自洗式随钻划眼工具的研制及应用

自洗式随钻划眼工具的研制及应用
摘要：随着油气田开发进入中后期，油田开发难度逐步加大，环空憋压、浅层缩径、井漏等复杂情况频发。

为了保证井下安全，在钻进施工中，钻井队不得不采取短起下钻，通井划眼、扩眼，甚至堵漏等技术措施，这必将严重影响钻井时效。

自洗式随钻划眼工具的使用可以在钻进过程中实现划眼，减少环空憋压和井漏等复杂情况的发生，还能处理浅层缩径等，能够大大地提高了钻井时效。

关键词：随钻划眼工具钻具组合力学计算
一、概述
近年来，随着大庆油田进入“双高”后期，开采开发难度的不断加大，越来越重视成本的压力，而钻井生产又是高风险作业，尤其井下带来的风险尤为突出，如何预防避免井下复杂事故的发生，以成为各个钻井公司面临的实际问题，也都在加大力度进行研究和开发新工艺、新工具等等，自洗式随钻划眼工具能够有效的防止环空憋压、井漏的发生，并且能够有效的处理缩径等复杂情况。

二、工具的结构
图1 1-母接头；2-公接头；3-连接杆；4-翼刀；5-硬质合金条；6-硬质合金块
自洗式随钻划眼器包括母接头、公接头和连接杆，连接杆和母接头、公接头分别固定连接，连接杆外壁周向固定安装带有倒角的翼刀，翼刀表面镶有硬质合金条和硬质合金块。

翼刀分为三组，在连接杆外壁轴向上依次排列，相邻两组翼刀之间的夹角为60°，每组翼刀有三个，在连接杆外壁周向上平均分布，相邻翼刀之间的夹角为120°。

翼刀上端为38°倒角，下端为18°倒角。

在使用过程中直接将自洗式随钻划眼工具连接在钻具上，随钻具一起下井，在钻井的同时，工具翼刀对井壁进行扩张与修整，省去了完钻通井作业的工序，大大提高了钻进效率；钻进时，本工具的分段螺旋式结构有利于钻井液在钻具与井眼环形空间内循环流动，而翼刀具有磨削和切削的作用，因此可以防止钻具上形成泥包，下钻受阻；翼刀分为三组，每组三个，翼刀的数量以及翼刀之间角度的设置即可以满足切削功能的需要，又为钻井液的循环留出足够的空间，防止形成泥包；翼刀的上端为38°倒角，下端为18°倒角，上端的倒角大于下端的倒角，使得上提钻具时不容易遇卡，钻具能够顺利取出；该工具既可以正划眼，还可以倒划眼，同时兼具有扶正功能，将钻井和划眼作业合二为一，提高作业效率。

三、工具的工作原理
1.工具结构力学分析
钻具工作条件：工作扭矩=20kN·m 最大扭矩=30kN·m
工作钻压=20-50kN 最大钻压=100kN
1.1计算自洗式随钻划眼工具临界钻压
自洗式随钻划眼工具是一柱状结构，并在四周分布刀翼，刀翼与井眼之间有一定间隙，因而有压弯失稳的可能，根据依欧拉公式，其临界钻压为：
式中：E-钢铁的弹性模量
E=2.1×106kg/cm3=2.1×108kpa；
L-工具长度，L=1.80m；
J-随钻划眼工具截面轴惯性矩；
D-工具外径，
D=0.214m；
d-工具内径，d=0.0714m；
将D、d代入公式得
J=0.0000227m4
该工具最大加压力为250kN <580.255 kN
所以该工具不存在失稳现象。

2.自洗式随钻划眼工具强度校核
2.1自洗式随钻划眼工具的抗拉强度计算
式中：P-抗拉极限负荷，kN；
[σ]-本体钢材许用拉应力，kpa；
[σ]= σs/n
n=1.7
σs -材料屈服应力（常量）
σs =735200kPa
（40CrMnMo）
[σ]= σs/n=735200/1.7=432470kpa
A-自洗式随钻划眼工具本体环形面积，m2
式中：D=0.165m(直径)
d=0.0714m
(管体内径)
将[σ]、A代入上式得
P≤4324700×0.00576=9569.2（kN）自洗式随钻划眼工具最大允许提拉负荷为9569.2kN，符合设计要求。

2.2最大允许扭矩计算
在钻进施工过程中，如井下发生遇阻被卡，此时自洗式随钻划眼工具所能承受的最大扭矩。

即发生危险断面所能承受的最大扭矩就是该工具的最大许用扭矩。

Mmax=[τ]Wn
式中：Mmax---自洗式随钻划眼工具所能承受的最大扭矩，kN?m；
[τ]---材料许用最大剪应力，
kpa；
[τ]= [σ]/2=432470/2=217350（kpa）
Wn---抗扭截面模量，m3；将[τ]、Wn代入上式
Mmax=[τ]Wn=217350×0.0081=176（kN?m）
远远大于转盘输出最大扭矩。

