石油钻探深井扩眼技术课件

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 管下扩眼是一项不常用的技术管下扩眼是一项不常用的技术,但随着石油工业的但随着石油工业的发展发展,钻井难度越来越大钻井难度越来越大,特别在深井和超深井中特别在深井和超深井中,常常会遇到狗腿、键槽和缩径等复杂情况会遇到狗腿、键槽和缩径等复杂情况,而且在深井钻而且在深井钻井中要求下多层管柱井中要求下多层管柱,这就增加了对更耐用更可靠的这就增加了对更耐用更可靠的管下扩眼器的需求管下扩眼器的需求,而以往常用的可胀开牙轮扩眼器而以往常用的可胀开牙轮扩眼器存在着某些内在问题存在着某些内在问题,如牙轮寿命短、水力参数有限如牙轮寿命短、水力参数有

2、限及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6

3、958至至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,为保证钻达设计井为保证钻达设计井深深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

4、的承压能力。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到将牙轮钻头的一个牙轮牙爪焊接到臂的另一端臂的另一端,本体上包括一个活塞和凸轮总成本体上包括一个活

5、塞和凸轮总成,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,使牙轮压使牙轮压入地层入地层,利用这种机理可使臂在预定的扩张直径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处停止。一旦井眼下部被扩大到所需求的深度,停泵停泵,使臂缩回到体内使臂缩回到体内,然后通过限制井段将工然后通过限制井段将工具由井眼提出具由井眼提出, 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

6、下扩眼的各种作用轴承不能承受井下扩眼的各种作用力力;(3)失去保径作用失去保径作用;(4)切削结构不完整。切削结构不完整。 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

7、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点是轴承设计。在全面钻进钻头使用中,内外推内外推力载荷趋于彼此抵消力载荷趋于彼此抵消,这主要是由于牙轮和地层这主要是由于牙轮和地层是充分啮合的是充分啮合的,因此因此,对轴承座台肩不超载。然对轴承座台肩不超载。然而而,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,内内推力负荷经常是主要力量推力负荷经常是主要力量,并且只有牙轮的外缘并且只有牙轮的外缘部分在钻井眼部分在钻井眼,轴颈内球轴承座圈台肩和牙轮没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。有足够强度承受住巨大的内推力载荷。 当牙

8、轮连接到下部扩眼器上当牙轮连接到下部扩眼器上,要臂张开要臂张开710才能达到所要求的扩眼尺寸才能达到所要求的扩眼尺寸,这引起保径面偏离井这引起保径面偏离井壁壁710,因此在下部扩眼器保径面与底锥相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交处只是一个很狭窄的角,狭窄的接触面使磨擦集狭窄的接触面使磨擦集中在某一点上中在某一点上,使该处井眼缩小。钻头牙轮上的切使该处井眼缩小。钻头牙轮上的切削结构由三个因素决定削结构由三个因素决定,即轴承设计、牙轮壳体厚即轴承设计、牙轮壳体厚度和在组装时三个牙轮必须相互啮合度和在组装时三个牙轮必须相互啮合,用在下部扩用在下部扩眼器上牙轮的切削结构不能与同尺

9、寸钻头的切削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结构相比,不仅机械钻速受到影响不仅机械钻速受到影响,而且同井段所需而且同井段所需的牙轮数也增加。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总成构件,三个牙轮臂总成用铰链装在工具上三个牙轮臂总成用铰链装在工具上,并压并压缩在工具体铣出的槽内。臂的固定机构包括铰链销、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螺丝等也是由外体支撑。为了容纳牙轮臂和其它零件件,外体必须是厚壁结构外体必须是厚壁结构,反过来就要求限制中心孔反过来

10、就要求限制中心孔区域的大小区域的大小,外体中心孔支承一个心轴或一个活塞总外体中心孔支承一个心轴或一个活塞总成成,因此液流流过心轴或活塞总成的区域受到限制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也受到限制在工具而且安全通过工具的最大泵流量也受到限制在工具上不安喷嘴上不安喷嘴,即使安了喷嘴即使安了喷嘴,也不同于钻头喷嘴，使也不同于钻头喷嘴，使液流喷射到所钻的地层上液流喷射到所钻的地层上,因此在牙轮表面上的清洗因此在牙轮表面上的清洗不足。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

11、弊端,选用贝克选用贝克休斯公司休斯公司.7 251自锁式扩眼器。这种自锁式扩眼器。这种扩眼器主要由心轴、外滑套扩眼器主要由心轴、外滑套(本体本体)、液缸、弹、液缸、弹性卡簧、压套橡胶密封圈、棘形凸缘体性卡簧、压套橡胶密封圈、棘形凸缘体(下端下端带喷嘴带喷嘴)、切削刀、本体下部带扶正器块及可、切削刀、本体下部带扶正器块及可拉钻头母扣组成。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 相对于常规的井下扩眼器所存在的问题来相对于常规的井下扩眼器所存在的问题来说说,这种扩眼器将切削结构接到刀臂上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取代了较大的牙轮切

12、削结构,同时切削结构不再同时切削结构不再被嵌入大的容腔内被嵌入大的容腔内,增加了工具体的强度和传递增加了工具体的强度和传递钻压的能力钻压的能力,工具本体质量的增加反过来又有利工具本体质量的增加反过来又有利于刀臂的固定和支撑。刀臂的促动和打开后的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。促动器心轴边接到锁紧由内压力差严格控制。促动器心轴边接到弹簧系统上弹簧系统上,由液压操作由液压操作,以打开或关闭刀臂以打开或关闭刀臂,与与其它钻井参数其它钻井参数(钻压、扭矩、转数等钻压、扭矩、转数等)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

