隨鉆刮壁技術(shù)研究

(1.中國石油西部鉆探 工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2.油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室克拉瑪依分室，中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國石油西部鉆探 準(zhǔn)東鉆井公司，新疆 克拉瑪依 834000)①

鉆井提速提效是油氣鉆探的永恒主題，業(yè)內(nèi)人士已進(jìn)行了大量的研究工作[1-5]。刮壁作業(yè)是鉆完井作業(yè)中不可缺少的技術(shù)環(huán)節(jié)。當(dāng)鉆至目的層后，需要對上層技術(shù)套管內(nèi)壁進(jìn)行刮壁作業(yè)，清理技術(shù)套管內(nèi)壁中的泥餅、沉砂、毛刺及其他附著物，以保證后續(xù)鉆完井作業(yè)的有效進(jìn)行，例如尾管懸掛器的坐掛和封隔器的坐封等。另外，在特殊鉆井工藝中，如果進(jìn)行分支井眼的鉆進(jìn)時(shí)，也需要對上部技術(shù)套管進(jìn)行刮壁作業(yè)，以保證斜向器的有效坐掛和斜向器錨的可靠坐封。因此，刮壁作業(yè)直接影響到后續(xù)鉆完井作業(yè)的施工質(zhì)量。

常規(guī)的刮壁作業(yè)工藝是在鉆井結(jié)束后，進(jìn)行起鉆作業(yè)，將鉆進(jìn)鉆具組合更換為刮壁鉆具組合后，下鉆至需要刮壁的技術(shù)套管段，進(jìn)行刮壁作業(yè)。在刮壁作業(yè)結(jié)束后，起鉆，將刮壁鉆具組合更換為鉆進(jìn)鉆具組合或下入套管柱固井。常規(guī)刮壁技術(shù)程序復(fù)雜，涉及到多次起下鉆，施工周期長(在下套管之前還要進(jìn)行多次通井作業(yè))，進(jìn)而造成鉆完井成本的增加，在深井超深井中該問題更加明顯[6]。

從機(jī)械結(jié)構(gòu)上分析，常規(guī)的刮壁器由于螺旋刮管條在彈簧的作用下自然伸出，其外徑大于技術(shù)套管內(nèi)徑[7-10]，故常規(guī)刮壁器無法實(shí)現(xiàn)隨鉆刮壁作業(yè)。

如何能夠?qū)崿F(xiàn)隨鉆刮壁已成為鉆完井作業(yè)者亟待解決的技術(shù)問題之一。本文對隨鉆刮壁技術(shù)進(jìn)行深入研究，結(jié)合鉆完井工藝，進(jìn)行了隨鉆刮壁器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了力學(xué)分析。隨鉆刮壁技術(shù)在有效保證常規(guī)刮壁技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，可大幅節(jié)約施工時(shí)間，提高鉆完井時(shí)效，降低鉆井成本。

1 工具結(jié)構(gòu)

隨鉆刮壁器結(jié)構(gòu)主要由本體、螺旋刮壁條及下接頭等組成。本體和下接頭上下兩端分別連接鉆鋌或鉆桿。如圖1所示。

1—本體；2—剪切銷釘；3—中心管；4—活塞；5—銅銷釘；6—螺旋刮壁條；7—壓縮彈簧；8—下接頭。

b A-A剖面圖

c B-B剖面圖

圖1 隨鉆刮壁器結(jié)構(gòu)