2.3自洗式随钻划眼工具自洗能力计算
刀翼通过钻井液的冲洗，将刀翼上的砂子清洗干净，所以存在以下几种情况：
当钻井液处于静止状态时，系统处于平衡：
F=F1+F2
当钻井液开始流动时，平衡状态被破坏：
F+△F＞F1+F2
经过上述受力分析，根据层流条件下动量定理可以得出：
F×△t=△m×(V2-V1)
在式中: △m-在单位时间内流过刀翼的钻井液的质量
钻进排量Q定为25L/s时解得：
钻进排量Q定为32L/s时解得：
一般情况附着在刀翼上的岩屑冲走需要400N的冲击力，所以，排量为25L/s 时，附着在刀翼上的岩屑为338N冲不动，排量增加到32L/s，施加在刀翼端面上的冲击力增加到510N，岩屑被冲走。

3.工具实现自洗及刮划井壁原理
自洗式随钻划眼工具在环空中流体的螺旋流的压力梯度为:
式中：流速，；
流量，m3/s；
环空外半径，m；
环空内半径，m；
钻井液在较大井眼中的流动阻力变小，流动速度快，钻井液在环空中向上流动时，当钻井液流经井径突然变大时，相应的水力半径也变大，相应的流动阻力就变小，钻井液压力损失变小，压力梯度逐渐变小，由于井底所受的压力是钻井液中固液两相的静液柱压力与环空摩擦阻力所消耗的压耗之和，如果压耗变大，井底压力也变大，相反也是如此，所以可以加快钻进的流动速度还不能够压漏地层，所以在钻井现场，只有钻井液排量达到一定值以后，才能实现自洗功能。

自洗式随钻划眼工具是通过其九个刀翼对井壁进行作用的。

该工具外径为214mm，适用在215mmPDC井眼中，所以可以这样的理解为，当井径缩小或粘附的虚泥饼到较形成井眼钻头的名义直径小不到3mm（一般为泥滤饼所致）时，即为划眼作业，而当小到≥3mm 时，扩划眼就成为了扩眼作业，因此，该工具是划眼作业不是扩眼作业。

在井下一些地层（如距离地表较近的粘土层、韧性较强的泥岩层或泥岩层、岩盐层等）易发生缩径的井眼中，进行钻井作业时容易发生环空憋压，很容易造成严重后果，如果使用该工具对缩径井段反复进行刮削，就能够很好的处理浅层缩径，这一功能在试验过程中得到了很好的验证，但是在缩径比较严重的地区，就不适合使用该工具，以免发生不良后果。

四、工具的应用范围
根据工具的工作原理，该工具仅适用在直井中，由于在直井中，工具基本没有向井壁方向上的力，所以对井壁没有太大的破坏作用，而定向井中，由于井斜角度的存在，必然会有一个侧向力向着井壁方向，这样工具就会对井壁作用，很容易造成井壁不稳定，出现其他复杂情况。

五、应用实例
通过理论研究，结合现场试验情况，对最初设计进行改进，完成了该工具的最终结构设计。

通过现场试验情况，对该工具在钻柱中的位置不断优化，最终确定了其下入位置为300m、600m、900m。

该工具试验成功后，有效地预防了环空憋压等复杂情况的发生，平均每口井钻井周期减少4%，下表为试验井统计表：表1
六、结论
1.实现随钻划眼。

利用钻进过程中钻柱旋转带动该工具旋转，工具的外翼对井壁进行刮削达到规范井壁，即划眼的效果。

2.实现自洗。

工具的外翼成螺旋状分布，设计时充分考虑钻井液上返时产生的旋流和冲击力，将工具清洗干净，从而达到自洗的效果，有效地预防了泥包现象的发生。

3.对井壁没有破坏作用，该工具外径小于钻头外径，并且在直井中没有侧向力向着井壁，因此，不会对井壁造成影响。

4.在钻遇浅层缩径时，应用该工具后，能够很好将缩径部位进行刮削，整理井眼，经过3次左右的刮削后，缩径部位基本正常，不会影响钻井。

参考文献[1]胡景荣. 钻进同时进行扩划眼的工艺技术[J ] .钻采工艺，1999，22，（1）.[2]王鑫，徐建飞. 具有倒划眼和保径功能的新型扩孔器设计[J] . 石油机械，2007，35（10）.。