CN103485723B - 控制随钻扩眼钻压分配关系的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制随钻扩眼钻压分配关系的装置，属于钻井设备领域。所述装置包括随钻扩眼器（1）、短钻铤（2）和领眼钻头（3），所述随钻扩眼器（1）与所述短钻铤（2）的上端相连接，所述短钻铤（2）的下端与所述领眼钻头（3）相连接，所述随钻扩眼器（1）上设置有至少一只扩眼刀具组件（11），所述领眼钻头（3）的直径小于所述随钻扩眼器（1）在所述扩眼刀具组件（11）扩张状态下的外径。本发明还公开了一种利用该装置控制随钻扩眼钻压分配关系的方法。本发明通过可调整领眼钻头的每转切削深度及扩眼器的切削能力将随钻扩眼钻压分配关系控制在设定的范围内，增强扩眼过程的安全性与稳定性。

Description

控制随钻扩眼钻压分配关系的装置及方法

技术领域

本发明涉及钻井设备领域，特别涉及一种控制随钻扩眼钻压分配关系的装置以及控制随钻扩眼钻压分配关系的方法。能够合理调整随钻扩眼过程中的钻压分配关系，提高扩眼作业的安全性和稳定性。

背景技术

在钻井技术的随钻扩眼过程中，钻压在领眼钻头和随钻扩眼器之间的分配关系是需要特别关注的参数之一，若钻压分配关系不合理，则极易造成领眼钻柱的粘滑或剧烈横向振动，钻具过早损坏，机械钻速随之降低。

钻压分配关系一般以领眼钻头和随钻扩眼器各自承担的钻压之比来表示，一般约定领眼钻头和随钻扩眼器的钻压分配比以字母f_w标识，则

$f_w=\frac{W_r}{W_b}$

其中W_b为领眼钻头所承担钻压，Wr为随钻扩眼器所承担钻压。

通常地，f_w受领眼钻头和随钻扩眼器所破碎地层的截面积影响较大，因而估算时往往以随钻扩眼器与领眼钻头切除地层的横截面积比作为二者所受钻压之比。该法涉及因素单一，准确率不高，据此很难正确匹配设计随钻扩眼所需的领眼钻头和扩眼器。

现有技术有将井壁视为受内外压的厚壁筒，分析了领眼钻头与随钻扩眼器所切削地层的抗压强度差异，提出了表征上述差异的阶梯效应指数并将其引入钻压分配比的计算，但该法假设随钻扩眼器与领眼钻头切削岩石的功率相同，适应领域较窄。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：现有的钻具不能够合理调整随钻扩眼过程中的钻压分配关系，扩眼作业中存在较大的安全性和稳定性隐患；并且无有效的方法能够指导随钻扩眼器和领眼钻头的设计以保证钻压分配比介于合理的范围内。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种控制随钻扩眼钻压分配关系的装置及控制随钻扩眼钻压分配关系的方法，能够合理调整随钻扩眼过程中的钻压分配关系，指导随钻扩眼器和领眼钻头的设计过程，进而提高扩眼作业的安全性和稳定性。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种控制随钻扩眼钻压分配关系的装置，所述装置包括：随钻扩眼器、短钻铤和领眼钻头，所述随钻扩眼器与所述短钻铤的上端相连接，所述短钻铤的下端与所述领眼钻头相连接，所述随钻扩眼器上设置有至少一只扩眼刀具组件，所述领眼钻头的直径小于所述随钻扩眼器在所述扩眼刀具组件扩张状态下的外径。这样，领眼钻头切削的领眼洞径较小，随钻扩眼器在领眼钻头切削的领眼基础上继续切削，使得被随钻扩眼器再次切削的主井眼洞径扩大，有利于平衡钻具和被切削泥石的排出。

进一步地，所述扩眼刀具组件包括扩眼刀翼、刀翼切削齿和刀翼稳定段，所述扩眼刀翼可伸缩地设置在所述扩眼刀具组件上，所述刀翼切削齿和所述刀翼稳定段覆设在所述扩眼刀翼上；所述刀翼稳定段设置在所述扩眼刀具组件的中部，所述刀翼稳定段的两端均设置有所述刀翼切削齿。扩眼刀具组件整体地沿圆周方向设置在随钻扩眼器的杆件上，扩眼刀具组件能够可操作地扩张和收缩。其中扩眼刀翼的轮廓线较为尖锐，能够切削不同地质的岩土；刀翼切削齿为PDC切削齿，具有比现有的切削齿更大的前倾角度，因而其切削能力大大加强；刀翼稳定段覆设在扩眼刀具组件的中部，其由硬质合金制造，主要用于在切削扩眼过程中稳定扩眼刀翼、刀翼切削齿，提高整个钻具的稳定性能，该刀翼稳定段不具有切削能力。

