遙控變徑穩(wěn)定器變徑動作分析及現(xiàn)場試驗

周志剛

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017)

遙控變徑穩(wěn)定器變徑動作分析及現(xiàn)場試驗

周志剛

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017)

由于遙控變徑穩(wěn)定器存在狀態(tài)信號不可靠的問題，導(dǎo)致該類穩(wěn)定器的狀態(tài)有時無法辨識。為了研究影響該類穩(wěn)定器狀態(tài)信號的相關(guān)因素，針對其結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)液體不可壓縮和物體受力平衡原理，對該類穩(wěn)定器在地面和井下兩種環(huán)境下的變徑動作進行了分析，并利用現(xiàn)場試驗進行了部分驗證。該類穩(wěn)定器依據(jù)MWD儀器提供的井斜信號進行狀態(tài)控制，并利用相鄰兩次開泵的泵壓差值確定其工作狀態(tài)。分析認為，該類穩(wěn)定器內(nèi)平衡活塞出現(xiàn)上限、下限位置對其變徑動作行程有減小的作用。現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，該類穩(wěn)定器狀態(tài)轉(zhuǎn)換遵循控制活塞伸出與平齊的循環(huán)規(guī)律，活塞伸出泵壓大于活塞平齊泵壓，相鄰泵壓絕對差值約1.0 MPa，該類穩(wěn)定器狀態(tài)由第二次開泵時的泵壓值判斷其工作狀態(tài)。研究表明，該類穩(wěn)定器內(nèi)平衡活塞出現(xiàn)上限、下限位置會導(dǎo)致狀態(tài)信號減弱或無信號；利用相鄰兩次開泵泵壓差值確定其狀態(tài)的方法可靠，可為地面遙控穩(wěn)定器提供依據(jù)。

遙控 變徑穩(wěn)定器 井眼軌跡 狀態(tài)信號

遙控變徑穩(wěn)定器是鉆水平井、大位移井時控制井眼軌跡的重要工具，該類穩(wěn)定器的狀態(tài)信號直接反映其在井下的變徑狀態(tài)。遙控變徑穩(wěn)定器產(chǎn)生狀態(tài)信號的準確性、同其他井下工具和儀器的兼容性以及狀態(tài)信號的幅值，都對其狀態(tài)的判斷產(chǎn)生直接影響，并進一步影響到井眼軌跡的控制。盡管遙控變徑穩(wěn)定器技術(shù)于20世紀80年代就已經(jīng)在歐美等發(fā)達國家發(fā)展成熟，并進行了較為廣泛的應(yīng)用，但在國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，到目前還沒有進行產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用的產(chǎn)品[1-3]。分析認為，一個很重要的原因是其狀態(tài)信號容易出現(xiàn)問題，這主要表現(xiàn)為兩種形式：一是該類穩(wěn)定器在深井中沒有狀態(tài)信號[4]；二是該類穩(wěn)定器的狀態(tài)信號時有時無[5]，不能有效確認穩(wěn)定器的狀態(tài)，有時不得不采取控制次數(shù)的方式輔助判斷。針對上述問題，對新研制遙控變徑穩(wěn)定器的變徑動作進行了分析，并進行了現(xiàn)場試驗，證明該類穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)存在影響狀態(tài)信號的因素，通過試驗排除了MWD儀器同其共同工作時的相互影響。

1 遙控變徑穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 遙控變徑穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)

遙控變徑穩(wěn)定器主要由本體、上心軸、下心軸、平衡活塞、壓差活塞、復(fù)位彈簧、控制器、節(jié)流桿等組成[6]，在本體上有加油塞孔和環(huán)空孔，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 遙控變徑穩(wěn)定器的工作原理

遙控變徑穩(wěn)定器工作時串接在井下鉆具組合中，內(nèi)外利用環(huán)空孔來連通，通過開關(guān)鉆井泵來控制其狀態(tài)。開泵時，由于穩(wěn)定器內(nèi)部鉆井液的壓強大于穩(wěn)定器外部環(huán)空的壓強，在穩(wěn)定器的上、下心軸產(chǎn)生壓差，產(chǎn)生使穩(wěn)定器心軸向下運動的推動力，使穩(wěn)定器心軸克服復(fù)位彈簧的彈力向下運動，從而帶動斜面塊也向下運動，推動徑向布置的活塞伸出；停泵時，穩(wěn)定器內(nèi)外鉆井液壓差消失，穩(wěn)定器心軸在復(fù)位彈簧的帶動下向上運動，帶動斜面塊也向上運動，拉動扶正活塞縮回穩(wěn)定器本體內(nèi)。

