石油钻探深井扩眼技术.ppt

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1、石油钻探深井扩眼技术石油钻探深井扩眼技术深井扩眼技术深井扩眼技术 管管下下扩扩眼眼是是一一项项不不常常用用的的技技术术,但但随随着着石石油油工工业业的的发发展展,钻钻井井难难度度越越来来越越大大,特特别别在在深深井井和和超超深深井井中中,常常会会遇遇到到狗狗腿腿、键键槽槽和和缩缩径径等等复复杂杂情情况况,而而且且在在深深井井钻钻井井中中要要求求下下多多层层管管柱柱,这这就就增增加加了了对对更更耐耐用用更更可可靠靠的的管管下下扩扩眼眼器器的的需需求求,而而以以往往常常用用的的可可胀胀开开牙牙轮轮扩扩眼眼器器存存在在着着某某些些内内在在问问题题,如如牙牙轮轮寿寿命命短短、水水力力参参数数有有限限及

2、部件薄弱及部件薄弱,导致使用效果不理想。导致使用效果不理想。介绍塔参一井的扩眼施工介绍塔参一井的扩眼施工,将一种新型的将一种新型的扩眼器与常规扩眼器作比较扩眼器与常规扩眼器作比较,介绍其工作介绍其工作原理和使用方法原理和使用方法,对新型扩眼器存在的问对新型扩眼器存在的问题作分析题作分析,总结在现场使用过程中的注意总结在现场使用过程中的注意事项。事项。塔参一井是塔里木探区第一口超深井塔参一井是塔里木探区第一口超深井,该井该井 244套管下至井深套管下至井深5312至井深至井深7010,是是由由 216井眼完成井眼完成,裸眼井段长裸眼井段长1798,井下垮井下垮塌掉块严重塌掉块严重,自自6958至

3、至7010有易缩径含有易缩径含膏白云岩膏白云岩,井下情况复杂井下情况复杂,为保证钻达设计为保证钻达设计井深井深7500,决定提前下入套管。决定提前下入套管。由于在井深由于在井深7000以上的超深井中钻具传递钻压以上的超深井中钻具传递钻压小小,循环压耗大循环压耗大,为了能在下部井段用为了能在下部井段用 165钻头钻进钻头钻进,需下入尺寸较大的套管需下入尺寸较大的套管(193套管套管),从而可以选择较从而可以选择较大尺寸的钻具大尺寸的钻具,既有在加压状态下钻具结构的稳定性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又可以降低水力循环压耗,减少地面设备的承压能力。减少地面设备的承压能力。

4、同时同时,从对比井径测井曲线来看从对比井径测井曲线来看,该裸眼井段共存在该裸眼井段共存在8处井径缩小处井径缩小,缩径处平均井径缩径处平均井径177 8206.3。因。因此此,必须对该裸眼井段使用扩眼器进行扩眼必须对该裸眼井段使用扩眼器进行扩眼,以保证以保证 193套管的顺利下入。套管的顺利下入。常规扩眼器常规扩眼器1、牙轮寿命、牙轮寿命2、水力参数、水力参数 常规的井下扩眼器是在本体端部用销子固定常规的井下扩眼器是在本体端部用销子固定三个臂组成三个臂组成,将牙轮钻头的一个牙轮牙爪焊接将牙轮钻头的一个牙轮牙爪焊接到臂的另一端到臂的另一端,本体上包括一个活塞和凸轮总本体上包括一个活塞和凸轮总成成,

5、当开泵时液压力迫使凸轮向外推动臂当开泵时液压力迫使凸轮向外推动臂,使牙使牙轮压入地层轮压入地层,利用这种机理可使臂在预定的扩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张直径处停止。一旦井眼下部被扩大到所需求的深度的深度,停泵停泵,使臂缩回到体内使臂缩回到体内,然后通过限制然后通过限制井段将工具由井眼提出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原因归结为使用牙轮钻头的牙轮,从而经从而经常遇到这样一些问题常遇到这样一些问题:(1)牙轮的转速过牙轮的转速过快快;(2)轴承不能承受井下扩眼的各种作轴