进一步地，所述刀翼切削齿是前倾角为25°～30°的锥形切削齿。

进一步地，所述随钻扩眼器上设置有三只、四只或者六只所述扩眼刀具组件。优选为在随钻扩眼器上设置三只扩眼刀具组件，这样其扩张性能和对称稳定性能更好。

进一步地，所述领眼钻头上设置有多只领眼刀翼，每两只所述领眼刀翼之间为返屑槽；所述领眼刀翼的鼻端设置有耐磨垫，多只所述领眼刀翼的同侧边缘设置有钻头切削齿，所述耐磨垫部分地覆盖住所述钻头切削齿。优选为在领眼钻头的冠部设置四只领眼刀翼，在四只领眼刀翼的间隔部形成内凹的四道返屑槽，即被领眼刀翼切削的岩土通过返屑槽排出。在被领眼刀翼的顶端和肩部并排地设置有多个钻头切削齿，该些钻头切削齿为PDC切削齿，具有较大的切削能力。在每只领眼刀翼的鼻端设置的耐磨垫，其表面平整，不具备切削能力，但能够通过调整该些耐磨垫的厚度而改变钻头切削齿的切削能力。所谓耐磨垫部分地覆盖住钻头切削齿，但这些被覆盖的钻头切削齿并未全部被覆盖。耐磨垫只敷焊于刀翼处，返屑槽处不设置耐磨垫。此外，为进一步增大随钻扩眼器和领眼钻头的切削能力比，还可对领眼钻头的钻头切削齿安装角度及布齿密度进行调整。基本规律为：钻头切削齿前倾角越大，切削能力越强；布齿密度越小，切削能力越强。

进一步地，每一只所述领眼刀翼上间距地排列设置有若干个所述钻头切削齿，即设置在领眼刀翼上的每一个钻头切削齿之间有一定的间隙。

进一步地，所述耐磨垫是厚度为2～3mm的硬质合金层。

进一步地，所述刀翼切削齿的齿径小于所述钻头切削齿的齿径。

另一方面，提供了一种控制随钻扩眼钻压分配关系的方法，随钻扩眼钻压分配比f_w的因素除领眼与主井眼的几何面积比之外还有地层特性、钻具自身的切削能力等，则所述方法包括：根据Teale（人名，在1964年提出）提出的岩石比功表达式：

$E_s=\frac{W}{A}+\frac{120\mathrm{\π}\·\mathrm{\Ω}\·W\·T}{A\·v}---\left(1\right)$

式（1）中，E_s为岩石比功；W为钻压；A为破岩工具切削地层生成井眼的截面积；T为扭矩；Ω为转速；v为机械钻速。

推导出钻压分配比f_w为：

$f_w=\frac{W_r}{W_b}=\frac{{\mathrm{\σ}}_r}{{\mathrm{\σ}}_b}\·\frac{{\mathrm{\η}}_b}{{\mathrm{\η}}_r}\·\frac{k_b}{k_r}\·\frac{A_r}{A_b}---\left(2\right)$

式（2）中，k_r为扩眼器锐度，k_b为钻头锐度；η_b为钻头钻进效率，η_r为扩眼器钻进效率，σ_r为扩眼器钻遇岩层抗压强度，σ_b为钻头钻遇岩层抗压强度，A_b为钻头切削地层生成的领眼截面积，A_r为扩眼器扩大领眼后形成的环形截面积。

当随钻扩眼器与领眼钻头距离比较近时，视为所述随钻扩眼器和所述领眼钻头处于同种地层中，则钻压分配比f_w仅与所述随钻扩眼器和所述领眼钻头的切削能力相关。通常地，评定钻具切削能力最直观的指标是机械钻速，同等标称尺寸的钻具在相同工艺条件下钻进同一地层时，机械钻速越快，则切削能力越强。

