变径扶正器引进及其推广应用

变径扶正器引进及其推广应用

摘要：变径扶正器是一种新颖.具有独创的新型井下工具,它是在扶正器的本体上设计若干个液压元件,利用钻柱内外钻井液在流经喷嘴时产生的压差,推动液压元件的伸出或收缩以控制扶正器外径变化的目的.当钻柱内没有泵压时, 液压元件收缩复位扶正器外径只有扶正器本体外径,在起下钻时防止遇阻或卡钻, 当钻柱内有泵压时, 推动液压元件伸出使其外径达到设计所需的尺寸要求,以满足井下施工要求. 该装置具有操作简单,磨阻小,钻进平稳,起下钻顺利等特点.从而提高钻井速度和安全系数。

关键词变径扶正器设计推广应用井下安全

一引言

扶正器是在钻具结构中，起着支撑和扶正的作用，根据需要改变其安装位置，以获得不同钻具结构，满足对井斜和方位的要求，达到对井身质量的控制，这些不同钻具结构可以在钻进过程中，使所钻井段的轨迹有防斜，纠斜，稳斜，增斜和控制方位的效果，可见扶正器在具体钻井中的重要作用。但在实际钻井过程中，由于地层中的泥岩，页岩层遇水膨胀和砂岩层滤失引起泥饼增厚，都会使井段缩径，起钻时，扶正器尺寸足够，外径214mm —215mm之间的扶正器就会剐擦井壁，阻塞井眼，引起上提困难，若处理不当很容易造成卡钻，而且处理起来也很困难。通常是用

套洗筒对其套洗作业，对套洗工具和操作技术和要求都非常高，套洗到扶正器处，要用爆炸松扣，倒扣，接上震击器震击，即便这样是否能解卡还很难下结论。且速度慢钻井周期延长，增加钻井成本。所以现在的钻井队只在直井段使用扶正器，为了防止井下复杂尽可能的选择欠尺寸的扶正器，但在有些区块,第一趟起钻仍十分困难.所以大都在定向后直接用螺杆复合钻进控制井眼轨迹。由此可见扶正器都失去了往日的使用频度.

在我油田的油区,其中就有三个是浅井稠油区块,即井楼古城区块,新庄区块和王集杨楼区块.这些井大都在1000 m以下有的甚至只有300m左右。所以浅井和浅钻占了我公司较大比例,但由于浅钻机的提升能力不足，泥浆性能差，失水造浆严重，再加上上部地层松软容易垮塌，所以即便是直井段也不能使用扶正器。到了油田开发后期，对于井身质量的要求越来越苛刻，井楼区块只有5m，其他区块也仅有10m。以井楼为例：井斜按1计算，5m 靶圈到300m就要出靶。而井楼区块大多数井深在500左右，而且到300m以后即便是加压3吨吊打，井斜也要超出2度。且方位衡定。所以扭方位是一定的。在杨楼和新庄靶心半径10m的区块。3—5吨的站压，400多米也就到了靶心边缘，所以超出了这个井深就有脱靶的可能。

那么，多大靶圈半径不用纠斜呢？据实钻统计，靶圈半径为20m的浅探井，800m井深水平位移在17m左右。当然与前提是钻压在5吨以内。一般在核三段6油组达到井斜最大值2.5左右。以后即便是加压7—8吨，井斜还有降小的趋势。综上：靶圈半径10m井深400以内不用扭方位。

以上所述，都是浅钻光钻铤钻具结构下的统计数据，3—5吨的钻压，限制了机械钻速的提高，全井平均机械钻速15m/h左右。而且频繁的扭方位纠斜，延长了钻井费用的无用投入。本来投资降低就不怎么盈利，这样只要纠斜，大多就

要亏损。即以现有的小钟摆放斜技术在浅钻中使用有没有防斜，纠斜效果呢？以20503钻井队在井楼3区应用小钟摆钻具结构为例。500m井深，同是3吨钻压。其水平位移仅有了3m多，而同区块使用光钻铤，井深300m左右，水平位移就达到5m。所以小钟摆钻具纠斜，防斜效果是显而易见的。对于钻机提升能力有限的井队，浅井区块多是泥岩。泥浆性能较差，若带扶正器入井很容易造成缩径或泥包卡钻，浅表地层，孔隙压力也低，一旦蹩漏地层，处理事故也很麻烦，所以至今这些井队所用光钻铤钻具结构。那么如何在井下安全的前提下，把防斜效果明显的钟摆钻具结构用于这些钻井队上，特建议使用变径扶正器。

