩径会造成卡钻、挤压套管等问题,采用井下随钻扩眼器能避免因盐膏层蠕变带来的钻井复杂事故,有效地保护套管,提高钻井的安全性;在固井时,通过井下扩孔技术,在不改变套管尺寸的情况下,可增加套管的环空间隙,有利于提高固井质量;在老井的储层改造中,采用随钻扩孔器能够在不伤害井身结构的同时,对储层进行扩大,提高矿藏的采收率。因此,随钻扩孔器作为一种多用途的井下作业工具,在国内外钻井现场中应用非常广泛[3-5]。

1 随钻扩孔器的技术现状

目前国内外对随钻扩孔器的研究较为深入[6-9],形成的产品也多种多样,现在已基本淘汰了固定翼式和机械扩张式的扩孔器,主流产品均为滑移液压扩张式扩孔器。滑移液压扩张式扩孔器的动作可靠,钻井效率高,其控制方式大多采用投球或压差开启方式,刀翼收回则普遍采用停泵卸压后靠弹簧收回的方式。工具结构主要采用整体式工具体,或者由两个短节组成。刀翼普遍采用硬质合金体镶嵌PDC块,并带倒划眼功能的结构形式。该工具普遍可以在原井眼尺寸基础上将井眼实际扩大20%以上,有的甚至可以达到50%以上。

中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院联合中国石油大学研制了YK 304-444.5随钻扩孔器[10],扩孔器的结构如图1所示。该扩孔器工作中开泵后,钻井液流经活塞上的喷嘴产生一定的压降,由此形成的压力推动活塞下行,活塞上的支撑装置支撑3个扩眼刀翼外张,当扩眼刀翼达到最大外张位置时,可进行扩眼钻进作业;作业完毕停泵后,压力降消失,活塞在复位机构的作用下复位,扩眼刀翼将同时收回刀槽内。

图1 YK304-444.5随钻扩孔器结构示意图Fig.1 Structure diagram of YK304-444.5 reamer while drilling

中海油与中国石油大学(北京)、宝鸡石油机械有限公司合作研发了一款直径152.4 mm 的液压随钻扩孔器[11],该扩孔器结构示意如图2所示。扩孔时,投入小钢球并加压,在压力作用下将剪切销钉剪断,下球座下行,下接头内部有喷嘴,在压力作用下喷嘴内外会产生压耗,工具腔体憋压,在压力作用下活塞上行,推动上限位体、刀翼及下限位体等上行,刀翼沿凹形槽向外伸出,钻井液从密封套内部经循环孔进入活塞内部小孔,一部分进入密封套与本体间隙并经凹形槽喷出,另一部分经下限位体的移动喷嘴喷出,达到冲洗刀翼的目的。扩眼作业结束后,停泵泄压,刀翼在复位弹簧的作用下自动收回,如果刀翼收回失败,投大钢球并加压,在压力作用下剪断剪切销钉,上球座下行,推动活塞等下行,实现刀翼自动收回。上接头内有循环孔,在刀翼强行收回的过程中能建立循环。

图2 直径152.4 mm液压随钻扩孔器结构图Fig.2 Structure diagram of 152.4 mm hydraulic reamer while drilling

图3为斯伦贝谢公司研制的Rhino XS系列全排量可伸缩扩眼器[12]。在正常钻井作业状态下,该随钻扩眼器的刀翼在弹簧结构的控制下紧贴心轴,当钻进至待扩眼地层时,投球憋压,滑筒销钉被剪断,滑筒下行,改变流体流动通道,流体分流至钻具内和扩眼器水眼两部分;开泵并逐渐提排量,当钻具内外压差达到5.5 MPa时,推动扩眼器活塞,使得扩眼刀翼克服弹簧推力并沿本体的“Z”型槽向上、向外推出,扩眼器激活到扩眼状态;当扩眼结束停泵后,弹簧机构推动扩眼器刀翼下行并沿本体槽收回。