随钻扩眼器是随钻扩眼钻具组合中的易损件，因此关注随钻扩眼器所承受的钻压特别重要。将钻压分配比的表达式改写为：

$f_r=\frac{W_R}{W_R+W_B}=1-\frac{1}{f_W+1}$

其中，f_r为作用于随钻扩眼器上的钻压在总钻压中所占份额，通常认为f_r介于20～35%时扩眼过程较为稳定，此时f_w约为30～50%。下面考虑随钻扩眼器与领眼钻头二者切削能力的差异对随钻扩眼器承担钻压的影响规律。以f_r为函数，k_r/k_b为变量，绘制关系曲线如图1所示。

图1中的曲线表明，其他参数不变的情况下，随钻扩眼刀翼越切削能力越强（k_r/k_b越大），其所分得的钻压越小；反之，随钻扩眼刀翼越切削能力越弱（k_r/k_b越小），其所分得的钻压越大；在最极端的情况下，随钻扩眼器丝毫不能切入地层（k_r/k_b为0），那么钻压会100%施加于扩眼刀翼上。

根据上述原理，可以通过调整领眼钻头和随钻扩眼器的切削能力关系来控制随钻扩眼钻压分配关系。

进一步地，所述方法还包括：

S1，调整所述领眼钻头的耐磨垫厚度，控制所述领眼钻头每转的最大切削深度而改变所述领眼钻头的切削能力；

S2，改变所述随钻扩眼器的扩眼刀翼布齿方式，使得所述扩眼刀翼的切削能力强于所述领眼钻头的切削能力；

通过S1和S2步骤中的调整，控制所述随钻扩眼器和所述领眼钻头的钻压分配关系。

调整钻具切削能力的具体设计方法如下：

首先，确定领眼直径和主井眼直径，求得几何面积比A_r/A_b；其次，预设钻压分配比f_w，结合A_r/A_b可求得钻具锐度比k_r/k_b；最后，使用上述方法调整领眼钻头和随钻扩眼器的锐度，并进行试验，即可将钻压分配比限定在较为合理的范围内。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果还包括：通过公开一种调整钻具切削能力以控制随钻扩眼钻压分配关系的装置及其方法，

1、在随钻扩眼器和扩眼刀具组件的设计过程中即考虑领眼钻头和随钻扩眼器的性能特点，合理匹配二者切削能力，通过调整随钻扩眼器和领眼钻头的切削能力来控制随钻扩眼钻压分配关系，操作简单方便；

2、计算方法简便，结果较传统方式更为精确，便于现场应用；

3、所提出的领眼钻头和扩眼刀翼结构易于调整，可根据需要设定具体参数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明扩眼钻压比和扩眼刀翼切削能力的关系曲线示意图；

图2是本发明实施例一提供的控制随钻扩眼钻压分配关系的装置的结构示意图；

图3是本发明实施例一提供的装置的扩眼刀具组件结构示意图；

图4是本发明实施例一提供的装置的领眼钻头结构示意图；

图5是本图3的领眼钻头的俯视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本实施例提供了一种控制随钻扩眼钻压分配关系的装置，参见图2，该装置包括随钻扩眼器1、短钻铤2和领眼钻头3，随钻扩眼器1与短钻铤2的上端相连接，短钻铤2的下端与领眼钻头3相连接，随钻扩眼器1上设置有至少一只扩眼刀具组件11，领眼钻头3的直径小于随钻扩眼器1在扩眼刀具组件11扩张状态下的外径。领眼钻头3设置在装置的最下端，使用领眼钻头3破碎地层形成直径较小的领眼；随钻扩眼器1安装在该装置的钻柱上端，随钻扩眼器1扩张后的切削直径大于领眼钻头3的切削直径，随钻扩眼器1将领眼扩大为直径较大的主井眼。

扩眼刀具组件11沿随钻扩眼器1的圆周方向固定在随钻扩眼器1的外壁上，随钻扩眼器1的外周壁上开设有能够容纳扩眼刀具组件11的凹腔，扩眼刀具组件11安装于该凹腔内并处于收缩状态时，其外径稍大于随钻扩眼器1主杆的外径，或者两者基本一致。在随钻扩眼器1的扩眼刀具组件11的下方位置设置刀具保护件12，在整个钻具下伸进钻井里面时，当扩眼刀具组件11没有开启工作时，直径较小的领眼可能碰撞到扩眼刀具组件11，而刀具保护件12的设置避免了扩眼刀具组件11的下伸过程中被损坏。

优选地，随钻扩眼器1上设置有四只扩眼刀具组件11，这样，随钻扩眼器1既具有较强的切削能力，又具有很好的平衡性能。作为其他的实施例，该随钻扩眼器1上可以根据需要并考虑力学特性设置三只或者六只或者其他数量的扩眼刀具组件11。