由于穩(wěn)定器內(nèi)部控制器的作用，具體的變徑動作過程為：在停泵狀態(tài)下，穩(wěn)定器扶正活塞縮在穩(wěn)定器本體內(nèi)，穩(wěn)定器處于內(nèi)縮狀態(tài)，當首次開泵后，扶正活塞將伸至同穩(wěn)定器本體外殼齊平，穩(wěn)定器變?yōu)辇R平狀態(tài)，此時停泵，扶正活塞縮回，穩(wěn)定器重回內(nèi)縮狀態(tài)；再次開泵后，扶正活塞將伸出穩(wěn)定器本體外殼外，此時穩(wěn)定器工作外徑最大，穩(wěn)定器變?yōu)樯斐鰻顟B(tài)，再次停泵，扶正活塞再次縮回穩(wěn)定器本體內(nèi)，穩(wěn)定器重回內(nèi)縮狀態(tài)。通過不斷地開泵和停泵，穩(wěn)定器將在不同的3種狀態(tài)下循環(huán)，形成穩(wěn)定器的狀態(tài)控制循環(huán)規(guī)律。在鉆井過程中，穩(wěn)定器一般同MWD儀器串接在一起共同工作，當MWD儀器監(jiān)測到井斜角不滿足要求、需要穩(wěn)定器進行變徑時，司鉆通過關(guān)泵和開泵操作，并根據(jù)地面檢測的泵壓變化，確認穩(wěn)定器的狀態(tài)，改變穩(wěn)定器狀態(tài)后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)鉆進，達到改變井斜角的目的。

2 遙控變徑穩(wěn)定器變徑動作分析

2.1 穩(wěn)定器的狀態(tài)信號

根據(jù)遙控變徑穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)和變徑動作原理，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行簡化，將上、下心軸合并為一根心軸，如圖2所示(圖2A為內(nèi)縮狀態(tài)，圖2B為齊平狀態(tài)，圖2C為伸出狀態(tài))。當穩(wěn)定器在齊平狀態(tài)時，下心軸不會套住節(jié)流桿，穩(wěn)定器內(nèi)部不產(chǎn)生節(jié)流；當穩(wěn)定器在伸出狀態(tài)時，下心軸部分套住節(jié)流桿，穩(wěn)定器內(nèi)部產(chǎn)生節(jié)流，產(chǎn)生壓力損失，反映在地面上即泵壓上升。利用兩次開泵后同流量下的不同泵壓差值，也就是穩(wěn)定器的狀態(tài)信號，即能確定穩(wěn)定器的井下工作狀態(tài)，且泵壓差值越大穩(wěn)定器的狀態(tài)信號越明顯。

2.2 穩(wěn)定器變徑動作分析

圖2B、圖2C為穩(wěn)定器心軸下行后相對于圖2A內(nèi)部各容積腔大小變化的情況。穩(wěn)定器內(nèi)部充油，故封閉的總體積不變。設(shè)計穩(wěn)定器時，要求扶正活塞以下部分盡可能短，因此內(nèi)部設(shè)計十分緊湊，心軸和平衡活塞軸向運動受空間限制，各容積腔的變化相應(yīng)受限，并對穩(wěn)定器的變徑動作產(chǎn)生影響。

2.2.1 充油腔容積的變化

假設(shè)以下心軸的上平面為分界面，其上部至上心軸頂部封閉空間為充油腔1，容積為V1(圖2短橫線區(qū)域)；下部至平衡活塞的封閉空間為充油腔2，容積為V2(圖2波浪線區(qū)域)。圖2中，充油腔1和2之間是相通的；D1為上心軸上部直徑，Sp為扶正活塞直徑，扶正活塞數(shù)量為15個，D2為平衡活塞直徑，θ為斜面塊的傾斜角，d為下心軸壓差活塞處直徑。

設(shè)下行程為h，平衡活塞在心軸下行過程中相對穩(wěn)定器外殼先不動(假設(shè)油液具有可壓縮性)，充油容積的減少量為ΔVm，則：

(1)

但油液實際是不可壓縮的，故平衡活塞的下行量Hbp應(yīng)為：

(2)

