?214 mm液控可變徑穩定器結構原理及應用

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(中石化華東石油工程公司 江蘇鉆井公司，江蘇 揚州 225261)

液控可變徑穩定器能夠在井下不起鉆情況下改變外徑，實現不同鉆具組合的轉換，達到控制井斜的目的，節約施工時間，降低鉆井成本[1-6]。20世紀80年代以來，國內外開展了大量的研究，先后開發出了投塞式、遙控式和自控式等類型可變徑穩定器，并進行了現場應用[7-10]。在對現有可變徑穩定器研究的基礎上，對換位機構、節流壓力參數及節流錐材料等進行了優化改進。通過L46-3、S79-2等井的應用，形成了液控可變徑穩定器鉆井應用技術。該技術主要采用“單彎螺桿+MWD+可變徑穩定器”的鉆具組合方式，結合了“單彎螺桿+MWD”靈活可控和變徑穩定器井下外徑可調的技術優勢，定向造斜段采用可變徑穩定器小徑狀態，為常用的單彎單穩鉆具；當到達預定井斜方位后，采用可變徑穩定器大徑狀態，轉換為單彎雙穩鉆具，繼續下部長穩斜段的鉆進，避免了常規單彎單穩鉆具復合鉆進增斜的問題，從而減少滑動調整井斜，避免井眼軌跡波動大，節約起下鉆時間，對促進鉆井提速提效有重要意義。

1 結構及工作原理

液控可變徑穩定器主要由外筒、芯軸系統、變徑系統、密封系統、活塞系統、換位機構及示位機構等組成，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—補償活塞；18—下心軸；19—過濾孔；20—下密封組合；21—節流孔；22—節流錐；23—調整片。

在翼片內的活塞有3種工作狀態，即，自由狀態、伸出狀態、齊平狀態。自由狀態時為停泵期間，活塞比翼片低3 mm?；钊纳炜s是通過換位機構控制的。通過換位機構改進，簡化了結構，提高了換位銷強度、換位成功率及可靠性。當換位環換位至長槽時，芯軸系統下行距離最大，活塞完全伸出，此時為伸出狀態；當換位環換位至短槽時，芯軸系統下行距離適中，活塞伸出部分與翼片平齊，此時為齊平狀態，如圖2。

活塞的工作狀態可通過示位機構來顯示，當芯軸系統下行，活塞完全伸出時，節流錐插入節流孔內，節流面積減小，產生壓降，地面立管壓力會升高1～2 MPa，即可判定井下變徑狀態。只有活塞伸出時，才會產生泵壓增加信號，當活塞不伸出時，通過示位機構處的壓降可以忽略不計。

活塞的3種工作狀態轉換過程是：

1) 自由狀態Ⅰ。在停泵狀態，由于復位彈簧的作用，使心軸上行，帶動錐體上行，換位銷處于換位機構的“1原位”狀態，斜面將活塞拉回到本體內部，活塞為自由狀態，如圖2a所示。

2) 伸出狀態Ⅰ。第1次開泵時，液壓力使彈簧壓縮，芯軸下移，換位機構隨之下移并轉動，使換位銷處于換位機構長槽內，即“2長槽”狀態；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(即工作狀態)。由于下芯軸下行，節流錐進入下心軸內孔，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Ⅱ。第1次停泵時，在復位彈簧的作用下，心軸上行帶動錐體上行，換位銷隨之上行并轉動，使換位銷處于換位機構的“1原位”狀態，斜面將活塞拉回到本體內部，活塞重回自由狀態，如圖2c所示。

4) 齊平狀態。第2次開泵時，液壓力使彈簧壓縮，芯軸再次下移，換位機構隨之下移并轉動，使換位銷處于換位機構的短槽內，即 “3短槽”狀態，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。由于下芯軸下行距離較小，節流錐沒進入下心軸內孔，因此鉆井液流通通道不變，泵壓不發生變化，如圖2d所示。

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

圖2 可變徑穩定器不同工作狀態示意

因此，變徑穩定器每進行開停泵1次，工作狀態切換1次，按照“a—b—c—d”的方式無限循環?；钊倪\動規律如表1。

表1 開停泵與活塞狀態對應關系

2 主要技術參數

遙控液壓可變徑穩定器主要參數如表2。

3 常用鉆具組合

通過對鉆具組合中不同位置變徑穩定器外徑的控制，可在不起鉆情況下，實現不同力學性質鉆具組合之間的相互轉換，提高施工速度。以?215.9 mm井眼使用單彎單穩與單彎雙穩鉆具組合轉換為例，鉆具組合：?215.9 mm鉆頭+?172 mm螺桿(帶?212 mm穩定器)+?202 mm～?214 mm可變徑穩定器+?159 mm鉆鋌6根+?127 mm鉆桿，結構示意如圖3。

表2 適用于?215.9 mm井眼液控可變徑穩定器主要參數

1—鉆頭； 2—螺桿(帶穩定器)；3—變徑穩定器；4—鉆鋌；5—鉆桿。

當變徑穩定器工作外徑最大時(活塞伸出)，為單彎雙穩鉆具，實現復合鉆進穩斜；當變徑穩定器工作外徑最小時(活塞收縮)，為單彎單穩鉆具，實現復合鉆進增斜，在滑動鉆進時，提高造斜率。