2 工作原理

如圖1所示，螺旋刮管條設(shè)計(jì)在本體內(nèi)，并呈120°均布設(shè)計(jì)，從而保證管壁作業(yè)質(zhì)量和在刮壁作業(yè)中鉆井液的有效循環(huán)。在正常鉆進(jìn)作業(yè)中，螺旋刮壁條呈收縮狀態(tài)，即隨鉆刮壁器外徑對正常鉆井作業(yè)不產(chǎn)生任何影響。在鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)，隨鉆刮壁器作為鉆柱的一部分連接在鉆柱中；當(dāng)鉆井作業(yè)或通井作業(yè)結(jié)束后，上提隨鉆刮壁器至技術(shù)套管內(nèi)需要刮壁位置，通過地面控制即可實(shí)現(xiàn)刮壁作業(yè)。工作原理：當(dāng)隨鉆刮壁器提至技術(shù)套管內(nèi)需要刮壁位置時(shí)，地面投入密封樹脂球；地面繼續(xù)泵入壓力至p1時(shí)，剪切銷釘被剪斷，此時(shí)中心管下行一定距離；中心管下行至限位位置后，中心管上設(shè)計(jì)的傳壓孔與本體處設(shè)計(jì)的傳壓孔連通，地面繼續(xù)泵入流體，使地面泵壓升至p2時(shí)，高壓流體驅(qū)動活塞將銅銷釘剪斷，此時(shí)刮壁條在壓縮彈簧的作用下沿徑向伸出至限位位置，實(shí)現(xiàn)刮壁條的伸出狀態(tài)，如圖2所示。當(dāng)刮壁條伸出后，即可進(jìn)行技術(shù)套管內(nèi)壁的刮壁作業(yè)。在刮壁作業(yè)中，為了確保鉆井液循環(huán)，避免活塞效應(yīng)，地面可繼續(xù)泵入高壓流體，使壓力升至p3，驅(qū)使與中心管連接的球座落入下接頭上設(shè)計(jì)的球籃內(nèi)，如圖3所示，從而保證刮壁及后續(xù)起鉆作業(yè)，避免“拔活塞”效應(yīng)，保證刮壁的順利進(jìn)行。

圖2 液壓驅(qū)動刮壁條伸出

圖3 球座落入下接頭

隨鉆刮壁的技術(shù)優(yōu)勢在于：

1) 一趟鉆實(shí)現(xiàn)刮壁作業(yè)，提高鉆井效率；減少起下鉆次數(shù)，節(jié)約鉆井時(shí)間。

2) 由于刮壁器作為鉆柱的一部分，能夠保證在刮壁作業(yè)中對井控的技術(shù)要求。

3 地面泵壓設(shè)計(jì)依據(jù)

3.1 中心管下行力確定

如圖2所示，確保中心管下行的必要條件是剪切銷釘被剪斷。當(dāng)密封球坐封在球座上后，液壓力驅(qū)動中心管下行。剪切銷釘被剪斷的公式為：

即：

式中，p1為中心管下行時(shí)所需地面泵壓，MPa；d1為中心管內(nèi)徑，mm；d2為剪切銷釘直徑，mm；σs為銅剪切銷釘材料屈服強(qiáng)度，MPa；n為剪切銷釘?shù)膫€數(shù)。

即，當(dāng)?shù)孛姹脡骸輕1值時(shí)，剪切銷釘將被剪斷，此時(shí)中心管下行至限位位置。

結(jié)合鉆井工藝實(shí)際情況，可對銷釘?shù)闹睆絛2和數(shù)量n進(jìn)行調(diào)整，從而優(yōu)選出最佳參數(shù)，保證鉆井刮壁的技術(shù)需求。

3.2 銅銷釘剪切力確定

銅銷釘是否能夠順利剪斷，是螺旋刮壁條能否順利伸出的保證。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，螺旋刮壁條呈120°均布設(shè)計(jì)，因此，銅銷釘?shù)臄?shù)量為3個，如圖1b所示。銅銷釘剪斷所需要的力來自地面泵入的液壓力，即地面泵壓p2，壓力傳遞是通過中心管上設(shè)計(jì)的傳壓孔與本體處設(shè)計(jì)的傳壓孔來實(shí)現(xiàn)的。假設(shè)銅銷釘?shù)那?qiáng)度為σsCu，銅銷釘直徑為dCu，剪切力應(yīng)滿足下式：

即：

式中：p2為銅銷釘剪斷時(shí)所需地面泵壓，MPa；dCu為銅銷釘直徑，mm；σsCu為銅銷釘材料屈服強(qiáng)度，MPa。

已知銅銷釘直徑(大小根據(jù)實(shí)際情況而定)dCu，銅銷釘?shù)那?qiáng)度σsCu，中心管直徑d1，可根據(jù)上式得出銅銷釘剪斷時(shí)所需的地面泵壓p2。

3.3 球座下行力確定

當(dāng)螺旋刮壁條沿徑向伸出后，即可進(jìn)行刮壁作業(yè)。為了保證在刮壁作業(yè)時(shí)井下鉆井液的有效循環(huán)，以及在后續(xù)起鉆作業(yè)中防止“活塞”效應(yīng)，需要將球座打落至下接頭上設(shè)計(jì)的捕球籃處。此時(shí)球座下行所需的地面泵壓為p3，球座與中心管連接的銷釘直徑為d3，銷釘屈服強(qiáng)度為σs3，故球座下行應(yīng)滿足以下關(guān)系式：

