无线指令电控式智能扩眼技术

闫伟 魏来 左凯 郝宙正 刘禹铭 孔学云 蒋畅

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司

随钻扩眼技术是采用随钻扩眼工具和常规钻头，在全面钻进的同时扩大裸眼段尺寸，使其大于上部套管串内径的一种钻井技术［1］，在处理井下复杂情况、降低钻井综合成本、提高固井质量等方面具有显著的优势［2-4］，随钻扩眼工具正逐渐成为一种重要的石油钻井配套工具［5-7］。液压式随钻扩眼器是应用最成熟、最广泛的一种随钻扩眼工具，国内外油服公司均有自主的产品。常规液压式随钻扩眼器是靠投球击发执行机构［8］，决定了扩眼器必须安装在LWD/MWD之上，且完成扩眼作业后无法进行大排量循环，另外对于非常规井身结构或者蠕变地层，无法完成多层位间歇性扩眼。针对以上问题，笔者研制了一种通过钻井液脉冲信号［9］和钻杆转速信号指令控制的液压扩眼器，并进行了指令下传方式测试。

1 技术分析

1.1 结构

无线指令电控式液压扩眼器结构如图1所示。该工具主要包括液压扩眼器、传压系统、脉冲器总成及电控系统总成(文中上、下按照工具习惯安装方向定义，如图1所示左端定义为上，右端定义为下)。液压扩眼器采用海上油田应用广泛的投球打开的扩眼器，拆掉原扩眼器的球座总成，改换为传压系统，扩眼器的传压孔由投球控制的一次性打开转变成指令控制的多次开关。

图1无线指令电控式液压扩眼器结构Fig.1 Structure of the wireless signal based electric-control hydraulic reamer

传压系统由活塞套、活塞、弹簧、压帽及推力杆组成。推力杆在受到脉冲器给出的向上的轴向力时，带动活塞向上压缩弹簧，使活塞套上传压孔与活塞上传压孔沟通，完成传压功能。在收回指令下，推力杆在弹簧的回弹力和钻井液的冲击力作用下，带动活塞下移，传压孔关闭。脉冲器总成是执行机构，负责给电控系统供电和在接收到电控系统发出的指令后，完成轴向运动。电控系统是本工具的核心部件，如图2所示，包括电源模块、控制芯片及陀螺仪等，其中陀螺仪是转速传感器，获取钻杆转速，用于钻杆转速下传指令的解码。控制芯片(DSP)是实现控制功能的关键部分，芯片具备信号识别功能，识别到固定电压变化波形后下传供电，控制脉冲器的电磁阀开关，从而实现扩眼器刀翼的伸出/收回动作。

图2电控系统组成Fig.2 Composition of the electric control system

1.2 工作原理

无线指令电控式扩眼器随钻井管柱一起下入，依情况可安放在MWD/LWD之上，亦可安放在其下。扩眼器刀翼通过获取改变钻井液旁通器或手动调节泥浆泵排量产生的钻井液脉冲信号，或钻杆转速变化信号等3种指令方式实现伸缩。传压系统可以根据需要进行多次开关，电控系统具备记忆功能，每次停泵断电，再开泵供电工作时，系统会保持上次断电前的工作状态。下钻到扩眼位置时，启动打开控制程序，传压系统打开，管柱内的液体压力传递至刀翼处，液体压力推动刀翼伸出，开始造型扩眼；扩眼完毕后，下传关闭控制程序，传压系统关闭，管柱内的液体压力无法传递至刀翼处，复位弹簧推动刀翼缩回。

1.3 主要技术参数

适用井径215.9 mm，最大扩眼井径241.3 mm，工具最大外径203.2 mm，扩眼推荐排量1.9~2.1 m3/min，下传指令时钻井液排量2~2.2 m3/min。

1.4 技术特点

(1)实现了由钻井液脉冲信号和钻杆转速信号控制液压扩眼器动作；

(2)无线指令电控式扩眼器可安放在MWD/LWD之下，缩短了井眼领眼长度;

