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1、石油钻探深井扩眼技术,深井扩眼技术,管下扩眼是一项不常用的技术,但随着石油工业的发展,钻井难度越来越大,特别在深井和超深井中,常会遇到狗腿、键槽和缩径等复杂情况,而且在深井钻井中要求下多层管柱,这就增加了对更耐用更可靠的管下扩眼器的需求,而以往常用的可胀开牙轮扩眼器存在着某些内在问题,如牙轮寿命短、水力参数有限及部件薄弱,导致使用效果不理想。,介绍塔参一井的扩眼施工,将一种新型的扩眼器与常规扩眼器作比较,介绍其工作原理和使用方法,对新型扩眼器存在的问题作分析,总结在现场使用过程中的注意事项。,塔参一井是塔里木探区第一口超深井,该井 244套管下至井深5312至井深7010,是由 216井眼完成
2、,裸眼井段长1798,井下垮塌掉块严重,自6958至7010有易缩径含膏白云岩,井下情况复杂,为保证钻达设计井深7500,决定提前下入套管。,由于在井深7000以上的超深井中钻具传递钻压小,循环压耗大,为了能在下部井段用 165钻头钻进,需下入尺寸较大的套管( 193套管),从而可以选择较大尺寸的钻具,既有在加压状态下钻具结构的稳定性,又可以降低水力循环压耗,减少地面设备的承压能力。同时,从对比井径测井曲线来看,该裸眼井段共存在8处井径缩小,缩径处平均井径177 8206.3。因此,必须对该裸眼井段使用扩眼器进行扩眼,以保证 193套管的顺利下入。,常规扩眼器,1、牙轮寿命 2、水力参数,常规
3、的井下扩眼器是在本体端部用销子固定三个臂组成,将牙轮钻头的一个牙轮牙爪焊接到臂的另一端,本体上包括一个活塞和凸轮总成,当开泵时液压力迫使凸轮向外推动臂,使牙轮压入地层,利用这种机理可使臂在预定的扩张直径处停止。一旦井眼下部被扩大到所需求的深度,停泵,使臂缩回到体内,然后通过限制井段将工具由井眼提出,牙轮寿命常规井下扩眼器牙轮寿命短的原因归结为使用牙轮钻头的牙轮,从而经常遇到这样一些问题:(1)牙轮的转速过快;(2)轴承不能承受井下扩眼的各种作用力;(3)失去保径作用;(4)切削结构不完整。,1、牙轮寿命,牙轮转速过大是由于使用小牙轮来扩较大直径的井眼,使用的牙轮尺寸在一定条件下应用时受到的限制
4、有要求牙轮必须缩回到工具体的关闭位置内;中心孔所占面积(该面积用于施加水力作用到钻头上或到达工具底端的圆头导向器上)。,在下部扩眼器上使用牙轮钻头牙轮的另一个缺点是轴承设计。在全面钻进钻头使用中,内外推力载荷趋于彼此抵消,这主要是由于牙轮和地层是充分啮合的,因此,对轴承座台肩不超载。然而,在下部扩眼器中,因为井眼中心已被钻掉,内推力负荷经常是主要力量,并且只有牙轮的外缘部分在钻井眼,轴颈内球轴承座圈台肩和牙轮没有足够强度承受住巨大的内推力载荷。,当牙轮连接到下部扩眼器上,要臂张开710才能达到所要求的扩眼尺寸,这引起保径面偏离井壁710,因此在下部扩眼器保径面与底锥相交处只是一个很狭窄的角,狭
5、窄的接触面使磨擦集中在某一点上,使该处井眼缩小。钻头牙轮上的切削结构由三个因素决定,即轴承设计、牙轮壳体厚度和在组装时三个牙轮必须相互啮合,用在下部扩眼器上牙轮的切削结构不能与同尺寸钻头的切削结构相比,不仅机械钻速受到影响,而且同井段所需的牙轮数也增加。,常规下部扩眼器的特征是在一个外体内装进全部总成构件,三个牙轮臂总成用铰链装在工具上,并压缩在工具体铣出的槽内。臂的固定机构包括铰链销、螺丝等也是由外体支撑。为了容纳牙轮臂和其它零件,外体必须是厚壁结构,反过来就要求限制中心孔区域的大小,外体中心孔支承一个心轴或一个活塞总成,因此液流流过心轴或活塞总成的区域受到限制,而且安全通过工具的最大泵流量
6、也受到限制在工具上不安喷嘴,即使安了喷嘴,也不同于钻头喷嘴，使液流喷射到所钻的地层上,因此在牙轮表面上的清洗不足。,2 水力条件,根据塔参一井的实际井下情况,考虑到常规扩眼器所存在的弊端,选用贝克休斯公司.7 251自锁式扩眼器。这种扩眼器主要由心轴、外滑套(本体)、液缸、弹性卡簧、压套橡胶密封圈、棘形凸缘体(下端带喷嘴)、切削刀、本体下部带扶正器块及可拉钻头母扣组成。,贝克休斯公司.7 251自锁式扩眼器,相对于常规的井下扩眼器所存在的问题来说,这种扩眼器将切削结构接到刀臂上,取代了较大的牙轮切削结构,同时切削结构不再被嵌入大的容腔内,增加了工具体的强度和传递钻压的能力,工具本体质量的增加反
