無線指令電控式智能擴眼技術

閆偉 魏來 左凱 郝宙正 劉禹銘 孔學云 蔣暢

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司

隨鉆擴眼技術是采用隨鉆擴眼工具和常規鉆頭，在全面鉆進的同時擴大裸眼段尺寸，使其大于上部套管串內徑的一種鉆井技術［1］，在處理井下復雜情況、降低鉆井綜合成本、提高固井質量等方面具有顯著的優勢［2-4］，隨鉆擴眼工具正逐漸成為一種重要的石油鉆井配套工具［5-7］。液壓式隨鉆擴眼器是應用最成熟、最廣泛的一種隨鉆擴眼工具，國內外油服公司均有自主的產品。常規液壓式隨鉆擴眼器是靠投球擊發執行機構［8］，決定了擴眼器必須安裝在LWD/MWD之上，且完成擴眼作業后無法進行大排量循環，另外對于非常規井身結構或者蠕變地層，無法完成多層位間歇性擴眼。針對以上問題，筆者研制了一種通過鉆井液脈沖信號［9］和鉆桿轉速信號指令控制的液壓擴眼器，并進行了指令下傳方式測試。

1 技術分析

1.1 結構

無線指令電控式液壓擴眼器結構如圖1所示。該工具主要包括液壓擴眼器、傳壓系統、脈沖器總成及電控系統總成(文中上、下按照工具習慣安裝方向定義，如圖1所示左端定義為上，右端定義為下)。液壓擴眼器采用海上油田應用廣泛的投球打開的擴眼器，拆掉原擴眼器的球座總成，改換為傳壓系統，擴眼器的傳壓孔由投球控制的一次性打開轉變成指令控制的多次開關。

圖1無線指令電控式液壓擴眼器結構Fig.1 Structure of the wireless signal based electric-control hydraulic reamer

傳壓系統由活塞套、活塞、彈簧、壓帽及推力桿組成。推力桿在受到脈沖器給出的向上的軸向力時，帶動活塞向上壓縮彈簧，使活塞套上傳壓孔與活塞上傳壓孔溝通，完成傳壓功能。在收回指令下，推力桿在彈簧的回彈力和鉆井液的沖擊力作用下，帶動活塞下移，傳壓孔關閉。脈沖器總成是執行機構，負責給電控系統供電和在接收到電控系統發出的指令后，完成軸向運動。電控系統是本工具的核心部件，如圖2所示，包括電源模塊、控制芯片及陀螺儀等，其中陀螺儀是轉速傳感器，獲取鉆桿轉速，用于鉆桿轉速下傳指令的解碼。控制芯片(DSP)是實現控制功能的關鍵部分，芯片具備信號識別功能，識別到固定電壓變化波形后下傳供電，控制脈沖器的電磁閥開關，從而實現擴眼器刀翼的伸出/收回動作。

圖2電控系統組成Fig.2 Composition of the electric control system

1.2 工作原理

無線指令電控式擴眼器隨鉆井管柱一起下入，依情況可安放在MWD/LWD之上，亦可安放在其下。擴眼器刀翼通過獲取改變鉆井液旁通器或手動調節泥漿泵排量產生的鉆井液脈沖信號，或鉆桿轉速變化信號等3種指令方式實現伸縮。傳壓系統可以根據需要進行多次開關，電控系統具備記憶功能，每次停泵斷電，再開泵供電工作時，系統會保持上次斷電前的工作狀態。下鉆到擴眼位置時，啟動打開控制程序，傳壓系統打開，管柱內的液體壓力傳遞至刀翼處，液體壓力推動刀翼伸出，開始造型擴眼；擴眼完畢后，下傳關閉控制程序，傳壓系統關閉，管柱內的液體壓力無法傳遞至刀翼處，復位彈簧推動刀翼縮回。

1.3 主要技術參數

適用井徑215.9 mm，最大擴眼井徑241.3 mm，工具最大外徑203.2 mm，擴眼推薦排量1.9~2.1 m3/min，下傳指令時鉆井液排量2~2.2 m3/min。

