?214 mm液控可變徑穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用

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(中石化華東石油工程公司 江蘇鉆井公司，江蘇 揚(yáng)州 225261)

液控可變徑穩(wěn)定器能夠在井下不起鉆情況下改變外徑，實(shí)現(xiàn)不同鉆具組合的轉(zhuǎn)換，達(dá)到控制井斜的目的，節(jié)約施工時間，降低鉆井成本[1-6]。20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外開展了大量的研究，先后開發(fā)出了投塞式、遙控式和自控式等類型可變徑穩(wěn)定器，并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用[7-10]。在對現(xiàn)有可變徑穩(wěn)定器研究的基礎(chǔ)上，對換位機(jī)構(gòu)、節(jié)流壓力參數(shù)及節(jié)流錐材料等進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。通過L46-3、S79-2等井的應(yīng)用，形成了液控可變徑穩(wěn)定器鉆井應(yīng)用技術(shù)。該技術(shù)主要采用“單彎螺桿+MWD+可變徑穩(wěn)定器”的鉆具組合方式，結(jié)合了“單彎螺桿+MWD”靈活可控和變徑穩(wěn)定器井下外徑可調(diào)的技術(shù)優(yōu)勢，定向造斜段采用可變徑穩(wěn)定器小徑狀態(tài)，為常用的單彎單穩(wěn)鉆具；當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定井斜方位后，采用可變徑穩(wěn)定器大徑狀態(tài)，轉(zhuǎn)換為單彎雙穩(wěn)鉆具，繼續(xù)下部長穩(wěn)斜段的鉆進(jìn)，避免了常規(guī)單彎單穩(wěn)鉆具復(fù)合鉆進(jìn)增斜的問題，從而減少滑動調(diào)整井斜，避免井眼軌跡波動大，節(jié)約起下鉆時間，對促進(jìn)鉆井提速提效有重要意義。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

液控可變徑穩(wěn)定器主要由外筒、芯軸系統(tǒng)、變徑系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、活塞系統(tǒng)、換位機(jī)構(gòu)及示位機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。

1—外筒；2—上芯軸；3—上密封組合；4—軸承；5—復(fù)位彈簧；6—擋圈；7—鎖銷；8—錐體；9—活塞；10—活塞密封；11—螺旋翼片；12—注油孔；13—軸承；14—換位槽；15—換位銷；16—軸承；17—補(bǔ)償活塞；18—下心軸；19—過濾孔；20—下密封組合；21—節(jié)流孔；22—節(jié)流錐；23—調(diào)整片。

在翼片內(nèi)的活塞有3種工作狀態(tài)，即，自由狀態(tài)、伸出狀態(tài)、齊平狀態(tài)。自由狀態(tài)時為停泵期間，活塞比翼片低3 mm?；钊纳炜s是通過換位機(jī)構(gòu)控制的。通過換位機(jī)構(gòu)改進(jìn)，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了換位銷強(qiáng)度、換位成功率及可靠性。當(dāng)換位環(huán)換位至長槽時，芯軸系統(tǒng)下行距離最大，活塞完全伸出，此時為伸出狀態(tài)；當(dāng)換位環(huán)換位至短槽時，芯軸系統(tǒng)下行距離適中，活塞伸出部分與翼片平齊，此時為齊平狀態(tài)，如圖2。

活塞的工作狀態(tài)可通過示位機(jī)構(gòu)來顯示，當(dāng)芯軸系統(tǒng)下行，活塞完全伸出時，節(jié)流錐插入節(jié)流孔內(nèi)，節(jié)流面積減小，產(chǎn)生壓降，地面立管壓力會升高1～2 MPa，即可判定井下變徑狀態(tài)。只有活塞伸出時，才會產(chǎn)生泵壓增加信號，當(dāng)活塞不伸出時，通過示位機(jī)構(gòu)處的壓降可以忽略不計(jì)。

活塞的3種工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程是：

1) 自由狀態(tài)Ⅰ。在停泵狀態(tài)，由于復(fù)位彈簧的作用，使心軸上行，帶動錐體上行，換位銷處于換位機(jī)構(gòu)的“1原位”狀態(tài)，斜面將活塞拉回到本體內(nèi)部，活塞為自由狀態(tài)，如圖2a所示。

2) 伸出狀態(tài)Ⅰ。第1次開泵時，液壓力使彈簧壓縮，芯軸下移，換位機(jī)構(gòu)隨之下移并轉(zhuǎn)動，使換位銷處于換位機(jī)構(gòu)長槽內(nèi)，即“2長槽”狀態(tài)；同時，心軸帶動錐體下行，活塞被斜面推出本體外，活塞為伸出狀態(tài)(即工作狀態(tài))。由于下芯軸下行，節(jié)流錐進(jìn)入下心軸內(nèi)孔，使鉆井液流通通道變小，使泵壓上升，如圖2b所示。