6、承不能承受井下扩眼的各种作用力用力;(3)失去保径作用失去保径作用;(4)切削结构不切削结构不完整。完整。1、牙轮寿命、牙轮寿命 牙轮转速过大是由于使用小牙轮来扩较牙轮转速过大是由于使用小牙轮来扩较大直径的井眼大直径的井眼,使用的牙轮尺寸在一定条使用的牙轮尺寸在一定条件下应用时受到的限制有件下应用时受到的限制有要求牙轮必要求牙轮必须缩回到工具体的关闭位置内须缩回到工具体的关闭位置内;中心孔中心孔所占面积所占面积(该面积用于施加水力作用到钻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在下部扩眼器上使用牙轮钻

7、头牙轮的另一个缺点是轴承设计。在全面钻进钻头使用中点是轴承设计。在全面钻进钻头使用中,内外内外推力载荷趋于彼此抵消推力载荷趋于彼此抵消,这主要是由于牙轮和这主要是由于牙轮和地层是充分啮合的地层是充分啮合的,因此因此,对轴承座台肩不超载。对轴承座台肩不超载。然而然而,在下部扩眼器中在下部扩眼器中,因为井眼中心已被钻掉因为井眼中心已被钻掉,内推力负荷经常是主要力量内推力负荷经常是主要力量,并且只有牙轮的并且只有牙轮的外缘部分在钻井眼外缘部分在钻井眼,轴颈内球轴承座圈台肩和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。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当

8、牙轮连接到下部扩眼器上,要臂张开要臂张开710才才能达到所要求的扩眼尺寸能达到所要求的扩眼尺寸,这引起保径面偏离井壁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是一个很狭窄的角,狭窄的接触面使磨擦集中在某狭窄的接触面使磨擦集中在某一点上一点上,使该处井眼缩小。钻头牙轮上的切削结构使该处井眼缩小。钻头牙轮上的切削结构由三个因素决定由三个因素决定,即轴承设计、牙轮壳体厚度和在即轴承设计、牙轮壳体厚度和在组装时三个牙轮必须相互啮合组装时三个牙轮必须相互啮合,用在下部扩眼器上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

9、相牙轮的切削结构不能与同尺寸钻头的切削结构相比比,不仅机械钻速受到影响不仅机械钻速受到影响,而且同井段所需的牙而且同井段所需的牙轮数也增加。轮数也增加。常常规规下下部部扩扩眼眼器器的的特特征征是是在在一一个个外外体体内内装装进进全全部部总总成成构构件件,三三个个牙牙轮轮臂臂总总成成用用铰铰链链装装在在工工具具上上,并并压压缩缩在在工工具具体体铣铣出出的的槽槽内内。臂臂的的固固定定机机构构包包括括铰铰链链销销、螺螺丝丝等等也也是是由由外外体体支支撑撑。为为了了容容纳纳牙牙轮轮臂臂和和其其它它零零件件,外外体体必必须须是是厚厚壁壁结结构构,反反过过来来就就要要求求限限制制中中心心孔孔区区域域的的大

10、大小小,外外体体中中心心孔孔支支承承一一个个心心轴轴或或一一个个活活塞塞总总成成,因因此此液液流流流流过过心心轴轴或或活活塞塞总总成成的的区区域域受受到到限限制制,而而且且安安全全通通过过工工具具的的最最大大泵泵流流量量也也受受到到限限制制在在工工具具上上不不安安喷喷嘴嘴,即即使使安安了了喷喷嘴嘴,也也不不同同于于钻钻头头喷喷嘴嘴，使使液液流流喷喷射射到到所所钻钻的的地地层层上上,因因此此在在牙牙轮轮表表面面上上的的清清洗洗不足。不足。2 水力条件水力条件 根据塔参一井的实际井下情况根据塔参一井的实际井下情况,考虑到常规考虑到常规扩眼器所存在的弊端扩眼器所存在的弊端,选用贝克选用贝克休斯公司休