结合参见图3，扩眼刀具组件11包括扩眼刀翼101、刀翼切削齿102和刀翼稳定段103，扩眼刀翼101可伸缩地设置在扩眼刀具组件11上，刀翼切削齿102和刀翼稳定段103覆设在扩眼刀翼101上，刀翼稳定段103设置在扩眼刀具组件11的中部，刀翼稳定段103的两端均设置有刀翼切削齿102。该刀翼切削齿102有选为PDC切削齿，使得刀翼切削齿102的切削能力更强；该刀翼稳定段103为硬质合金材料制造而成，刀翼稳定段103覆盖在扩眼刀翼101上，位于扩眼刀翼101的中部位置，并且固定连接于随钻扩眼器1主杆上，加强了扩眼刀翼和刀翼切削齿在切削过程中的稳定性能，从而提高整个钻具的稳定性能。优选地，刀翼切削齿102是前倾角为25°～30°的锥形切削齿，与现有的刀翼切削齿相比，加大了刀翼切削齿的前倾角度，从而增强了该刀翼切削齿102的切削能力。

实施例二

本实施例提供了一种控制随钻扩眼钻压分配关系的装置，该装置包括随钻扩眼器1、短钻铤2和领眼钻头3，该装置的随钻扩眼器1、短钻铤2和领眼钻头3的连接关系与实施例一中的连接关系相同，该装置的随钻扩眼器1所包括的部件以及各部件的连接关系与实施例一相同或者在能够实现实施例一同样功能的基础上有合理的改进和优化。

结合参见图4和图5，领眼钻头3的冠部设置有多只领眼刀翼31，每只领眼刀翼31之间为返屑槽32，领眼刀翼31的端部设置有耐磨垫301，多只领眼刀翼31的同侧边缘设置有钻头切削齿302，耐磨垫301部分地覆盖住部分钻头切削齿302。领眼刀翼31和返屑槽32间隔地设置在领眼钻头3的冠部，能够大大提高钻头切削齿302的切削能力和切进速度，能够及时地将被切削的岩土通过返屑槽32排出。在每一只领眼刀翼31上间距地排列设置有若干个钻头切削齿302，该些钻头切削齿302为PDC切削齿。耐磨垫301是厚度为2mm～3mm的硬质合金层，该硬质合金制成的耐磨垫301不具备切削能力，通过改变耐磨垫301的厚度可以改变钻头切削齿302露出领眼刀翼31和耐磨垫301的高度，钻头切削齿302露出越高，其切削能力越强；反之，钻头切削齿302露出越低，其切削能力越弱。因此，可以通过改变耐磨垫301的厚度而改变领眼钻头3的切削能力，从而调整随钻扩眼钻压分配关系。

优选地，随钻扩眼器1上的刀翼切削齿102的齿径小于领眼钻头3上的钻头切削齿302的齿径。使得刀翼切削齿102在领眼周壁上的切削性能更好。

实施例三

本发明实施例提供了一种控制随钻扩眼钻压分配关系的方法，随钻扩眼钻压分配比f_w的因素除领眼与主井眼的几何面积比之外还有地层特性、钻具自身的切削能力。该方法包括，根据Teale岩石比功表达式：

$E_s=\frac{W}{A}+\frac{120\mathrm{\π}\·\mathrm{\Ω}\·W\·T}{A\·v}---\left(1\right)$

式（1）中，E_s为岩石比功；W为钻压；A为破岩工具切削地层生成井眼的截面积；T为扭矩；Ω为转速；v为机械钻速。

推导出钻压分配比f_w为：

$f_w=\frac{W_r}{W_b}=\frac{{\mathrm{\σ}}_r}{{\mathrm{\σ}}_b}\·\frac{{\mathrm{\η}}_b}{{\mathrm{\η}}_r}\·\frac{k_b}{k_r}\·\frac{A_r}{A_b}---\left(2\right)$

式（2）中，k_r为扩眼器锐度，k_b为钻头锐度；η_b为钻头钻进效率，η_r为扩眼器钻进效率，σ_r为扩眼器钻遇岩层抗压强度，σ_b为钻头钻遇岩层抗压强度，A_b为钻头切削地层生成的领眼截面积，A_r为扩眼器扩大领眼后形成的环形截面积。

