新型随钻液压扩眼器的研制

鉴于目前国内外随钻扩眼器存在的问题,以及不能满足海洋钻井技术要求的状况,研制了一种安全性和可靠性较高的新型随钻液压扩眼器。该液压扩眼器通过投球、憋压实现刀翼的收放。扩眼器直径为215.9mm,扩眼后井眼直径为254mm,误差小于5%,刀翼伸出力为15.533kN,刀翼的缩回力为55.477kN。现场应用表明,使用Φ215.9mm扩眼器扩眼后,井眼扩大率为20%～25%,能满足海洋石油钻探的要求。新型随钻液压扩眼器采用投球、憋压推动活塞高效运行的方法,使扩眼器刀翼伸出和收回的动作准确无误。     

无线指令电控式扩眼器在山西某井应用

无线指令电控式扩眼器通过钻井液脉冲信号与钻杆钻速信号传达指令,控制扩眼器刀翼的伸缩,作业者可在任何时候打开或关闭扩眼工具,解决了传统扩眼器必须投球或下电缆的缺陷。本文自主设计的无线指令电容式扩眼器在山西某井进行扩眼试验,扩眼井段1开,扩眼尺寸8-1/2寸至9-1/2寸,此次为无线指令式电控式扩眼器首次应用,具有良好的应用效果和推广价值。     

液压扩眼器设计及井下试验验证

为了降低小井眼钻井作业风险,提高固井质量,对152.4 mm井眼液压扩眼器结构原理和力学性能进行了研究,并制作了样机。152.4 mm井眼液压扩眼器主要由上接头、螺旋扶正套、环形剃刀组件、固定套、摩擦环及下接头等组成。对样机的压耗、刀翼张开、刀翼自动收回及强制收回等功能进行了验证,同时对扩眼效果进行了预评估。验证结果表明,该液压扩眼器的压耗约为1.38 MPa,小于计算的最大压耗1.96 MPa,满足现场作业需求;液压扩眼器能够实现正扩眼、倒扩眼和随钻扩眼作业,正扩眼和倒扩眼井径均达到190.5 mm以上,井径较规则,扩眼效果较好;在随钻扩眼中,刀翼张开最大扭矩达到14 kN·m。     

随钻扩眼器扩眼机构流场分析与优化设计

扩眼机构是射频识别控制随钻扩眼器的关键部件之一,其结构与性能关系着随钻扩眼器的成败。为此,优化设计了扩眼器短节,研制出具有自锁功能、可回收双台阶刀翼的扩眼器。该扩眼器的止推台阶可保证刀翼完全张开,后自锁台阶使刀翼自锁;采用三刀翼布局,合适的刀翼布齿方式、布齿密度及保径齿数量可保持扩眼井段井眼扩大率。现场应用结果表明:RFID随钻扩眼器扩眼井径达到设计要求,射频识别标签读取正常;既具备常规随钻扩眼作业连续性、快速性的特点,又可根据需要控制扩眼器多次开闭;可以在管柱中集成多个扩眼器,并按照设计程序控制各扩眼器刀翼的收放,实现复合扩眼作业。该扩眼器操作简单可靠,具有广阔的推广应用前景。     

双向随钻扩眼器刀翼设计研究及应用

借鉴金刚石钻头的设计理论,针对随钻扩眼器切削刀翼的特殊性,提出了一套专门适用于液压控制式双向随钻扩眼器刀翼冠部形状设计与布齿的理论及方法.应用该理论方法设计的扩眼刀翼既能满足扩眼作业的需要,又易于刀翼的加工制造.     

多级变径随钻扩眼器研制及刀翼受力与钻压分配分析

深层小井眼采用随钻扩眼器进行扩眼作业时存在井眼缩径、固井质量差和卡钻频繁等问题。为解决该问题,基于随钻扩眼器基本结构和工作原理,采用新型变径结构,研制了一种多级变径随钻扩眼器;建立了随钻扩眼尺寸与主动活塞轴向位移之间的函数关系,并分析了扩眼器刀翼的受力情况;采用双因素计算方法分析了该扩眼器的钻压分配情况,得到了随钻扩眼器钻压分配比对扩眼尺寸、钻具锐度及地层抗压强度的影响规律。分析得知,随钻扩眼器的钻压分配比与钻遇地层抗压强度、扩眼尺寸呈正比,与扩眼器锐度呈反比,该扩眼器的理论井径扩大率为7%～20%。研究认为:对随钻扩眼器进行钻压分配分析,可以指导扩眼器的设计及领眼钻头的选型;研制的多级变径随钻扩眼器为提高扩眼效率提供了技术支撑。      

随钻扩眼对钻井液循环特性的影响

随钻扩眼作业会对钻井液循环特性产生影响,但国内尚缺乏相关研究。针对该问题,基于计算流体力学方法开展数值仿真,研究了直线形刀翼的扩眼直径、刀翼倾斜角两参数对钻井液循环的影响规律。研究结果表明:在扩眼器刀翼切削位置,随着刀翼扩眼直径的增大,钻井液流场的低速区域不断增大,当扩眼直径大于特定值时,流场低速区域将急剧增大;随着刀翼倾斜角的增大,钻井液流场的低速区域呈现出先减小再增大的变化规律;对?215.9 mm(■in)扩眼器的刀翼,最优倾斜角为55°,最优扩眼直径为250 mm。研究结果对于随钻扩眼器刀翼结构参数的设计具有指导意义。     