舉例說明(記為實例A)：假設(shè)D1=117 mm，D2=108 mm，d=60 mm，Sp=60 mm，θ=7°，則ΔVm≈2 716.4h，Hbp≈0.43h(若扶正活塞完全伸出，下行程h=100 mm，則Hbp≈43 mm)。

假如穩(wěn)定器中充油腔1和2之間是不相通的，則充油腔1的容積減小ΔV1m：

(3)

該情況下，ΔV1m≈-3 167h。由于ΔV1m為負值，故V1變大。這樣，心軸下行過程中V1變大，V2變小，油液從充油腔2流向充油腔1，兩容積腔間的交換流量為ΔV1m?？傮w積變小了，但由于油液體積不變，所以平衡活塞下行，內(nèi)部容積增大，進行補償。心軸上行回位過程中，充油腔1和2的容積變化正好相反。

2.2.2 上下限位置穩(wěn)定器變徑動作分析

由于平衡活塞在穩(wěn)定器內(nèi)部的活動空間極其有限，運動中可能會出現(xiàn)一個上限位置和一個下限位置，使運動產(chǎn)生問題。上限位置是心軸下行未完成，但平衡活塞已同心軸上部限位零件相接觸，如圖3A所示；下限位置是心軸下行未完成，但平衡活塞已同壓差活塞相接觸，如圖3B所示。

2.2.2.1 上限位置穩(wěn)定器變徑動作分析

穩(wěn)定器內(nèi)的液體量小于合理值，平衡活塞上移，心軸下行未完成時，平衡活塞同心軸上部限位零件已相接觸，若穩(wěn)定器密封良好，心軸能繼續(xù)下行，穩(wěn)定器內(nèi)部油液將不能通過平衡活塞和環(huán)空孔同外部壓強保持相同，因V1變大，穩(wěn)定器充油腔內(nèi)將出現(xiàn)真空。

處于工作狀態(tài)時(見圖3A)穩(wěn)定器外為鉆井液，外部壓強為鉆柱環(huán)空液柱壓強po，上心軸上部所受鉆井液壓強為pi，下心軸下部所受鉆井液壓強為p(此處鉆井液流動后產(chǎn)生沿程損失，因而pi>p；但沿程損失較小，未節(jié)流時p≈pi)，平衡活塞下側(cè)及扶正活塞外側(cè)均受鉆柱環(huán)空液柱壓強po。

心軸下行過程中所受鉆井液向下的推力Fd為[7]：

(4)

穩(wěn)定器中D1≈D2，則：

(5)

扶正活塞作用于斜面塊產(chǎn)生的上推心軸力Fu為：

(6)

假設(shè)鉆井液密度ρ=1.3 g/cm3，穩(wěn)定器處于井深1 000 m位置，則po≈12.74 MPa。鉆柱內(nèi)外壓差一般為2～5 MPa。按實例A的數(shù)據(jù)和條件，pi-po=5 MPa，則Fd≈39 619.4 N,Fu≈66 459.7 N。

心軸向下和向上的總動力可表示為：

Fwd=Fd+Fg+Ffd

(7)

Fwu=Fu+Fs+Ffu

(8)

式中：Fwd為心軸向下的總動力，N；Fg為向下運動件的合重力，N；Ffd為流體對心軸產(chǎn)生的向下的摩擦力(值較小，可忽略)，N；Fwu為心軸向上的總動力，N；Fs為彈簧回復(fù)力，N；Ffu為心軸向下運動產(chǎn)生的向上的摩擦阻力，N。

實例A中，彈簧回復(fù)力Fs最小為5 000 N，遠大于Fg(Fg<1 000 N)。因此，穩(wěn)定器處于井深1 000 m位置時，F(xiàn)wu>Fwd，故心軸不能向下運動。也就是說，出現(xiàn)上限位置，穩(wěn)定器在下入一定深度后，內(nèi)部會出現(xiàn)運動受限的情況，且井越深Fwu和Fwd的差值越大，心軸越不可能向下運動。

室內(nèi)試驗工況分析：穩(wěn)定器外部壓強為大氣壓，內(nèi)外壓差可以控制為與井下一樣，但po變?yōu)?.1 MPa，則Fu≈521.7 N，可使Fd不變，F(xiàn)wu