13、助分配管下扩眼过程中产生的侧向载荷。工具装分配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,并相应增加并相应增加机械钻速机械钻速,延长刀臂的寿命。喷嘴可更换延长刀臂的寿命。喷嘴可更换,以便以便调节流量、泵压和水马力。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,钻井钻井液就通过心

14、轴靠近液缸的内孔进入液缸液就通过心轴靠近液缸的内孔进入液缸,在压降在压降作用下推动液缸上升作用下推动液缸上升,顶到弹性卡簧处带动滑套顶到弹性卡簧处带动滑套上行上行,其行程为其行程为60,此时棘形凸缘体顶开刀此时棘形凸缘体顶开刀背背,并与刀背的凹体部分啮合并与刀背的凹体部分啮合,使扩刀打开使扩刀打开,然后然后启动转盘切削井壁。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径刀臂扩张从小到大不断伸展至直径为为250 8开始造台肩座刀工作。在切削刀张开开始造台肩座刀工作。在切削刀张开过程中过程中,扭矩表显示由高到低扭矩表显示由高到低,最后扭矩表变化平稳最后扭矩表变化平稳在

15、某一值波动在某一值波动,说明切削刀已完全张开说明切削刀已完全张开,此时井眼直此时井眼直径基本为切削刀完全张开直径径基本为切削刀完全张开直径,均匀送钻均匀送钻,钻压有显钻压有显示示,说明台肩已造好说明台肩已造好,继续送钻如果钻压上升继续送钻如果钻压上升,由由1上升为上升为3,扭矩也由低变高扭矩也由低变高,则说明切削刀已坐位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此时可均匀进行扩眼。造台肩坐刀时基本参数为: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,则说则说明切削刀没坐好明切削刀没坐好,须停止送

16、钻须停止送钻,待扭矩变化稳定后再待扭矩变化稳定后再送钻。若地层易碎或极软送钻。若地层易碎或极软,即使造好台肩即使造好台肩,在送钻冲在送钻冲击下击下,岩石易破碎或易切削岩石易破碎或易切削,钻压显示也不明显钻压显示也不明显,需需根据实际情况作出判断。在接单根或上提起钻时根据实际情况作出判断。在接单根或上提起钻时,首先停泵停转盘首先停泵停转盘,然后上提钻具然后上提钻具,提到井眼直径比已提到井眼直径比已扩井径小的井段后扩井径小的井段后,暂停一下暂停一下,再继续缓慢上提再继续缓慢上提,在在小井径段要控制上提速度小井径段要控制上提速度,预防因切削臂被岩屑卡预防因切削臂被岩屑卡住未能完全缩回住未能完全缩回,

17、在硬提作用下使切削臂反面受到在硬提作用下使切削臂反面受到挤压挤压,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,靠离心作用甩动刀靠离心作用甩动刀臂臂,恢复伸张自如状态恢复伸张自如状态,然后上提。如果仍遇阻然后上提。如果仍遇阻很大很大,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

18、眼钻进参数要求扩眼钻进参数要求 根据扩眼器的性能参数和该工具的尺寸根据扩眼器的性能参数和该工具的尺寸,同时同时根据井深和所用钻具组合的尺寸根据井深和所用钻具组合的尺寸,用或金刚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石扩刀则最佳转速为所扩井段原全面钻进钻头转速的速的2/3。另外根据地层岩性和井下具体工况对此。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值进行调整。较理想的机械钻速是转盘每100转转送钻送钻0.3,在硬地层在硬地层,若扩眼速度过快若扩眼速度过快,岩屑上返困岩屑上返困难难,易聚集扩刀处形成重复破碎易聚集扩刀处形成重复破碎,损坏切削齿损坏切削齿,同

19、时同时易使扩刀螺旋进入小井眼易使扩刀螺旋进入小井眼,使扩刀不能完全扩张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。在外力作用下易损坏扩眼器的内部件。 在现场施工中在现场施工中,要根据地层岩性要根据地层岩性,参考同井段全面钻参考同井段全面钻进钻时进钻时,以及结合扩眼扭矩值大小来确定合理的机械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钻速。自锁式扩眼器无钻压的限制,所加钻压要根据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所用扩眼器的尺寸和切削刀的类型来确定,用用或金刚石扩刀或金刚石扩刀,则为正常钻进相应齿形钻头的一半或则为正常钻进相应齿形钻头的一半或稍低

20、。在现场施工中稍低。在现场施工中,要根据扭矩值大小和地层岩性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井段用小钻压,一般为一般为01,待正常吃入地层后加正待正常吃入地层后加正常钻压常钻压,以免破坏台肩或突入小井眼。造台肩时尽量以免破坏台肩或突入小井眼。造台肩时尽量用小排量用小排量,然后慢慢开大排量然后慢慢开大排量,般在般在1113/较合较合适适,正常扩眼时正常扩眼时,排量可达到同尺寸井眼正常钻进时的排量可达到同尺寸井眼正常钻进时的排量排量,但需根据泵压进行调整但需根据泵压进行调整,因泵压不易过高。因泵压不易过高

21、。 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,必须在井口试操作必须在井口试操作,目目的是观察在一定排量下扩眼器扩张和收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缩刀臂的自由程度,以及滑套与心轴之间以及滑套与心轴之间的密封情况。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/,泵压泵压1,注意观察刀臂的伸缩情况及扩眼器的密封注意观察刀臂的伸缩情况及扩眼器的密封情况情况,若排量达到一定量时扩刀张开若排量达到一定量时扩刀张开,密封完好密封完好,停泵停泵后扩刀自动收缩后扩刀自动收缩