单投球式液压扩眼器安放位置优选

随着液压扩眼器在渤海油田作业量的增加,为保证安全高效的进行扩眼钻进,为后续下尾管作业提供保障,需要选取更加优化的扩眼钻具组合。扩眼钻进一般都在大位移井中,井深且地层复杂,实施难度较大,频繁憋压憋扭,钻后扩眼有钻出新井眼的风险,为规避这些风险,将扩眼钻进过程中会遇到的复杂情况减小到最少,介绍了液压扩眼器在随钻扩眼、钻后正扩、钻后倒扩的优化钻具组合。     

扩张式随钻扩眼工具技术现状与发展建议

在指出扩张式随钻扩眼工具与其他扩眼工具比较具有的技术优势之后,介绍了国外几种典型的扩张式随钻扩眼工具的结构原理、性能特点和应用情况,包括Smith公司的Rhino一体化扩眼器、Halliburton公司的XR型扩眼器、NOV公司的Anderreamer扩眼器以及Tesco公司的Un-derreamer扩眼器等,随后简要分析了国内随钻扩眼工具的技术现状,最后对国内开展扩张式随钻扩眼工具研制提出了建议。     

射频识别随钻扩眼器的研制与应用

为了解决当前常规随钻扩眼器在实际应用中的问题,设计了一种基于射频识别控制技术的随钻扩眼器,实现了控制命令的井下无线传输和接收,并通过液压执行机构控制扩眼刀翼动作,实现井下扩眼操作。工具设计过程中,在射频识别天线外部安装铁氧体屏蔽环,解决了井下金属涡流对天线磁场强度的削弱问题,保证了井下射频识别通讯系统对控制命令的可靠接收;通过理论计算和仿真分析确定了液压执行系统最大承压能力,为电磁阀优选和液压回路承压设计提供了理论依据,保证扩眼刀翼的可靠锁止。设计的RFID随钻扩眼器成功进行了4口井的现场扩眼作业,验证了工具的工作可靠性和稳定性。     

钻井液压力脉宽及脉位多进制相移键控信号分析

在构建出钻井液压力脉宽及脉位多进制相移键控（MPSK）调制信号数学模型的基础上,分析了MPSK信号的频谱特性,从频域研究了将脉宽及脉位调制方式应用于钻井液压力MPSK信号传输的可行性。通过建立MPSK信号沿定向井钻柱分布的传递函数,研究了钻井液信道参数和调制方式对信号传输的影响。数值分析表明,钻井液压力脉宽MPSK调制信号的频谱主瓣带宽内信号的相对能量过低,从频谱角度看不适于频带传输;钻井液压力脉位MPSK调制可用于井下数据的频带方式传输,但信号的传输损失相对较大,因此对信号的检测、处理及旋转阀的转速控制要求较高。     

无线随钻测量信息传输的现状与问题

为了及时获得钻井作业时的随钻测量信息,准确建立地面与井底之间的闭环信息流通,对无线随钻测量信息的传输方式进行了研究。介绍了钻井液脉冲、电磁波、声波三种无线随钻测量信息传输的工作原理,对比了三种传输方式的优缺点,并对三种传输方式存在的问题进行了详细分析。最后,指出了无线随钻测量信息传输方面的研究重点:钻井液脉冲传输方式应研发连续波信号发生器,实现更高的数据传输速率、工作可靠性以及环境适应能力;电磁传输方式应优化信号发生器的工作频率和效率,研究微弱信号检测及处理,增加信号中继器等技术,提高电磁传输信号的距离;声波传输方式应在码间干扰、噪音、声波能量的衰减等方面予以研究。     

Properties and testing of a hydraulic pulse jet and its application in offshore drilling

Offshore drilling has attracted more attention than ever before due to the increasing worldwide energy demand especially in China. High cost, long drilling cycles, and low rate of penetration （ROP） represent critical challenges for offshore drilling operations. The hydraulic pulse generator was specifically designed, based on China offshore drilling technologies and parameters, to overcome problems encountered during offshore drilling. Both laboratory and field tests were conducted to collect the characteristics of the hydraulic pulse generator. The relationships between flow rate and pressure amplitude, pressure loss and pulse frequency were obtained, which can be used to optimize operation parameters for hydraulic pulse jet drilling. Meanwhile a bottom hole assembly （BHA） for pulse jet drilling has been designed, combining the hydraulic pulse generator with the conventional BHA, positive displacement motor, and rotary steerable system （RSS） etc. Furthermore, the hydraulic pulse jet technique has been successfully applied in more than 10 offshore wells in China. The depth of the applied wells ranged from 2,000 m to 4,100 m with drilling bit diameters of 311 mm and 216 mm. The field application results showed that hydraulic pulse jet technique was feasible for various bit types and formations, and that ROP could be significantly increased, by more than 25%.     