穩(wěn)定器心軸在上行過程中由于內(nèi)部油液壓強同外部壓強平衡，所以上行不受影響，穩(wěn)定器可以正?；氐絻?nèi)縮狀態(tài)。

2.2.2.2 下限位置穩(wěn)定器變徑動作分析

穩(wěn)定器內(nèi)液體量大于合理值，平衡活塞下移，在心軸下行過程中，行程未完成則平衡活塞已同壓差活塞相接觸，無進一步活動空間(見圖3B)，內(nèi)部壓強上升，下行停止，扶正活塞不能完全伸出。當剛出現(xiàn)下限位置前，由于環(huán)空孔的聯(lián)通作用，穩(wěn)定器內(nèi)部油液通過平衡活塞同外部壓強保持相同。穩(wěn)定器心軸在上行過程中由于內(nèi)部油液壓強同外部壓強平衡，所以上行過程中不受影響，穩(wěn)定器可以正常回到內(nèi)縮狀態(tài)。

由此可見，在上限和下限位置，只要不出現(xiàn)運動件因泥沙卡死的情況，心軸在上行過程中均可全回位至內(nèi)縮狀態(tài)，對下一次的變徑動作沒有影響，能保證起下鉆安全。

2.3 異常變徑動作對狀態(tài)信號的影響

變徑穩(wěn)定器工作在高溫高壓條件下，環(huán)境溫度可達150 ℃以上，絕對壓強可達60 MPa以上，且受劇烈振動及井壁摩擦作用，工況惡劣，可能造成以下問題：1)當穩(wěn)定器由于充油量不合適或出現(xiàn)單向泄漏時均可能出現(xiàn)上限、下限位置，這時心軸不能下行到位，節(jié)流長度減小，狀態(tài)信號強度減弱，減弱程度隨限位前的心軸下行位移而定，下行位移越小狀態(tài)信號越弱；2)外部鉆井液侵入穩(wěn)定器內(nèi)部，使內(nèi)部各運動件間夾雜泥沙，摩擦變大，運動條件變差，可能出現(xiàn)運動件卡死的情況，無變徑動作，導(dǎo)致無狀態(tài)信號。

3 遙控變徑穩(wěn)定器現(xiàn)場試驗

遙控變徑穩(wěn)定器內(nèi)部的狀態(tài)信號裝置采用節(jié)流桿示位機構(gòu)，由環(huán)形縫隙流產(chǎn)生狀態(tài)信號[8]，其穩(wěn)定性與兩次開泵的流量、心軸下行量、鉆井液性能等多個參數(shù)相關(guān)。該類穩(wěn)定器能否產(chǎn)生正確可靠的狀態(tài)信號，與其內(nèi)部信號裝置運動是否按穩(wěn)定器狀態(tài)控制循環(huán)規(guī)律是一致的，而且也可能與配套使用的其他利用節(jié)流產(chǎn)生信號或動作的井下儀器和工具相互影響(如MWD儀器)。通過對穩(wěn)定器在井口和井下進行現(xiàn)場工況試驗，可直觀地對部分影響因素進行驗證，同時也可以正面檢驗穩(wěn)定器變徑動作分析的正確性。為此，按容積分析充油量，嚴控平衡活塞出現(xiàn)上限和下限位置，利用穩(wěn)定器加油塞孔完成充油后進行了相關(guān)試驗。

3.1 井口試驗和井下試驗

為了驗證遙控變徑穩(wěn)定器與MWD儀器是否相互影響，在勝利油田營 87-斜 69井進行了井口試驗；為了驗證變徑穩(wěn)定器能否在井下正常工作，在勝利油田河76-斜 26井進行了井下試驗。