11、斯公司.7 251自锁式扩眼器。这自锁式扩眼器。这种扩眼器主要由心轴、外滑套种扩眼器主要由心轴、外滑套(本体本体)、液缸、液缸、弹性卡簧、压套橡胶密封圈、棘形凸缘体弹性卡簧、压套橡胶密封圈、棘形凸缘体(下下端带喷嘴端带喷嘴)、切削刀、本体下部带扶正器块及、切削刀、本体下部带扶正器块及可拉钻头母扣组成。可拉钻头母扣组成。贝克贝克休斯公司休斯公司.7 251自锁式扩眼器自锁式扩眼器 相相对对于于常常规规的的井井下下扩扩眼眼器器所所存存在在的的问问题题来来说说,这这种种扩扩眼眼器器将将切切削削结结构构接接到到刀刀臂臂上上,取取代代了了较较大大的的牙牙轮轮切切削削结结构构,同同时时切切削削结结构构不不

12、再再被被嵌嵌入入大大的的容容腔腔内内,增增加加了了工工具具体体的的强强度度和和传传递递钻钻压压的的能能力力,工工具具本本体体质质量量的的增增加加反反过过来来又又有有利利于于刀刀臂臂的的固固定定和和支支撑撑。刀刀臂臂的的促促动动和和打打开开后后的的锁锁紧紧由由内内压压力力差差严严格格控控制制。促促动动器器心心轴轴边边接接到到弹弹簧簧系系统统上上,由由液液压压操操作作,以以打打开开或或关关闭闭刀刀臂臂,与与其其它它钻钻井井参参数数(钻钻压压、扭扭矩矩、转转数数等等)无关。无关。内心轴促动刀臂的部位紧靠切削机构内心轴促动刀臂的部位紧靠切削机构,以帮助以帮助分配管下扩眼过程中产生的侧向载荷。工具装分配

13、管下扩眼过程中产生的侧向载荷。工具装有喷嘴有喷嘴,将液流引向刀臂将液流引向刀臂,使刀臂直接受到流体使刀臂直接受到流体的循环和冷却的循环和冷却,清洗岩屑清洗岩屑,降低扭矩降低扭矩,并相应增并相应增加机械钻速加机械钻速,延长刀臂的寿命。喷嘴可更换延长刀臂的寿命。喷嘴可更换,以以便调节流量、泵压和水马力。便调节流量、泵压和水马力。扩眼器工作原理及参数要求扩眼器工作原理及参数要求 1 工作原理工作原理 当钻井液排量达到一定量时当钻井液排量达到一定量时(一般一般11/左右左右),在扩眼器组件处产生压降为在扩眼器组件处产生压降为4左右左右,钻钻井液就通过心轴靠近液缸的内孔进入液缸井液就通过心轴靠近液缸的内

14、孔进入液缸,在在压降作用下推动液缸上升压降作用下推动液缸上升,顶到弹性卡簧处带顶到弹性卡簧处带动滑套上行动滑套上行,其行程为其行程为60,此时棘形凸缘体此时棘形凸缘体顶开刀背顶开刀背,并与刀背的凹体部分啮合并与刀背的凹体部分啮合,使扩刀打使扩刀打开开,然后启动转盘切削井壁。然后启动转盘切削井壁。在切削过程中在切削过程中,刀臂扩张从小到大不断伸展至直刀臂扩张从小到大不断伸展至直径为径为250 8开始造台肩座刀工作。在切削刀张开始造台肩座刀工作。在切削刀张开过程中开过程中,扭矩表显示由高到低扭矩表显示由高到低,最后扭矩表变化最后扭矩表变化平稳在某一值波动平稳在某一值波动,说明切削刀已完全张开说明切