3) 自由狀態(tài)Ⅱ。第1次停泵時，在復(fù)位彈簧的作用下，心軸上行帶動錐體上行，換位銷隨之上行并轉(zhuǎn)動，使換位銷處于換位機(jī)構(gòu)的“1原位”狀態(tài)，斜面將活塞拉回到本體內(nèi)部，活塞重回自由狀態(tài)，如圖2c所示。

4) 齊平狀態(tài)。第2次開泵時，液壓力使彈簧壓縮，芯軸再次下移，換位機(jī)構(gòu)隨之下移并轉(zhuǎn)動，使換位銷處于換位機(jī)構(gòu)的短槽內(nèi)，即 “3短槽”狀態(tài)，使心軸下行距離較上次短，使活塞不能伸出翼片體外，處于齊平狀態(tài)。由于下芯軸下行距離較小，節(jié)流錐沒進(jìn)入下心軸內(nèi)孔，因此鉆井液流通通道不變，泵壓不發(fā)生變化，如圖2d所示。

5) 伸出狀態(tài)Ⅱ。第2次停泵后，第3次開泵時，換位機(jī)構(gòu)的換位銷又換位到長槽內(nèi)，活塞伸出，如圖2b所示。

圖2 可變徑穩(wěn)定器不同工作狀態(tài)示意

因此，變徑穩(wěn)定器每進(jìn)行開停泵1次，工作狀態(tài)切換1次，按照“a—b—c—d”的方式無限循環(huán)。活塞的運(yùn)動規(guī)律如表1。

表1 開停泵與活塞狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系

2 主要技術(shù)參數(shù)

遙控液壓可變徑穩(wěn)定器主要參數(shù)如表2。

3 常用鉆具組合

通過對鉆具組合中不同位置變徑穩(wěn)定器外徑的控制，可在不起鉆情況下，實(shí)現(xiàn)不同力學(xué)性質(zhì)鉆具組合之間的相互轉(zhuǎn)換，提高施工速度。以?215.9 mm井眼使用單彎單穩(wěn)與單彎雙穩(wěn)鉆具組合轉(zhuǎn)換為例，鉆具組合：?215.9 mm鉆頭+?172 mm螺桿(帶?212 mm穩(wěn)定器)+?202 mm～?214 mm可變徑穩(wěn)定器+?159 mm鉆鋌6根+?127 mm鉆桿，結(jié)構(gòu)示意如圖3。

表2 適用于?215.9 mm井眼液控可變徑穩(wěn)定器主要參數(shù)

1—鉆頭； 2—螺桿(帶穩(wěn)定器)；3—變徑穩(wěn)定器；4—鉆鋌；5—鉆桿。

當(dāng)變徑穩(wěn)定器工作外徑最大時(活塞伸出)，為單彎雙穩(wěn)鉆具，實(shí)現(xiàn)復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜；當(dāng)變徑穩(wěn)定器工作外徑最小時(活塞收縮)，為單彎單穩(wěn)鉆具，實(shí)現(xiàn)復(fù)合鉆進(jìn)增斜，在滑動鉆進(jìn)時，提高造斜率。

其它主要不同鉆具之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如表3。

表3 可變徑穩(wěn)定器在鉆具中不同位置及控制后的鉆具組合力學(xué)特征

4 應(yīng)用實(shí)例及改進(jìn)

4.1 L46-3井

L46-3井是一口定向開發(fā)井，一開?311.2 mm井眼400 m，二開?215.9 mm井眼3 072 m。軌道類型為直-增-穩(wěn)，1 540 m定向。鉆進(jìn)至2 089.88 m下入可變徑穩(wěn)定器，此時井斜24.96°、方位9.01°。全井鉆井周期19.42 d，鉆機(jī)月速為3 375.82 m/(臺·月)，全井機(jī)械鉆速11.72 m/h。

1) 井口測試。

把可變徑穩(wěn)定器連接在方鉆桿下方，開泵排量21.50 L/s，泵壓3 MPa，活塞無法伸出。分析認(rèn)為是壓降不夠。隨后在下方連接浮閥和螺桿，組合方式：?172 mm單彎螺桿+411×410浮閥+液控可變徑穩(wěn)定器+方鉆桿。開泵排量21.50 L/s，可變徑穩(wěn)定器活塞伸出，泵壓5.2 MPa。停泵，活塞縮回到自由狀態(tài)。再開泵，活塞處于平齊狀態(tài)，此時泵壓4.7 MPa，活塞平齊和伸出狀態(tài)壓降0.5 MPa。改變排量，壓差均在0.5 MPa左右。