即：

式中：p3為球座下行時(shí)所需地面泵壓，MPa；d3為球座銷釘直徑，mm；σs3為球座銷釘材料屈服強(qiáng)度，MPa；n3為球座銷釘?shù)膫€數(shù)。

對于本文設(shè)計(jì)的隨鉆刮壁器而言，中心管下行至限位位置是保證液壓傳遞的充要條件，液壓力能否順利剪斷銅銷釘是保證隨鉆刮壁器能否正常刮壁的必要條件，球座落入捕球籃是鉆井工藝能否正常實(shí)施的充分條件。

在現(xiàn)場施工作業(yè)中，當(dāng)起鉆至需要刮壁的井段時(shí)，地面投入密封球，當(dāng)泵壓達(dá)到p1時(shí)，即為中心管下行的液壓力；當(dāng)泵壓達(dá)到p2值時(shí)，即為螺旋刮壁條伸出的液壓力；當(dāng)壓力繼續(xù)升高至p3時(shí)，即為球座落入捕球籃的液壓力。實(shí)際上，p1、p2、p33種液壓力的升高是連續(xù)的過程，且當(dāng)泵壓升高至p3值時(shí)，地面泵壓迅速歸零，這是因?yàn)榍蜃淙肭蚧@和液壓力泄壓是同時(shí)發(fā)生的。

因此，對于以上3種液壓力的大小，應(yīng)滿足關(guān)系式：

p1

為了保證井下施工安全可靠，在條件允許的條件下，泵壓力級差建議為5～8 MPa。

4 其他力學(xué)性能的確定與校核

4.1 壓縮彈簧推靠力的確定

壓縮彈簧的設(shè)計(jì)主要包括彈簧材料、鋼絲直徑、預(yù)緊力和推靠力大小的確定等方面，其設(shè)計(jì)依據(jù)與常規(guī)刮壁器設(shè)計(jì)相同，本文不再贅述。

4.2 本體及下接頭等力學(xué)性能確定與校核

與常規(guī)井下工具設(shè)計(jì)方法類似，隨鉆刮壁器的機(jī)械設(shè)計(jì)方面，也應(yīng)進(jìn)行本體工具的抗拉強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度以及抗壓強(qiáng)度的分析與校核。在進(jìn)行液壓力分析方面，還應(yīng)考慮到整體的密封性設(shè)計(jì)以及抗內(nèi)壓強(qiáng)度以及抗外擠強(qiáng)度的力學(xué)分析。此類計(jì)算方法由于篇幅有限，本文不再贅述。

基于以上分析，隨鉆刮壁技術(shù)是在結(jié)合鉆完井技術(shù)工藝的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)鉆井-刮壁一趟鉆技術(shù)，減少起下鉆次數(shù)，大幅縮短鉆井周期，提高鉆井時(shí)效，節(jié)約鉆井成本。因此，隨鉆刮壁技術(shù)具有良好的提效效果和技術(shù)應(yīng)用前景。

以上是隨鉆刮壁技術(shù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和相關(guān)理論分析，后續(xù)將對隨鉆刮壁器進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對理論分析值進(jìn)行擬合修正，從而更好地進(jìn)行工具結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。

5 結(jié)論

1) 隨著鉆完井技術(shù)的不斷發(fā)展，常規(guī)的刮壁技術(shù)由于存在施工復(fù)雜、施工周期長等技術(shù)弊端，已不能滿足鉆井技術(shù)中對提效的技術(shù)要求。

2) 隨鉆刮壁技術(shù)可將鉆井與刮壁有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“一趟鉆”刮壁作業(yè)，大幅提高鉆井效率，節(jié)約鉆井周期，實(shí)現(xiàn)鉆井提效。

3) 本文的計(jì)算研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可為隨鉆刮壁器的進(jìn)一步研究提供理論基礎(chǔ)，為隨鉆刮壁器的室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場試驗(yàn)提供參考依據(jù)。

4) 應(yīng)根據(jù)井身結(jié)構(gòu)要求，進(jìn)行隨鉆刮壁器的系列化研究，以適應(yīng)鉆井提效技術(shù)發(fā)展的需求。