3.1.1 井口試驗1

試驗鉆具組合為牙輪鉆頭+ 轉(zhuǎn)換接頭+MWD+變徑穩(wěn)定器+方鉆桿， 某相鄰兩次開泵的泵壓曲線(記為曲線1)如圖4所示。

3.1.2 井口試驗2

試驗鉆具組合為牙輪鉆頭+轉(zhuǎn)換接頭+變徑穩(wěn)定器+MWD+方鉆桿，某相鄰兩次開泵的泵壓曲線(記為曲線2)如圖5所示。

3.1.3 井下試驗

試驗鉆具組合為PDC鉆頭+ 雙母接頭+鉆鋌+變徑穩(wěn)定器+鉆鋌+加重鉆桿+鉆桿。 井深400.00 m處相鄰兩次開泵的泵壓曲線如圖6所示。

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

井口試驗中，不管變徑穩(wěn)定器在MWD儀器(正脈沖)上部還是下部，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換(齊平狀態(tài)、伸出狀態(tài)和內(nèi)縮狀態(tài)之間)動作順暢，各狀態(tài)運動到位，動作循環(huán)嚴格遵循狀態(tài)控制循環(huán)規(guī)律。從圖4、圖5可以看出，穩(wěn)定器狀態(tài)變換后泵壓發(fā)生明顯變化，相鄰兩次開泵泵壓相差約1.0 MPa，分離清晰，大于泵壓波動噪聲信號，狀態(tài)信號明顯，且MWD自身的信號可以正確解析，說明MWD儀器與該穩(wěn)定器在變徑動作和信號上相互無影響。

從圖6可以看出，井下試驗中，相鄰兩次開泵泵壓相差約1.0 MPa，分離清晰，狀態(tài)信號明顯，穩(wěn)定器狀態(tài)發(fā)生變化，可以在井下受控工作。

綜合上述試驗結(jié)果表明，遙控變徑穩(wěn)定器的變徑動作在井口和井下均符合狀態(tài)控制循環(huán)規(guī)律，這從正面驗證了變徑動作分析的正確性。

4 結(jié)論與建議

1) 遙控變徑穩(wěn)定器內(nèi)平衡活塞出現(xiàn)上限、下限位置，對穩(wěn)定器的變徑動作行程有減小的作用，是導(dǎo)致狀態(tài)信號減弱或無信號的因素。

2) 遙控變徑穩(wěn)定器同正脈沖MWD儀器配合使用，在各自的動作和信號上相互無影響。

3) 利用相鄰再次開泵泵壓差值確定穩(wěn)定器狀態(tài)的方法可靠，可為地面遙控穩(wěn)定器提供依據(jù)。

4) 遙控變徑穩(wěn)定器是鉆井中控制井眼軌跡的重要工具，在國內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)還不是特別成熟的工程背景下，建議加強延長該工具工作壽命和提高其可靠性的研究，并將其進行系列化。

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[編輯 令文學(xué)]

Analysis and Field Testing by Remote Control of the Action of a Variable Diameter Stabilizer

Zhou Zhigang

(DrillingTechnologyResearchInstitute,SinopecShengliOilfieldServiceCorporation,Dongying,Shandong,257017,China)

The remote-control variable diameter stabilizer developed is unreliable in the state signal,resulting in the fact that its state cannot be identified.In order to identify relevant factors affecting the state signal,the stabilizer action was analyzed for changing its diameter under both surface and downhole conditions based on the principle of liquid incompressibility and force equilibrium.Later,combined with its structural characteristics,the result of the analysis was partially verified by field test.The stabilizer can achieve state control by using well deviation signal from the MWD instrument and determine the working state by analyzing the pump pressure difference between two adjacent pump startups.The result of the analysis suggested that the upper and lower position limits of balance piston inside the stabilizer can reduce the action stroke for changing diameter.The field test showed that the state change of the stabilizer conforms to the changing regularity of controlling piston extension and alignment,the pump pressure on piston extension is higher than that of piston alignment,and the absolute difference of adjacent pump pressure is about 1.0 MPa.The working state of the stabilizer can be determined based on the pump pressure value of the second pump startup.The research results showed that,the upper and lower limits of the balance piston position inside the stabilizer would result in a weak state signal or no signal.The method to determine the stabilizer state according to pressure difference between two adjacent pump startups is reliable,and can provide the basis for remote control of stabilizer on the ground.

remote control;variable diameter stabilizer;hole trajectory;state signal

2014-10-08；改回日期：2015-02-02。

周志剛(1973—)，男，湖北天門人，1997年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院機械設(shè)計與制造專業(yè)，2005年獲青島科技大學(xué)機械設(shè)計及理論專業(yè)碩士學(xué)位，工程師，主要從事機械設(shè)計方面的研究工作。

國家科技重大專項“致密油藏開發(fā)鉆井技術(shù)優(yōu)化及集成”(編號：2015ZX05076-003)、中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司科研項目“新型遙控變徑穩(wěn)定器研制與應(yīng)用”(編號：SG13-03K)資助。

?鉆采機械?

10.11911/syztjs.201503022

TE921+.2

A

1001-0890(2015)03-0120-05

聯(lián)系方式：13561053044，zzgpln@163.com。