15、削刀已完全张开,此时此时井眼直径基本为切削刀完全张开直径井眼直径基本为切削刀完全张开直径,均匀送钻均匀送钻,钻压有显示钻压有显示,说明台肩已造好说明台肩已造好,继续送钻如果钻压继续送钻如果钻压上升上升,由由1上升为上升为3,扭矩也由低变高扭矩也由低变高,则说明切则说明切削刀已坐位削刀已坐位,此时可均匀进行扩眼。造台肩坐刀时此时可均匀进行扩眼。造台肩坐刀时基本参数为基本参数为:钻压钻压01,转速转速5060/,排量排量23/。反之反之,若钻压无明显变化若钻压无明显变化,扭矩波动变化大扭矩波动变化大,则则说明切削刀没坐好说明切削刀没坐好,须停止送钻须停止送钻,待扭矩变化稳定待扭矩变化稳定后再送钻。

16、若地层易碎或极软后再送钻。若地层易碎或极软,即使造好台肩即使造好台肩,在在送钻冲击下送钻冲击下,岩石易破碎或易切削岩石易破碎或易切削,钻压显示也不钻压显示也不明显明显,需根据实际情况作出判断。在接单根或上提需根据实际情况作出判断。在接单根或上提起钻时起钻时,首先停泵停转盘首先停泵停转盘,然后上提钻具然后上提钻具,提到井眼提到井眼直径比已扩井径小的井段后直径比已扩井径小的井段后,暂停一下暂停一下,再继续缓再继续缓慢上提慢上提,在小井径段要控制上提速度在小井径段要控制上提速度,预防因切削预防因切削臂被岩屑卡住未能完全缩回臂被岩屑卡住未能完全缩回,在硬提作用下使切削在硬提作用下使切削臂反面受到挤压臂

17、反面受到挤压,导致心轴与切削臂受到损伤。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如果上提过程中摩阻一直比正常起下钻摩阻大大,则说明切削刀未完全缩回则说明切削刀未完全缩回,应下放钻具到井应下放钻具到井径扩大的井段。小排量开泵径扩大的井段。小排量开泵(此排量不至于使此排量不至于使切削臂打开切削臂打开),高速转动转盘高速转动转盘,靠离心作用甩动靠离心作用甩动刀臂刀臂,恢复伸张自如状态恢复伸张自如状态,然后上提。如果仍遇然后上提。如果仍遇阻很大阻很大,则反复上述动作则反复上述动作,直到钻具顺利起出。直到钻具顺利起出。2 扩眼钻进参数要求扩眼钻进参数要求 根根据据扩扩眼眼器器的的

18、性性能能参参数数和和该该工工具具的的尺尺寸寸,同同时时根根据据井井深深和和所所用用钻钻具具组组合合的的尺尺寸寸,用用或或金金刚刚石石扩扩刀刀则则最最佳佳转转速速为为所所扩扩井井段段原原全全面面钻钻进进钻钻头头转转速速的的2/3。另另外外根根据据地地层层岩岩性性和和井井下下具具体体工工况况对对此此值值进进行行调调整整。较较理理想想的的机机械械钻钻速速是是转转盘盘每每100转转送送钻钻0.3,在在硬硬地地层层,若若扩扩眼眼速速度度过过快快,岩岩屑屑上上返返困困难难,易易聚聚集集扩扩刀刀处处形形成成重重复复破破碎碎,损损坏坏切切削削齿齿,同同时时易易使使扩扩刀刀螺螺旋旋进进入入小小井井眼眼,使使扩扩

19、刀刀不不能能完完全全扩张扩张,在外力作用下易损坏扩眼器的内部件。在外力作用下易损坏扩眼器的内部件。在在现现场场施施工工中中,要要根根据据地地层层岩岩性性,参参考考同同井井段段全全面面钻钻进进钻钻时时,以以及及结结合合扩扩眼眼扭扭矩矩值值大大小小来来确确定定合合理理的的机机械械钻钻速速。自自锁锁式式扩扩眼眼器器无无钻钻压压的的限限制制,所所加加钻钻压压要要根根据据所所用用扩扩眼眼器器的的尺尺寸寸和和切切削削刀刀的的类类型型来来确确定定,用用或或金金刚刚石石扩扩刀刀,则则为为正正常常钻钻进进相相应应齿齿形形钻钻头头的的一一半半或或稍稍低低。在在现现场场施施工工中中,要要根根据据扭扭矩矩值值大大小小