其它主要不同鉆具之間的轉換關系如表3。

表3 可變徑穩定器在鉆具中不同位置及控制后的鉆具組合力學特征

4 應用實例及改進

4.1 L46-3井

L46-3井是一口定向開發井，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，1 540 m定向。鉆進至2 089.88 m下入可變徑穩定器，此時井斜24.96°、方位9.01°。全井鉆井周期19.42 d，鉆機月速為3 375.82 m/(臺·月)，全井機械鉆速11.72 m/h。

1) 井口測試。

把可變徑穩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+液控可變徑穩定器+方鉆桿。開泵排量21.50 L/s，可變徑穩定器活塞伸出，泵壓5.2 MPa。停泵，活塞縮回到自由狀態。再開泵，活塞處于平齊狀態，此時泵壓4.7 MPa，活塞平齊和伸出狀態壓降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斜，在井深2 089.88 m時，通過開停泵方式，使變徑穩定器活塞處于伸出狀態，使鉆具組合為單彎雙穩。鉆進參數：鉆壓60 kN、排量32 L/s，泵壓18.5～19.5 MPa。鉆進至2 242.16 m，發現方位負漂移，為保證中靶，需滑動增方位。把變徑穩定器活塞調制平齊狀態，轉為“單彎單穩”組合，進行滑動扭方位。鉆進參數：鉆壓60 kN、排量32 L/s，泵壓18.0～19.0 MPa。鉆進至2 345.97 m起鉆，起出可變徑穩定器，外觀完好。

3) 試驗結果分析。

液控變徑穩定器使用井段2 089.88～2 345.73 m，進尺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井使用變徑穩定器井身軌跡變化情況

2 089.88～2 242.16 m井段變徑穩定器活塞伸出狀態，進尺152.28 m，穩斜效果較好，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，同時適當增井斜。2 242.16～2 345.73 m井段，變徑穩定器活塞處于平齊狀態，進尺103.57 m，期間滑動調整3次，累計滑動進尺25.85 m，井斜從24.96°增到26.72°；方位角從7.0°增到10.50°，滑動調整效果明顯。

4) 節流參數優化。

經試驗，該工具較好地控制了軌跡，存在的主要問題是：伸出與縮進的泵壓差別偏小，對井下處于何種狀態難以判斷。對工具進行了改進，主要是增加示位機構的調節片，減小節流錐與節流孔之間間隙，從原來63.9 mm減小到37.8 mm，節流面積由原來的722.4 mm2減少到578.79 mm2，節流壓力增加到1.5～2.0 MPa。改進前后效果如圖4。

圖4 示位機構改進示意

4.2 S79-2井

對可變徑穩定器進行節流壓力提高改進設計后，在S79-2井進行了應用。該井是一口定向開發井，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，660 m定向。鉆進至822.35 m穩斜至井底。鉆井周期18.17 d，鉆機月速3 215.9 m/(臺·月)，全井機械鉆速為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，泵壓7.3～8.3 MPa，兩次壓差1.5 MPa，差別明顯，活塞伸縮符合設計要求。

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，說明可變徑穩定器在井下狀態良好。鉆進時，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，不需要變徑穩定器工作，鉆進時把變徑穩定器活塞調到平齊狀態，期間在井深780 m發生井漏，采用隨鉆堵漏，從前后兩次開泵泵壓變化情況看，變徑穩定器在井下狀態正常。822.35 m進入穩斜段，把可變徑穩定器活塞調到伸出狀態，鉆至1 110 m，發現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，起鉆后變徑穩定器外觀完好。

3) 試驗結果分析。

液控變徑穩定器使用井段370～1 110 m，進尺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，進尺162.35 m，7次滑動累計進尺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，由于單彎螺桿上的穩定器器直徑為?212 mm，可變徑穩定器平齊狀態的直徑為?202 mm，此井段的造斜效果較好。822.35～1 110 m井段穩斜段，均為復合鉆進，保持可變徑穩定器活塞處于伸出狀態，在沒有滑動鉆進調整井斜的情況下，進尺287.65 m，井斜只增加1.44°，增斜率為0.5°/100m，遠小于常規單彎單穩鉆具復合鉆進的增斜率3°/100m～4°/100m，穩斜效果較好。

表5 S79-2井使用變徑穩定器井身軌跡變化情況

4) 節流錐材料改進。

拆解變徑穩定器后發現，節流錐被刺壞，導致節流面積增加，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致。因此，通過優選，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 改進前金屬節流錐受損及改進后陶瓷節流錐效果圖

5 結論

1) 液控可變徑穩定器可按預定要求順利實現自由、平齊和伸出3種狀態，達到了設計目的。

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

3) 通過對換位機構、節流參數和節流錐材料的優化改進，解決了可變徑穩定器的換位穩定性差、兩次開泵壓差過小而不易判斷及節流錐易受損導致的壽命偏短等問題。

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