2) 井下工作情況。

井口測試完成后下鉆，鉆具組合：?215.9 mm PDC+430×431脈沖空化射流接頭+?172 mm單彎螺桿+浮閥+液控可變徑穩(wěn)定器+?165 mm定向接頭+?159 mm無磁鉆鋌+?159 mm螺旋鉆鋌+4A11×410+?127 mm加重鉆桿×17根+?165 mm振擊器+?127 mm加重鉆桿+?127 mm鉆桿。由于軌跡控制需要穩(wěn)斜，在井深2 089.88 m時，通過開停泵方式，使變徑穩(wěn)定器活塞處于伸出狀態(tài)，使鉆具組合為單彎雙穩(wěn)。鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓60 kN、排量32 L/s，泵壓18.5～19.5 MPa。鉆進(jìn)至2 242.16 m，發(fā)現(xiàn)方位負(fù)漂移，為保證中靶，需滑動增方位。把變徑穩(wěn)定器活塞調(diào)制平齊狀態(tài)，轉(zhuǎn)為“單彎單穩(wěn)”組合，進(jìn)行滑動扭方位。鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓60 kN、排量32 L/s，泵壓18.0～19.0 MPa。鉆進(jìn)至2 345.97 m起鉆，起出可變徑穩(wěn)定器，外觀完好。

3) 試驗(yàn)結(jié)果分析。

液控變徑穩(wěn)定器使用井段2 089.88～2 345.73 m，進(jìn)尺255.85 m，工作時間87.92 h。所鉆井段軌跡變化如表4。

表4 L46-3井使用變徑穩(wěn)定器井身軌跡變化情況

2 089.88～2 242.16 m井段變徑穩(wěn)定器活塞伸出狀態(tài)，進(jìn)尺152.28 m，穩(wěn)斜效果較好，井斜基本不變。在2 213.89～2 242.16 m井段，方位角減小了2.10°，需增方位，同時適當(dāng)增井斜。2 242.16～2 345.73 m井段，變徑穩(wěn)定器活塞處于平齊狀態(tài)，進(jìn)尺103.57 m，期間滑動調(diào)整3次，累計(jì)滑動進(jìn)尺25.85 m，井斜從24.96°增到26.72°；方位角從7.0°增到10.50°，滑動調(diào)整效果明顯。

4) 節(jié)流參數(shù)優(yōu)化。

經(jīng)試驗(yàn)，該工具較好地控制了軌跡，存在的主要問題是：伸出與縮進(jìn)的泵壓差別偏小，對井下處于何種狀態(tài)難以判斷。對工具進(jìn)行了改進(jìn)，主要是增加示位機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)片，減小節(jié)流錐與節(jié)流孔之間間隙，從原來63.9 mm減小到37.8 mm，節(jié)流面積由原來的722.4 mm2減少到578.79 mm2，節(jié)流壓力增加到1.5～2.0 MPa。改進(jìn)前后效果如圖4。

圖4 示位機(jī)構(gòu)改進(jìn)示意

4.2 S79-2井

對可變徑穩(wěn)定器進(jìn)行節(jié)流壓力提高改進(jìn)設(shè)計(jì)后，在S79-2井進(jìn)行了應(yīng)用。該井是一口定向開發(fā)井，一開?311.2 mm井眼370 m，二開?215.9 mm井眼2 830 m。軌道類型為直-增-穩(wěn)，660 m定向。鉆進(jìn)至822.35 m穩(wěn)斜至井底。鉆井周期18.17 d，鉆機(jī)月速3 215.9 m/(臺·月)，全井機(jī)械鉆速為10.75 m/h。

1) 井口測試。

鉆具組合方式：?172 mm單彎螺桿1.25°+遙控液壓可變徑穩(wěn)定器+定向接頭+?159 mm NDC+防濺接頭+方鉆桿。開泵泵排量32 L/s，泵壓8.8～9.8 MPa，停泵后再開泵，排量不變，活塞平齊狀態(tài)，泵壓7.3～8.3 MPa，兩次壓差1.5 MPa，差別明顯，活塞伸縮符合設(shè)計(jì)要求。