图3 Rhino XS系列扩眼器结构示意图Fig.3 Structure diagram of Rhino XSseries reamer

图4为威德福Rip Tide扩眼器[13],该扩眼器分为上、下两短节,上短节为控制部分,下短节为扩眼器部分。上部分可通过两种方式控制动作,即投球和射频识别RFID(Radio-Frequency Identification),采用RFID方式控制扩眼器开闭时,泵送1个小型射频发射器到扩眼器,使扩眼器控制部分接收到“开”或者“闭”的指令,然后开始相关的动作。

图4 RipTide扩眼器结构示意图Fig.4 Structure diagram of Rip Tide reamer

通过对国内外液压随钻扩孔器的调研以及现场应用情况的分析,发现还存在着以下一些问题:①因泥包等各类井下复杂情况,可能造成弹簧的推力不能顺利使刀翼完全缩回,导致工具无法正常回收;②由于井下环境非常恶劣,扩眼作业前扩孔器内容易进入岩屑,堵塞水眼及内部流道;③刀翼张到最大位置后没有锁死机构或刀翼随压力变化振动明显,导致实际扩出的井眼尺寸不规则;④刀体的连接部位较为薄弱,在工作过程中易由于应力集中而发生疲劳断裂;⑤无限位结构,钻井时刀翼可能过度张开,存在一定的安全隐患。鉴于国内外液压随钻扩孔器使用过程中存在着上述的一些问题,因此设计制造了一套新型的液压随钻扩孔器,下面对该扩孔器的技术特点进行详细介绍。

2 结构设计

2.1 结构特点

液压随钻扩孔器结构如图5所示,主要由上接头、活塞、弹簧、内外管、锁紧机构、捕球器、限位器、刀翼、推杆、钢球等组成。其中活塞与外管配合,能够在内管中移动一段距离;弹簧安装在活塞下端,刀翼需要回收时弹簧能推动活塞上移;推杆与刀翼连接,内管下移时,推杆将推动刀翼伸出;扩孔器下端安装有锁紧机构,当刀翼伸出后,锁紧机构会将刀翼锁住,减轻刀翼振动;刀翼采用高强度合金钢制成,沿着刀翼的端面镶嵌一圈PDC切削齿;在刀翼的上部安装有限位器,当刀翼张开到最大位置时就会被机械限位,可以保证刀翼扩张安全。

图5 液压扩孔器结构示意图Fig.5 Structural diagram of hydraulic reamer

本液压随钻扩孔器具有以下特点:①液压扩孔器外管直径124 mm,刀翼张开后最大扩眼直径270 mm;②刀翼上部设计有限位机构,能够保证刀翼不会过度张开,还可以通过调节限位机构的位置调整刀翼的张开角度,匹配不同的扩眼直径;③下部设计有锁紧机构,当刀翼张开后将内管锁住,能够减轻扩孔作业时刀翼的振动,提高扩眼时井壁的稳定性;④扩孔器的下部安装有液压回收机构,通过投球憋压利用液压作用力与弹簧配合能够有效地保证刀翼的正常回收。

2.2 工作原理

当钻井液经过活塞时,由于流道变窄,在活塞端面会产生压差,由此产生一定的压力推动活塞下移;活塞向下移动会带动内管下移,内管带动推杆转动将刀翼推出;刀翼固定在外管上,可以绕着销轴转动,在销轴上部安装有限位器,可以调节刀翼旋转的角度,实现不同的扩孔直径;在外管的下部安装有锁紧机构,当刀翼张开到合适的位置后,可以将内管锁住,这样可以有效地减轻钻井过程中刀翼的振动;在内管下部安装有捕球器,当需要回收扩孔器时,将钢球投入钻杆中,钢球会卡在捕球器上,堵住下面的流道,此时内部产生一定的压力,将内管推回,实现刀翼回收;内管推回后,钻井液从刀翼与外管的缝隙中流出,保证钻井作业能够正常进行。

3 扩孔器力学分析

3.1 活塞力学分析

由流体力学原理可知,钻井液在流经活塞处会产生一定的压力损失,扩孔器刀翼张开时的推力来源于加载在活塞承压面上的流体压降。该压降主要由喷嘴处的局部压降和活塞内部沿程压降两部分组成,其中在接头变径处产生的压降p1按以下的公式计算:

式中:p1为压降,MPa;ρ为钻井液密度,g/cm3;v为液体的平均流速,m/s;ξ为局部阻力系数,其值与活塞两个端面的截面积A1、A2有关系,一般按ξ=来计算。

在活塞内部的钻井液沿程压力损失按照以下公式计算:

式中:p2为沿程压降,MPa;λ为沿程水力摩阻系数;ρ为钻井液密度,g/cm3;l为流道长度,m;d为流道直径,m;v为流速,m/s。

钻井液的压降在活塞承压面产生的总推力按以下公式计算:

式中:F为活塞承压面产生的推力,N;D0为活塞承压面的直径,m;D为喷嘴当量直径,m。

钻井作业时,泥浆泵的排量为300 L/min,钻井液密度为1.2 g/cm3,设计的活塞外径为80 mm,活塞长度173 mm。计算不同活塞内径条件下钻井液在活塞上的作用力如表1所示。根据钻井的实际情况,活塞内径过小会导致流体能量损失过多,对钻头处的冲洗岩屑有较大影响;而当推力过小时,又很难将三个刀翼完全推出。综合上述两项因素,本设计中选择活塞内径为15 mm,由表1中可以得出作用在活塞上的推力接近3000 N。

表1 不同内径下钻井液流过活塞产生的推力Table 1 Thrust generated by drilling fluid flowing through piston under different inner diameters

3.2 刀翼强度分析

刀翼作为扩眼钻头中切屑岩石的部分,上面镶焊有聚晶金刚石复合片(PDC),实际扩孔作业时,依靠PDC来切削岩石。扩孔器设计采用三刀翼的结构,刀翼伸出到最大位置时,与轴线的夹角为26°,此时刀翼为悬臂结构,整个扩孔器强度最薄弱的位置位于该部分。运用有限元分析计算刀翼伸出到最大时的应力与应变,来校核扩孔器的强度。扩孔器刀翼选用630马氏体沉淀硬化不锈钢,该钢材具有高强度、高硬度,较好的焊接性能和耐腐蚀性能。首先,为了方便计算,对扩孔器的模型进行简化,去掉与强度校核不相关的零件。刀翼安装在外管上,实际只需要校核刀翼与外管的强度即可,将简化后的模型进行了网格划分,如图6所示。

图6 扩孔器刀翼网格划分Fig.6 Reamer blade meshing

扩孔时刀翼张开到最大,此时切削岩石的力全部加载在刀翼端面上。设定扩孔时刀翼受力为10 k N,通过有限元分析计算刀翼的应力与应变云图见图7和图8。从图中可以看出,刀翼最大的受力点位于推杆与刀翼的铰接处,最大应力为192 MPa;从应变云图中可以看出,最大应变在刀翼的最前端,最大的位移为0.084 mm。综合上述分析可以看出,在10 k N 作用力下,刀翼的结构强度能够满足使用需求。

图7 刀翼Mises应力云图Fig.7 Blade mises stress nephogram

图8 刀翼应变云图Fig.8 Blade strain nephogram

4 结论与建议

(1)本文研究了国内外多种随钻扩孔器的技术现状,找出了该工具在使用过程中存在的一些问题,针对这些问题,研制出了一套新型液压随钻扩孔器,并对该扩孔器的结构与工作原理进行了介绍。

(2)根据流体力学原理完成了液压扩孔器活塞的结构设计,通过有限元分析的方式完成了对扩孔刀翼的强度校核。

(3)解决扩孔作业时刀翼的剧烈振动、刀翼可靠的张开与回收等问题,是随钻扩孔器能否有效完成井下扩孔作业的关键。通过设计锁紧机构能够减轻刀翼工作时的振动,利用投球憋压与弹簧配合的方式,也尽可能地保证了刀翼的正常回收。

(4)随钻扩孔器作为一种多功能的井下工具,具有良好的应用前景。本文从原理上完成了该扩孔器的结构设计,下一步将在现场试验中对扩孔器的工作性能进行验证,从而进一步对液压随钻扩孔器进行优化与完善。