1.4 技術特點

(1)實現了由鉆井液脈沖信號和鉆桿轉速信號控制液壓擴眼器動作；

(2)無線指令電控式擴眼器可安放在MWD/LWD之下，縮短了井眼領眼長度;

(3)在下傳關閉指令后，傳壓孔關閉，鉆井液壓力不會使刀翼伸出；

(4)可依據作業平臺空間情況，選擇適合的控制方式：平臺空間大，可選鉆井液旁通器控制方式；空間局限，可選手動調節泥漿泵排量或者鉆桿轉速控制方式。

2 關鍵零部件設計及分析

2.1 傳壓系統結構優化與分析

脈沖器在收到打開控制指令后，脈沖器活塞(見圖3)在液壓油的作用下促使推力桿向上運動［10］，傳壓系統中的活塞和活塞套上的傳壓孔溝通(見圖4a)，鉆井液被分流，一部分向上流動使刀翼伸出，一部分繼續向下循環。而脈沖器在收到關閉控制指令后，在彈簧的回彈力和鉆井液的沖擊力下，推動推力桿和活塞向下運動，傳壓孔關閉(見圖4b)，刀翼收回。設計時，應重點考慮打開傳壓孔時，脈沖器活塞推力大于彈簧阻力與流體沖擊阻力之和。

圖3脈沖器活塞結構Fig.3 Structure of the piston in the pulse generator

圖4傳壓系統Fig.4 Pressure transmission system

活塞缸產生的推力為1

彈簧阻力為

鉆井液沖擊力為

式中，F為脈沖器活塞產生的推力，N；p為脈沖器標定后的液壓油產生的壓力，Pa；A1為脈沖器活塞截面積，m2；D1為脈沖器活塞外徑，m；F彈為彈簧壓縮載荷，N；k為彈簧剛度，N/mm；fb為彈簧變形量，mm；G為切變模量，MPa；d為彈簧線徑，mm；D2為彈簧中徑，mm；Nc為彈簧有效圈數；F液為鉆井液沖擊力，N；ρ為流體密度，kg/m3；A2為流道截面積，m2；v為流體速度，m/s；D3為流道截面直徑，m；Q為流體流量，m3/s。

將參數代入公式(1)~(3)得F=4 874 N，F彈=124 N，F液=974 N。傳壓孔溝通后，推力桿的有效面積與流道總面積的比值為0.4，故流體作用在推力桿上的阻力為974×0.4=390 N，則彈簧阻力與鉆井液作用在推力桿上的阻力之和為414 N，遠小于脈沖器活塞產生的推力4 874 N，滿足設計要求。

2.2 傳壓系統沖蝕分析

為滿足液壓擴眼器的過流面積，在傳壓系統的活塞圓周上設置了8個方形槽。此槽是擴眼器的關鍵流體通道，應考慮受鉆井液沖蝕情況。隨鉆擴眼作業過程中，鉆井液由鉆桿進入流道入口，并經流道出口到外筒以外井眼環空，返出至井口。根據圖5結構建立流體分析模型，運用Flow Simulation 流體分析模塊進行流體速度與沖蝕分析。

圖5傳壓系統沖蝕部件結構簡圖Fig.5 Schematic structure of the erosion component in the pressure transmission system

根據現場隨鉆擴眼作業實際情況，模擬傳壓系統流場壓力與沖蝕結果，Flow Simulation 邊界條件設置為：(1)顆粒物直徑0.1~0.12 mm，顆粒物中徑0.115 mm，入口固體相對液體流速10 m/s，質量流量1.12 kg/s；(2)環境壓力101 325.00 Pa；(3)邊界層類型為湍流；(4)入口體積流量0.033 m3/s；(5)出口壁面材料密度7 850 kg/m3，侵蝕系數2×10?9，正常恢復系數1，切向恢復系數1。

由圖6模擬結果可以看出，流體經出口進入外管環空后速度略有下降，此時出口最大流速17.83 m/s，說明在出口位置沒有明顯流速變化。傳壓系統中沖蝕最嚴重的位置為活塞出口的下壁面，該位置最大質量沖蝕速率0.053 5 kg/(s · m2)。盡管顆粒物濃度較大時，會有更多的反彈顆粒物與入射顆粒物進行碰撞，可以引起沖蝕減緩，但相對入射顆粒物質量相比而言，這種碰撞引起的沖蝕減緩作用可以忽略不計。

