[發(fā)明專利]控制隨鉆擴眼鉆壓分配關系的雙轉速方法及裝置

有效

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• 申請日: 2012-05-10
• 公開（公告）號: CN103388453A
• 公開（公告）日: 2013-11-13
• 發(fā)明（設計）人: 馬汝濤;王輝;任榮權;王宏偉;紀友哲;李顯義;韓飛;賈濤;朱英杰;王雪;盧靜;耿莉;田毅;王金宏;李梅
• 申請（專利權）人: 中國石油天然氣集團公司;中國石油集團鉆井工程技術研究院
• 主分類號: E21B7/28
• 分類號: E21B7/28;E21B44/00
• 代理公司: 北京三高永信知識產權代理有限責任公司 11138
• 代理人: 滕一斌

技術領域

本發(fā)明涉及石油天然氣鉆井用的一種特殊井下工具，特別涉及一種控制隨鉆擴眼鉆壓分配關系的雙轉速方法及裝置，用于控制隨鉆擴眼過程中地面施加的鉆壓在隨鉆擴眼器和領眼鉆頭之間的分配關系。

背景技術

近年來，油氣鉆井領域中的隨鉆擴眼技術被應用于穿越膨脹性地層、優(yōu)化套管層次，提高固井質量等方面，已逐漸從傳統的應急性措施轉變?yōu)橹鲃討玫谋貍浯胧?。在特殊復雜區(qū)域，擴眼技術與其它鉆井技術相融合，形成了套管鉆井、導向擴眼鉆井、單一直徑鉆井等特色鮮明的新技術，而擴眼工具的設計和使用也受到越來越廣泛的重視。

隨鉆擴眼過程中，級聯為一體的領眼鉆頭與隨鉆擴眼器前后相隨，處于不同的井身位置，切削不盡相同的巖層，承受不同的外力，卻需要保持近乎一致的機械鉆速。實際上，二者的瞬時機械鉆速往往難以保持完全相同，影響因素主要有地層的交錯，鉆具切削能力的變化，鉆井工藝參數的變化等。作為示例，不妨考慮隨鉆擴眼裝置鉆入軟硬交錯的地層時的鉆壓分配情況。假定由硬地層進入軟地層，則領眼鉆頭首先接觸容易破碎的軟地層，而擴眼器還處在較難破碎的硬地層，那么領眼鉆頭進入軟地層時的瞬時鉆速突然增大，而作用于其上的鉆壓迅速減小，減小的那部分鉆壓將立刻轉移到擴眼器上。而由軟地層進入硬地層時，情況恰好相反，作用于領眼鉆頭的瞬時鉆壓將迅速增大。那么可以發(fā)現，對領眼鉆頭而言，當其瞬時鉆速高于擴眼器時，作用其上的鉆壓將減小；當其瞬時鉆速低于擴眼器時，作用其上的鉆壓將增大。

研究人員指出，擴眼過程常常伴隨粘滑、振動等惡劣工況，造成這一現象的原因之一是鉆壓在擴眼器和領眼鉆頭之間的分配不合理。事實上，在擴眼裝置的設計過程中就應給出鉆壓分配的參考值。計算鉆壓分配的常規(guī)方法是幾何面積法，即將擴眼器與領眼鉆頭切除巖石的橫截面積比作為二者所受鉆壓之比。該法涉及因素單一，準確度較低。

夏炎將井壁視為受內外壓的厚壁筒，分析了鉆頭與擴眼器所切削地層的抗壓強度差異，提出了表征上述差異的階梯效應指數并將其引入鉆壓分配比的計算，但該法假設擴眼器與領眼鉆頭切削巖石的功率相同，適應領域較窄。

Thomson等人提出通過調整領眼鉆頭和隨鉆擴眼器的布齒結構從而合理控制鉆壓分配的方法并進行了試驗。然而該法不適用于復雜多變的地層，并且一旦切削齒磨損之后其切削能力亦發(fā)生變化，這種變化幅度難以預估，故很難保證擴眼過程中鉆壓的合理分配。

迄今為止，尚無合理的方案可在隨鉆擴眼過程中保持擴眼器與領眼鉆頭之間的穩(wěn)定的鉆壓分配關系。

發(fā)明內容

為了實現鉆壓在擴眼器和領眼鉆頭之間的合理分配，保證擴眼過程的安全與穩(wěn)定，本發(fā)明提供了一種控制隨鉆擴眼鉆壓分配關系的雙轉速方法及裝置。

所述技術方案如下：

一方面，提供了一種控制隨鉆擴眼鉆壓分配關系的雙轉速方法，所述方法包括：對領眼鉆柱的鉆壓值進行實時測量，獲取領眼鉆柱的鉆壓測量值；比較鉆壓測量值與預設的領眼鉆柱鉆壓閾限值；若鉆壓測量值超出預設的閾限值，通過調整流經液動馬達的鉆井液流量控制領眼鉆頭的轉速，進而控制其機械鉆速，并改變鉆壓分配關系。

所述的領眼鉆頭鉆壓的閾限值為總鉆壓的50％～70％，所述總鉆壓為隨鉆擴眼器與領眼鉆頭所承受的鉆壓之和。

當領眼鉆頭的鉆壓測量值超出所設定的閾限值時，對領眼鉆頭的鉆速進行控制，具體包括：

當鉆壓測量值高于總鉆壓的70％時，通過增加流經液動馬達的鉆井液流量提高領眼鉆頭的轉速；

當鉆壓測量值低于總鉆壓的50％時，通過減少流經液動馬達的鉆井液流量降低領眼鉆頭的轉速。

另一方面，提供了一種控制隨鉆擴眼鉆壓分配關系的雙轉速裝置，包括隨鉆擴眼器和領眼鉆柱，所述領眼鉆柱內設有液動馬達和領眼鉆頭，所述領眼鉆頭與所述液動馬達連接，用于驅動所述領眼鉆頭旋轉，所述領眼鉆柱內還設有測控裝置，所述測控裝置包括：

電磁閥，設置于所述領眼鉆柱的柱體內，其進口通過孔狀流道與所述領眼鉆柱的空腔連通，其出口通過側噴嘴與井眼環(huán)空連通；

鉆壓檢測器，密封于所述領眼鉆柱的柱體內，用于實時檢測所述領眼鉆柱的鉆壓；

微處理器，密封于領眼鉆柱的柱體內，且分別與所述電磁閥和鉆壓檢測器相連接，用于控制所述鉆壓檢測器的工作狀態(tài)和電磁閥的開啟程度；

電池，密封于領眼鉆柱的柱體內，為所述鉆壓檢測器、微處理器及電磁閥供電；

所述微處理器運行有鉆壓預設模塊、鉆壓比較模塊和電磁閥控制模塊，

鉆壓預設模塊，用于存儲所述領眼鉆柱的預設鉆壓閾限值；