二变径扶正器的结构和原理

如图：在外径200mm斜三棱基面上钻开45个27mm的通孔，三个三棱基面，每个三棱基面有15个通孔，每个孔上装有复位液压元件，自然状态下，复位弹簧作用使液压元件复位外径200mm，当钻柱有流经的泥浆有压力时，泥浆推动液压元件柱塞外移，外移后扶正器直径达到215mm，即正常扶正器的尺寸，用以满足井下各种钻具结构的使用要求，当需要起钻时，停泵，钻柱内外没有压差，复位弹簧作用使液压元件复位，扶正器复位外径200mm便可正常顺利的进行起下钻作业，如果液压元件不能正常复位，在液压元件柱塞头设计有45度的倒角，停泵后旋转钻

具，液压元件柱塞头与井壁摩擦产生柱向推力，促使液压元件柱塞复位。然后在进行起下钻作业。

图一：扶正器本体

图二：液压元件

三液压元件柱塞承压设计

液压元件柱塞外径27mm,液压元件柱塞内径33mm，

（一）单孔外承压

单孔外承压面积 2.7*3.14/4=5.72平方厘米液压元件柱塞外头与地层接触,当地层极软时,钻具的自重下垂就保证井身的垂度, 钻具在井下旋转, 扶正器液压元件柱塞外头瞬间接着地层,由于井眼的直径与扶正器的直径相差无几,可以认为在高速旋转下,扶正器斜三棱基面通体都与井壁完全接触,如果地层较软抗不住液压元件柱塞外头的压力, 液压元件柱塞外头就会吃入地层,对地层产生切削,规正井壁 , 保证井身的垂度.已经产生了井斜井段的地层的硬度一定是能抗住液压元件柱塞外头的切入.所以液压元件柱塞外头切入地层承压力没有计算的必要.换尔言之,现在所述扶正器液压元件柱塞外头是不切入地层的,也就是说当钻柱内有泵压时,扶正器液压元件柱塞处的直径是合乎扶正器设计直径要求的.例如小钟摆钻具结构,虽然变径扶正器与井壁接触承压面积小于一般扶正器,但在纠斜过程中识同与地层的接触点是在变径扶正器上,以保证钟摆力的存在,使钻头对斜井眼下壁有切削能力.从而达到纠斜效果.

（二）单孔内承压

承压面积3.3*3.14\4=8.54平方厘米

钻柱内泵压10MPa

单孔内承压8.54*100=854Kg

扶正器在井下, 由于井眼的直径与扶正器的直径相差无几,液压元件柱塞外头至少有2-3个瞬间接着地层,即扶正器液压元件柱塞外头被压缩力

854*3=2562Kg=2.5吨

假设单扶小钟摆钻具结构, 钻具受压第一次弯曲点在扶正器上，钻压8吨, 井斜4度则侧向分力是0.56吨,远远小于扶正器液压元件柱塞外头被压缩力2.5吨，如果使用多个扶正器组成的其他钻具结构，钻压都被传到钻头，这时扶正器只受钻具本身重量的侧向分力，这个侧向分力则更小。当井斜较大与此相同即扶正器液压元件柱塞外头不能被压缩.保证在井下正常工作.

四变径扶正器的结构具体参数

如图1

1变径扶正器的长度1-1.5mm,棱长适中,钻台安装方便,安全可靠.

2 液压元件柱塞外头结构设计合理,采用与钻头水眼材质相同

的硬质合金碳钢,抗击,耐磨.

3 液压元件柱塞外头密封处,采用与钻头水眼与钻头本体密封

的设计原理密封,安全可靠,耐压40MPa.

4 液压元件柱塞外头底部,采用与钻头水眼卡簧限位的设计.

拆,装方便,操作简单.

5 液压元件柱塞外头, 密封圈, 卡簧都与钻头的密封圈和卡

簧相一致,可更换,使用寿命长,且成本底.

6 变径扶正器的几何尺寸见表1