当随钻扩眼器1与领眼钻头3距离比较近时，视为随钻扩眼器1和领眼钻头3处于同种地层中，则钻压分配比f_w仅与随钻扩眼器1和领眼钻头3的切削能力相关。通常地，评定钻具切削能力最直观的指标是机械钻速，同等标称尺寸的钻具在相同工艺条件下钻进同一地层时，机械钻速越快，则切削能力越强。

随钻扩眼器是随钻扩眼钻具组合中的易损件，因此关注随钻扩眼器所承受的钻压特别重要。将钻压分配比的表达式改写为：

$f_r=\frac{W_R}{W_R+W_B}=1-\frac{1}{f_W+1}$

其中，f_r为作用于随钻扩眼器上的钻压在总钻压中所占份额，通常认为f_r介于20～35%时扩眼过程较为稳定，此时f_w约为30～50%。下面考虑随钻扩眼器与领眼钻头二者切削能力的差异对随钻扩眼器承担钻压的影响规律。以f_r为函数，k_r/k_b为变量，绘制关系曲线如图1所示。

图1中的曲线表明，其他参数不变的情况下，随钻扩眼刀翼越切削能力越强（k_r/k_b越大），其所分得的钻压越小；反之，随钻扩眼刀翼越切削能力越弱（k_r/k_b越小），其所分得的钻压越大；在最极端的情况下，随钻扩眼器丝毫不能切入地层（k_r/k_b为0），那么钻压会100%施加于扩眼刀翼上。

根据上述原理，可以通过调整领眼钻头和随钻扩眼器的切削能力关系来控制随钻扩眼钻压分配关系。

在确定影响随钻扩眼钻压分配比f_w的因素后，该方法还包括：

S1，调整领眼钻头3的耐磨垫301厚度，控制领眼钻头3每转的最大切削深度而改变领眼钻头3的切削能力；

S2，改变随钻扩眼器1的扩眼刀翼101布齿方式，使得扩眼刀翼101的切削能力强于领眼钻头3的切削能力；

通过S1和S2步骤中的调整，控制随钻扩眼器1和领眼钻头3的钻压分配关系。

调整钻具切削能力的进一步的设计方法有：

首先，确定领眼直径和主井眼直径，求得几何面积比A_r/A_b；其次，预设钻压分配比f_w，结合A_r/A_b可求得钻具锐度比k_r/k_b；最后，使用上述方法调整领眼钻头和随钻扩眼器的锐度，并进行试验，即可将钻压分配比限定在较为合理的范围内。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种控制随钻扩眼钻压分配关系的装置，所述装置包括随钻扩眼器(1)、短钻铤(2)和领眼钻头(3)，所述随钻扩眼器(1)与所述短钻铤(2)的上端相连接，所述短钻铤(2)的下端与所述领眼钻头(3)相连接，其特征在于：

所述随钻扩眼器(1)上设置有至少一只扩眼刀具组件(11)，所述领眼钻头(3)的直径小于所述随钻扩眼器(1)在所述扩眼刀具组件(11)扩张状态下的外径；

所述领眼钻头(3)上设置有多只领眼刀翼(31)，每两只所述领眼刀翼(31)之间为返屑槽(32)；

所述领眼刀翼(31)的鼻端设置有耐磨垫(301)，多只所述领眼刀翼(31)的同侧边缘设置有钻头切削齿(302)，所述耐磨垫(301)部分地覆盖住所述钻头切削齿(302)，通过改变所述耐磨垫(301)的厚度能够改变所述领眼钻头(3)的切削能力。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述扩眼刀具组件(11)包括扩眼刀翼(101)、刀翼切削齿(102)和刀翼稳定段(103)，所述扩眼刀翼(101)可伸缩地设置在所述扩眼刀具组件(11)上，所述刀翼切削齿(102)和所述刀翼稳定段(103)覆设在所述扩眼刀翼(101)上；

所述刀翼稳定段(103)设置在所述扩眼刀具组件(11)的中部，所述刀翼稳定段(103)的两端均设置有所述刀翼切削齿(102)。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述刀翼切削齿(102)是前倾角为25°～30°的锥形切削齿。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述随钻扩眼器(1)上设置有三只、四只或者六只所述扩眼刀具组件(11)。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每一只所述领眼刀翼(31)上间距地排列设置有若干个所述钻头切削齿(302)。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述耐磨垫(301)是厚度为2㎜～3㎜的硬质合金层。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述刀翼切削齿(102)的齿径小于所述钻头切削齿(302)的齿径。