20、和和地地层层岩岩性性情情况况合合理理调调整整。造造台台肩肩或或接接单单根根下下探探台台肩肩与与小小井井径径井井段段用用小小钻钻压压,一一般般为为01,待待正正常常吃吃入入地地层层后后加加正正常常钻钻压压,以以免免破破坏坏台台肩肩或或突突入入小小井井眼眼。造造台台肩肩时时尽尽量量用用小小排排量量,然然后后慢慢慢慢开开大大排排量量,般般在在1113/较较合合适适,正正常常扩扩眼眼时时,排排量量可可达达到到同同尺尺寸寸井井眼眼正正常常钻钻进进时时的的排排量量,但但需需根根据据泵泵压压进进行行调调整整,因因泵泵压压不不易易过过高。高。现场施工现场施工 自自1997年年11月月9日至日至12月月3日共花

21、费两日共花费两个扩眼器、六套复合刀片个扩眼器、六套复合刀片,具体情况见表具体情况见表1。扩眼器每次入井前。扩眼器每次入井前,必须在井口试操必须在井口试操作作,目的是观察在一定排量下扩眼器扩张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和收缩刀臂的自由程度,以及滑套与心轴以及滑套与心轴之间的密封情况。之间的密封情况。将扩眼器接上方钻杆将扩眼器接上方钻杆,缓慢下放到导管内的适当位缓慢下放到导管内的适当位置置,缓慢开泵缓慢开泵,排量从小到大排量从小到大,可达可达1113/,泵泵压压1,注意观察刀臂的伸缩情况及扩眼器的密注意观察刀臂的伸缩情况及扩眼器的密封情况封情况,若排量达到一定量时扩刀张开

22、若排量达到一定量时扩刀张开,密封完好密封完好,停泵后扩刀自动收缩停泵后扩刀自动收缩,则可接钻具下钻则可接钻具下钻,否则起出检否则起出检修。塔参一井扩眼后修。塔参一井扩眼后,起下钻摩阻从扩眼前的起下钻摩阻从扩眼前的2030下降为下降为610,下套管时下套管时,摩阻最大为摩阻最大为16,平平均为均为610,说明扩眼效果良好。说明扩眼效果良好。在在固固井井过过程程中中,7010的的超超深深井井,注注水水泥泥压压力力为为1822,比比计计算算压压力力低低,证证明明扩扩眼眼后后增增加加了了环环空空间间隙隙,降降低低了了环环空空压压耗耗和和地地面面管管汇汇压压力力,保保证证了了注注水水泥泥的的一一次次成成

23、功功。在在现现场场操操作作中中观观察察到到扩扩眼眼器器存存在在的的问问题题有有:扩扩眼眼器器喷喷嘴嘴布布局局不不合合理理,对对扩扩刀刀的的冷冷却却效效果果差差,不不利利于于扩扩刀刀周周围围岩岩屑屑的的上上返返及及井井眼眼的的净净化化。扩扩眼眼器器强强度度不不够够,难难以以克克服服硬硬地地层层的的挤挤压压磨磨损损,从从两两只只扩扩眼眼器器起起出出情情况况看看,本本体体、刀刀片片及及支支撑撑筋筋、扶扶正正器器外外径径均均磨磨小小23,本本体体上上有有明明显显刻刻痕痕,支支撑撑筋筋发发生生轻轻微微挤挤压压变变形形。刀刀片片选选择择不合理。不合理。本井使用大复合切削片本井使用大复合切削片,损坏损坏2/3以上以上,每每个刀片有一个复合片个刀片有一个复合片,5个保径齿个保径齿,三个刀三个刀片共片共30个复合片个复合片,多数为崩落、折断、龟多数为崩落、折断、龟裂裂,扩刀张开最大外径缩小扩刀张开最大外径缩小10,降低降低了扩眼效果。了扩眼效果。先进高效的随钻括眼系统先进高效的随钻括眼系统