圖6傳壓系統模擬云圖Fig.6 Simulation cloud chart of the pressure transmission system

3 現場指令傳輸測試

在試驗井井口對3種指令傳輸方式進行一趟管柱連續測試。將鉆具組合連接至頂驅，開泵并下傳控制指令，記錄下傳排量、工作泵壓、指令傳輸時間等參數。鉆具組合：牙輪鉆頭+?127 mm 鉆桿+無線指令電控式擴眼器+MWD。

3.1 鉆井液旁通器指令下傳

鉆井液旁通器連接壓井管路，操作電腦控制其泄流進行指令下傳測試。打開指令下傳排量2 m3/min，旁通器關閉未泄流時泵壓4.5 MPa，旁通器打開泄流時泵壓低值3.5 MPa，140 s后電腦顯示指令下傳結束，5 s后泵壓降低至3 MPa，刀翼伸出，指令下傳成功。關閉指令下傳排量2 m3/min，旁通器關閉未泄流時泵壓3 MPa，旁通器打開泄流時泵壓低值2 MPa。170 s后，電腦顯示指令下傳結束，5 s 后泵壓升高至4.5 MPa，刀翼收回，指令下傳成功(圖7)。每個指令傳輸過程中開、關旁通器泄流8次，指令曲線固定不可更改。

3.2 手動調節排量指令下傳

圖7鉆井液旁通器排量指令下傳曲線Fig.7 Transmission curve of the displacement signal of drilling fluid bypass device

司鉆手動調節泥漿泵排量進行指令下傳測試。打開指令下傳排量高值2 m3/min，泵壓4.5 MPa；下傳排量低值1.6 m3/min，泵壓3.5 MPa。考慮到人員手動操作，每次改變參數的時間存在誤差，每次時間誤差為±2 s，約140 s后，所有調節操作完成，5 s后泵壓降低至3 MPa，刀翼張開，指令下傳成功。關閉指令下傳排量高值2 m3/min，泵壓3 MPa；下傳排量低值1.6 m3/min，泵壓2 MPa。約170 s后，所有調節操作完成，5 s后泵壓升高至4.5 MPa，刀翼收回，指令下傳成功(圖8)。每個指令傳輸過程中調節泥漿泵排量8次，指令曲線固定不可更改。

圖8手動調節泥漿泵排量指令下傳曲線Fig.8 Transmission curve of the displacement signal of manually regulated slurry pump

3.3 手動調節轉速指令下傳

司鉆手動調節頂驅轉速進行指令下傳測試。打開指令下傳排量2 m3/min，泵壓4.5 MPa，轉速高值50 r/min，轉速低值5 r/min。考慮到人員手動操作，每次改變參數的時間存在誤差，每次時間誤差為±2 s，140 s后，所有調節操作完成，5 s后泵壓降低至3 MPa，刀翼張開，指令下傳成功。關閉指令下傳排量2 m3/min，泵壓3 MPa，轉速高值50 r/min，轉速低值5 r/min。170 s后，所有調節操作完成，5 s后泵壓升高至4.5 MPa，刀翼收回，指令下傳成功(圖9)。每個指令傳輸過程中調節轉速8次，指令曲線固定不可更改。

本次無線指令電控式擴眼器指令傳輸測試過程中，傳輸時間、壓力等下傳參數穩定，擴眼器刀翼伸出和收回正常，指令傳輸不受MWD脈沖波動影響，傳輸成功率高，操作方便且容錯率高。

4 結論

(1)利用調節鉆井液排量(鉆井液旁通器調節和司鉆手動調節)、鉆桿轉速等方式，結合脈沖器的機械功能，設計了無線指令電控式擴眼器，經現場測試，3種指令控制方式均能實現擴眼器刀翼的關閉和伸開，性能參數滿足作業現場要求。

(2)本擴眼器實現了指令控制的功能，刀翼伸縮位置、擴眼器的振動等關鍵參數將是下一步的攻關方向。