7、过来又有利于刀臂的固定和支撑。刀臂的促动和打开后的锁紧由内压力差严格控制。促动器心轴边接到弹簧系统上,由液压操作,以打开或关闭刀臂,与其它钻井参数(钻压、扭矩、转数等)无关。,内心轴促动刀臂的部位紧靠切削机构,以帮助分配管下扩眼过程中产生的侧向载荷。工具装有喷嘴,将液流引向刀臂,使刀臂直接受到流体的循环和冷却,清洗岩屑,降低扭矩,并相应增加机械钻速,延长刀臂的寿命。喷嘴可更换,以便调节流量、泵压和水马力。,扩眼器工作原理及参数要求,1 工作原理 当钻井液排量达到一定量时(一般11/左右),在扩眼器组件处产生压降为4左右,钻井液就通过心轴靠近液缸的内孔进入液缸,在压降作用下推动液缸上升,顶到弹性
8、卡簧处带动滑套上行,其行程为60,此时棘形凸缘体顶开刀背,并与刀背的凹体部分啮合,使扩刀打开,然后启动转盘切削井壁。,在切削过程中,刀臂扩张从小到大不断伸展至直径为250 8开始造台肩座刀工作。在切削刀张开过程中,扭矩表显示由高到低,最后扭矩表变化平稳在某一值波动,说明切削刀已完全张开,此时井眼直径基本为切削刀完全张开直径,均匀送钻,钻压有显示,说明台肩已造好,继续送钻如果钻压上升,由1上升为3,扭矩也由低变高,则说明切削刀已坐位,此时可均匀进行扩眼。造台肩坐刀时基本参数为:钻压01,转速5060/,排量23/。,反之,若钻压无明显变化,扭矩波动变化大,则说明切削刀没坐好,须停止送钻,待扭矩变
9、化稳定后再送钻。若地层易碎或极软,即使造好台肩,在送钻冲击下,岩石易破碎或易切削,钻压显示也不明显,需根据实际情况作出判断。在接单根或上提起钻时,首先停泵停转盘,然后上提钻具,提到井眼直径比已扩井径小的井段后,暂停一下,再继续缓慢上提,在小井径段要控制上提速度,预防因切削臂被岩屑卡住未能完全缩回,在硬提作用下使切削臂反面受到挤压,导致心轴与切削臂受到损伤。,如果上提过程中摩阻一直比正常起下钻摩阻大,则说明切削刀未完全缩回,应下放钻具到井径扩大的井段。小排量开泵(此排量不至于使切削臂打开),高速转动转盘,靠离心作用甩动刀臂,恢复伸张自如状态,然后上提。如果仍遇阻很大,则反复上述动作,直到钻具顺利
10、起出。,2 扩眼钻进参数要求,根据扩眼器的性能参数和该工具的尺寸,同时根据井深和所用钻具组合的尺寸,用或金刚石扩刀则最佳转速为所扩井段原全面钻进钻头转速的2/3。另外根据地层岩性和井下具体工况对此值进行调整。较理想的机械钻速是转盘每100转送钻0.3,在硬地层,若扩眼速度过快,岩屑上返困难,易聚集扩刀处形成重复破碎,损坏切削齿,同时易使扩刀螺旋进入小井眼,使扩刀不能完全扩张,在外力作用下易损坏扩眼器的内部件。,在现场施工中,要根据地层岩性,参考同井段全面钻进钻时,以及结合扩眼扭矩值大小来确定合理的机械钻速。自锁式扩眼器无钻压的限制,所加钻压要根据所用扩眼器的尺寸和切削刀的类型来确定,用或金刚石
11、扩刀,则为正常钻进相应齿形钻头的一半或稍低。在现场施工中,要根据扭矩值大小和地层岩性情况合理调整。造台肩或接单根下探台肩与小井径井段用小钻压,一般为01,待正常吃入地层后加正常钻压,以免破坏台肩或突入小井眼。造台肩时尽量用小排量,然后慢慢开大排量,般在1113/较合适,正常扩眼时,排量可达到同尺寸井眼正常钻进时的排量,但需根据泵压进行调整,因泵压不易过高。,现场施工,自1997年11月9日至12月3日共花费两个扩眼器、六套复合刀片,具体情况见表1。扩眼器每次入井前,必须在井口试操作,目的是观察在一定排量下扩眼器扩张和收缩刀臂的自由程度,以及滑套与心轴之间的密封情况。,将扩眼器接上方钻杆,缓慢下
12、放到导管内的适当位置,缓慢开泵,排量从小到大,可达1113/,泵压1,注意观察刀臂的伸缩情况及扩眼器的密封情况,若排量达到一定量时扩刀张开,密封完好,停泵后扩刀自动收缩,则可接钻具下钻,否则起出检修。塔参一井扩眼后,起下钻摩阻从扩眼前的2030下降为610,下套管时,摩阻最大为16,平均为610,说明扩眼效果良好。,在固井过程中,7010的超深井,注水泥压力为1822,比计算压力低,证明扩眼后增加了环空间隙,降低了环空压耗和地面管汇压力,保证了注水泥的一次成功。在现场操作中观察到扩眼器存在的问题有:扩眼器喷嘴布局不合理,对扩刀的冷却效果差,不利于扩刀周围岩屑的上返及井眼的净化。扩眼器强度不够,难以克服硬地层的挤压磨损,从两只扩眼器起出情况看,本体、刀片及支撑筋、扶正器外径均磨小23,本体上有明显刻痕,支撑筋发生轻微挤压变形。刀片选择不合理。,本井使用大复合切削片,损坏2/3以上,每个刀片有一个复合片,5个保径齿,三个刀片共30个复合片,多数为崩落、折断、龟裂,扩刀张开最大外径缩小10,降低了扩眼效果。,先进高效的随钻括眼系统,