新型周向换位变径稳定器的研制

新型周向换位变径稳定器的研制王春华于晓丽纪博（大庆石油管理局钻探集团钻井工程技术研究院，黑龙江大庆）摘要：本文介绍了一种采用周向换位机构控制的新型变径稳定器的结构及工作原理，可通过地面遥控切换井下的工具变径状态，提高井眼轨迹的控制精度，提高定向井、水平井工作效率，减少起下钻次数，从而减少井下事故的发生，降低钻井成本。关键词：变径稳定器定向井目前国内定向井、水平井中多采用弯螺杆配合MWD、LWD等井下仪器进行井眼轨迹的控制，当弯螺杆造斜率过大或过小时，需要起下钻更换适宜的螺杆，以满足井眼轨迹要求；此外，井斜变化出现异常，需要增斜或降斜时，需要更换钻具组合，增加了劳动强度和井下事故发生的风险。国外贝克、哈里伯顿等公司研制的遥控变径稳定器，可通过改变井下稳定器的直径来改变井下钻具组合的力学特性，更好的控制井斜，满足增斜、降斜工艺要求，减少井下钻具的起下钻次数、提高钻井效率、降低钻井成本。而国内这方面技术起步较晚，研制的可变径稳定器较国外仍有一定差距，多存在工具结构复杂、现场变径工艺操作复杂、井下安全可靠性低的问题，针对上述问题开展了新型变径稳定器的研制。一、变径稳定器的结构原理变径控制方式优选目前国内主要有钻井液排量控制法、投球控制法、钻压控制法和电控法等控制方式控制变径稳定器井下变径，其中采用投球控制法的变径稳定器变径次数受投球次数限制；钻压控制法需要上提下压钻具，操作工艺复杂；而国外采用的电控法是用电子元件控制变径状态，研制难度大、成本高；综上，本文介绍的新型变径稳定器选用钻井液排量控制法，通过开关泥浆泵即可完成变径动作，并且变径次数没有限制，对钻井现场要求较小，操作方便。整体结构设计如图1所示，变径稳定器包括：上接头、本体、节流及示位机构、复位弹簧及内扶正、心轴、斜面体、活塞、重力弹簧机构、控制机构、平衡活塞和下接头等零件。本体设计有3个螺旋翼带，每个翼上设计有4个活塞。图1新型变径稳定器结构图1一上接头；2—本体；3—节流及示位机构；4—上油腔；5一复位弹簧及内扶正；6一心轴；7一斜面体；8一活塞；9一重力弹簧

机构；10—控制机构；11—下油腔；12—平衡活塞；13—环空孔；14—下接头。

第一次开泵后心轴带动斜面体下行，活塞被斜面体推出本体外，工具为大径状态；停泵后复位弹簧上提心轴带动斜面体上行，斜面体将活塞拉回到本体内部（如图2），工具为小径状态。当第二次开泵时，控制机构换位心轴下行较上次开泵距离缩短，不能推动斜面体下行，活塞也不伸出，工具仍为小径状态。当再次停泵心轴上行控制机构又换位，第三次开泵心轴下行距离增大，活塞伸出。因此变径稳定器每次开泵工作状态切换一次，其内部的节流及示位机构产生0.6-1MPa的节流压力，可在地面观察是否有这0.6-1MPa的压差来判定井下变径状态。控制机构设计图2斜面体及活塞结构图1—活塞；2—斜面体图3旋转体上行与换位体接触图4旋转体在换位体滑动，旋转到深槽位置图图2斜面体及活塞结构图1—活塞；2—斜面体图3旋转体上行与换位体接触图4旋转体在换位体滑动，旋转到深槽位置图5旋转体下行位于深槽处结构图三维实体设计及有限元校核计算新型变径稳定器采用先进的Solidworks三维CAD软件设计，设计更加形象化，可在电脑内建立虚拟样机，通过设计控制机构，如图2、3、4、5所示，验证了旋转体下行及沿曲面旋转等等复杂机构的动作情况，实时调整结构及曲线参数，满足变径控制要求，提高了设计效率和设计质量。后期将三维模型导入ANSYS软件中进行有限元分析，提高了复杂形状、复杂截面的计算校核准确度，如图6、7所示。图6本体受力应力图图6本体受力应力图图7本体应变图二、地面试验情况2009年5月进行了多次地面模拟试验，采用了固井泵车模拟钻井泥浆泵开关来验证变径稳定器工作情况，排量为20〜30l/s，如图8所示为试验布置图，工具安装于试验台架上（如图10），用泵车泵送清水到工具内部（如图11所示），通过开关泵实现变径稳定器的切换。图9地面接收记录仪图8试验布置图图10试验台架图图11泵车试压图图12小径状态活塞收回图图10试验台架图图11泵车试压图图12小径状态活塞收回图13大径状态活塞伸三、 现场试验情况该变径稳定器在大庆杏1-2-斜E908井和高8-33-平5井进行了现场试验，累计进尺达1285m，排量30l/s，累计工作时间83h，通过2口井现场试验，变径稳定器井下变径顺畅，各项性能指标稳定，通过井口泵压表工具压差为0.6MPa，可明显判断井下变径情况。尤其在高8-33-平5井水平段钻进时，工具大径状态时单根的降斜率达0.6〜0.9°，实现了水平段降斜和稳斜的工艺要求，从而减少了定向时间，增加了复合钻进时间，由于定向机械钻速较低位7m/h，全面钻进机械钻速达15m/h，采用变径稳定器可提高水平井机械钻速。四、 结论设计了新型的周向换位控制机构，通过开关钻井泵即可实现变径稳定器大径和小径之间的切换控制，结构新颖、简单可靠、换位清晰顺畅；变径稳定器可不起钻更换钻具组合为增斜或降斜钻具组合，可控制井斜变化，实现了水平井水平段降斜工艺要求，减少定向时间，有利于水平井轨迹控制，提高钻速，降低钻井成本。采用了先进的Solidworks三维CAD软件和ANSYS有限元分析软件进行变径稳定器的设计和校核，可提高了设计效率和设计质量；采用地面记录仪和压力传感器能够准确测得压力变化，以判断井下变径稳定器的工作状态，操作简单、方便、直观可靠。参考文献张光伟.可变径稳定器发展综述.石油机械，2004,32（增刊）：119〜121孟庆昆.遥控变径稳定器的研制与应用.石油机械，2001，29（增刊）：39〜42苏义脑.变径稳定器及其应用.石油钻采工艺，2003,6:4〜8作者简介：王春