2) 井下工作情況。

井口測試完成后下鉆，鉆具組合：?215.9 mm PDC+?172 mm單彎螺桿(1.25°)+液控可變徑穩(wěn)定器+?165 mm浮閥+411×4A10(定直)+?159 mm無磁鉆鋌×2根+?159 mm螺旋鉆鋌×2根+4A11×410+?127 mm加重鉆桿×21根+?127 mm鉆桿。下鉆正常，到底后探水泥塞，靜止循環(huán)時，排量32 L/s，泵壓8.7～9.2 MPa，停泵再開泵，同樣排量，泵壓10.4～11.4 MPa，壓差1.7～2.2 MPa，說明可變徑穩(wěn)定器在井下狀態(tài)良好。鉆進(jìn)時，排量31 L/s，泵壓11.1～11.7 MPa，停泵再開泵，泵壓9.7～10.3 MPa，兩次開泵的壓差1.4 MPa。370～660 m直井段和660～822.35 m定向段，不需要變徑穩(wěn)定器工作，鉆進(jìn)時把變徑穩(wěn)定器活塞調(diào)到平齊狀態(tài)，期間在井深780 m發(fā)生井漏，采用隨鉆堵漏，從前后兩次開泵泵壓變化情況看，變徑穩(wěn)定器在井下狀態(tài)正常。822.35 m進(jìn)入穩(wěn)斜段，把可變徑穩(wěn)定器活塞調(diào)到伸出狀態(tài)，鉆至1 110 m，發(fā)現(xiàn)前后兩次開泵泵壓差值減小到0.5 MPa，同時，由于鉆遇輝綠巖需換鉆頭，起鉆后變徑穩(wěn)定器外觀完好。

3) 試驗(yàn)結(jié)果分析。

液控變徑穩(wěn)定器使用井段370～1 110 m，進(jìn)尺740 m，工作時間124.75 h，所鉆井段軌跡變化如表5。

在井深660～822.35 m定向段，進(jìn)尺162.35 m，7次滑動累計(jì)進(jìn)尺70.50 m，井斜增加至17.80°、方位基本不變。在此期間，可變徑扶正器均可正常工作，壓差比較明顯(大于1 MPa)，容易判斷，活塞都處于平齊狀態(tài)，由于單彎螺桿上的穩(wěn)定器器直徑為?212 mm，可變徑穩(wěn)定器平齊狀態(tài)的直徑為?202 mm，此井段的造斜效果較好。822.35～1 110 m井段穩(wěn)斜段，均為復(fù)合鉆進(jìn)，保持可變徑穩(wěn)定器活塞處于伸出狀態(tài)，在沒有滑動鉆進(jìn)調(diào)整井斜的情況下，進(jìn)尺287.65 m，井斜只增加1.44°，增斜率為0.5°/100m，遠(yuǎn)小于常規(guī)單彎單穩(wěn)鉆具復(fù)合鉆進(jìn)的增斜率3°/100m～4°/100m，穩(wěn)斜效果較好。

表5 S79-2井使用變徑穩(wěn)定器井身軌跡變化情況

4) 節(jié)流錐材料改進(jìn)。

拆解變徑穩(wěn)定器后發(fā)現(xiàn)，節(jié)流錐被刺壞，導(dǎo)致節(jié)流面積增加，是起鉆前后兩次開泵泵壓差值減小的原因；主要是因金屬材料在長時間高壓沖刷下受損導(dǎo)致。因此，通過優(yōu)選，改用目前抗沖刷效果最好的陶瓷材料，以提高工具的整體壽命，如圖5。

圖5 改進(jìn)前金屬節(jié)流錐受損及改進(jìn)后陶瓷節(jié)流錐效果圖

5 結(jié)論

1) 液控可變徑穩(wěn)定器可按預(yù)定要求順利實(shí)現(xiàn)自由、平齊和伸出3種狀態(tài)，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

2) L46-3、S79-2等井應(yīng)用表明，液控可變徑穩(wěn)定器連接在定向鉆具的單彎螺桿上方，可實(shí)現(xiàn)“單彎單穩(wěn)”和“單彎雙穩(wěn)”鉆具組合在井下的轉(zhuǎn)換，能夠滿足定向井的軌跡控制要求。

3) 通過對換位機(jī)構(gòu)、節(jié)流參數(shù)和節(jié)流錐材料的優(yōu)化改進(jìn)，解決了可變徑穩(wěn)定器的換位穩(wěn)定性差、兩次開泵壓差過小而不易判斷及節(jié)流錐易受損導(dǎo)致的壽命偏短等問題。

4) 針對當(dāng)前所鉆井裸眼段長、靶點(diǎn)及軌跡調(diào)整多的特點(diǎn)，在鉆具組合適當(dāng)位置合理安裝液控可變徑穩(wěn)定器，可節(jié)約因改變鉆具組合引起的起下鉆時間，對促進(jìn)鉆井提速提效有重要意義。