钻井液脉冲传输速度的分布规律研究

地面与井下的信息传输是井眼轨道自动闭环控制的技术。目前,地面与井下的无线信息传输系统主要是采用钻井液脉冲方式,研究钻井液脉冲传输速度的分布规律,可以了解钻井液脉冲的传输机理及其影响因素,进而为建立井眼轨迹的自动闭环控制系统奠定基础。     

去除随钻测量信号中噪声及干扰的新方法

由于受到钻井特殊条件的限制,井底和地面之间的随钻测量信号难以通过有线方式进行传输,目前工程中主要采用井液脉冲位置编码调制的无线传输方式.但是,由于泥浆压力、井深、泵压等信道传输特性会对信号造成影响,随钻测量中采集到的钻井液脉冲信号往往包含了各种噪声和干扰,直接影响地面信号解码结果的正确性.对钻井液脉冲脉位编码无线通信原理、噪声及干扰进行了分析,根据干扰与噪声的特点.采用线性滤波方法还原脉冲信号,又利用一种非线性"平顶消除"的方场采集的信号进行了处理.与线性滤波方法处理结果的综合对比表明,该方法能更有效地去除钻井泵噪声及其他干扰.现场应用结果表明,该方法对脉冲信号位置复原误差影响小,解码过程简单实用,具有误码率低、可靠性高等特点.     

机械式无线随钻测斜仪及其应用

机械式无线随钻测斜仪集机械、电子技术为一体，利用精密机械机构来测量井斜，利用钻井液脉冲技术向地面传输信息。井下仪器主要由井斜测量机构、控制机构、液压平衡和阻尼装置以及脉冲发生装置等组成。其工作原理为：通过精密的测量机构测得的井斜信息通过控制机构传递给脉冲信号发生装置后，通过钻井液传递给装在立管上的传感器，由电子记录仪记录的脉冲信号读出井斜角。机械式无线随钻测斜仪具有结构简单、操作方便、测量时间短、可随钻测量等特点。现场应用表明，机械式无线随钻测斜仪完全能够满足直井测斜的需要，对提高钻井速度、降低钻井成本等具有重要意义。     

钻井液脉冲传输速度的影响因素分析

地面与井下的无线信息传输系统多采用钻井液脉冲的传输方式,信息的传输速度是这种传输方式的一个基本参数。提出了钻井液脉冲传输速度的计算公式,分析了钻井液的组分及性质、管道特性以及钻井液类型等因素对正、负脉冲传输速度的影响。所得出的结论对井眼轨道自动控制系统的设计及实现具有参考价值。     

固定同心式随钻扩孔器防斜打快技术初探

针对传统防斜打快技术限制机械钻速和防斜效果差的缺点，以及先进的自动垂直钻井系统成本高又无法大面积推广的现状，提出了采用固定同心式扩孔器进行边钻边扩来达到防斜打快的效果。其打快原理是：在钻进时，固定同心式扩孔器和领眼钻头形成的阶梯形井底改变了井底岩石的应力状态，使其容易破碎，从而提高机械钻速；领眼钻头可获得足够的机械和水力能量，能提高机械破岩能力及改善清洗井底的效果，从而有利于提高机械钻速。其防斜原理是：扩孔器受到的平衡地层的力克服了钻头偏斜力，使钻头中心线与井底保持垂直；扩孔器与领眼钻头之间的距离很短，使扩孔器下部钻柱弯曲变形十分有限，从而有效限制了钻头偏斜。现场应用表明，采用固定同心式扩孔器随钻扩孔能实现防斜打快的目的，并为防斜打快技术的研究提供了一套全新的思路。     

套管钻井扩眼器结构设计与启动特性研究

针对常规扩眼器井眼扩大率较小,难以满足套管钻井作业要求的问题,设计了一种用于套管钻井技术的液压臂式扩眼器。综合考虑钻井液流量、主喷嘴结构、心轴与壳体的摩擦力等因素对扩眼臂张开程度的影响,建立了该扩眼器串联在钻头上方时扩眼臂的力学模型。计算表明,扩眼臂的旋转角速度与心轴上下运动线速度呈线性关系;扩眼臂与井壁接触后产生的反推力将阻碍其开启动作,接触力的大小受多种因素控制。扩眼器由液压驱动,扩眼臂的开启动作受喷嘴特性影响很大。实际应用中,应优化设计复位弹簧及心轴等部件,从而提高扩眼器启动的可靠性。     

机械式无线随钻测斜仪脉冲发生器结构优化

针对机械式无线随钻测斜仪在深井、超深井及高温高压井的井斜测量中存在钻井液脉冲压力低、脉冲信号弱及涡流现象严重等问题,采用Fluent软件模拟了脉冲阀和脉冲环结构优化前后脉冲阀最大直径处钻井液通过脉冲环节流孔位置瞬间的压力、速度和流线变化情况。数值模拟结果表明,结构优化后的脉冲发生器产生的脉冲压力更高、信号更强、涡流现象减少。因此,结构优化后的机械式无线随钻测斜仪在深井、超深井及高温高压井中测量的脉冲强度更高,工作寿命更长,测量更可靠。