(3)在下传关闭指令后，传压孔关闭，钻井液压力不会使刀翼伸出；

(4)可依据作业平台空间情况，选择适合的控制方式：平台空间大，可选钻井液旁通器控制方式；空间局限，可选手动调节泥浆泵排量或者钻杆转速控制方式。

2 关键零部件设计及分析

2.1 传压系统结构优化与分析

脉冲器在收到打开控制指令后，脉冲器活塞(见图3)在液压油的作用下促使推力杆向上运动［10］，传压系统中的活塞和活塞套上的传压孔沟通(见图4a)，钻井液被分流，一部分向上流动使刀翼伸出，一部分继续向下循环。而脉冲器在收到关闭控制指令后，在弹簧的回弹力和钻井液的冲击力下，推动推力杆和活塞向下运动，传压孔关闭(见图4b)，刀翼收回。设计时，应重点考虑打开传压孔时，脉冲器活塞推力大于弹簧阻力与流体冲击阻力之和。

图3脉冲器活塞结构Fig.3 Structure of the piston in the pulse generator

图4传压系统Fig.4 Pressure transmission system

活塞缸产生的推力为1

弹簧阻力为

钻井液冲击力为

式中，F为脉冲器活塞产生的推力，N；p为脉冲器标定后的液压油产生的压力，Pa；A1为脉冲器活塞截面积，m2；D1为脉冲器活塞外径，m；F弹为弹簧压缩载荷，N；k为弹簧刚度，N/mm；fb为弹簧变形量，mm；G为切变模量，MPa；d为弹簧线径，mm；D2为弹簧中径，mm；Nc为弹簧有效圈数；F液为钻井液冲击力，N；ρ为流体密度，kg/m3；A2为流道截面积，m2；v为流体速度，m/s；D3为流道截面直径，m；Q为流体流量，m3/s。

将参数代入公式(1)~(3)得F=4 874 N，F弹=124 N，F液=974 N。传压孔沟通后，推力杆的有效面积与流道总面积的比值为0.4，故流体作用在推力杆上的阻力为974×0.4=390 N，则弹簧阻力与钻井液作用在推力杆上的阻力之和为414 N，远小于脉冲器活塞产生的推力4 874 N，满足设计要求。

2.2 传压系统冲蚀分析

为满足液压扩眼器的过流面积，在传压系统的活塞圆周上设置了8个方形槽。此槽是扩眼器的关键流体通道，应考虑受钻井液冲蚀情况。随钻扩眼作业过程中，钻井液由钻杆进入流道入口，并经流道出口到外筒以外井眼环空，返出至井口。根据图5结构建立流体分析模型，运用Flow Simulation 流体分析模块进行流体速度与冲蚀分析。

图5传压系统冲蚀部件结构简图Fig.5 Schematic structure of the erosion component in the pressure transmission system

根据现场随钻扩眼作业实际情况，模拟传压系统流场压力与冲蚀结果，Flow Simulation 边界条件设置为：(1)颗粒物直径0.1~0.12 mm，颗粒物中径0.115 mm，入口固体相对液体流速10 m/s，质量流量1.12 kg/s；(2)环境压力101 325.00 Pa；(3)边界层类型为湍流；(4)入口体积流量0.033 m3/s；(5)出口壁面材料密度7 850 kg/m3，侵蚀系数2×10−9，正常恢复系数1，切向恢复系数1。

由图6模拟结果可以看出，流体经出口进入外管环空后速度略有下降，此时出口最大流速17.83 m/s，说明在出口位置没有明显流速变化。传压系统中冲蚀最严重的位置为活塞出口的下壁面，该位置最大质量冲蚀速率0.053 5 kg/(s · m2)。尽管颗粒物浓度较大时，会有更多的反弹颗粒物与入射颗粒物进行碰撞，可以引起冲蚀减缓，但相对入射颗粒物质量相比而言，这种碰撞引起的冲蚀减缓作用可以忽略不计。

图6传压系统模拟云图Fig.6 Simulation cloud chart of the pressure transmission system

3 现场指令传输测试

在试验井井口对3种指令传输方式进行一趟管柱连续测试。将钻具组合连接至顶驱，开泵并下传控制指令，记录下传排量、工作泵压、指令传输时间等参数。钻具组合：牙轮钻头+Ø127 mm 钻杆+无线指令电控式扩眼器+MWD。

3.1 钻井液旁通器指令下传

钻井液旁通器连接压井管路，操作电脑控制其泄流进行指令下传测试。打开指令下传排量2 m3/min，旁通器关闭未泄流时泵压4.5 MPa，旁通器打开泄流时泵压低值3.5 MPa，140 s后电脑显示指令下传结束，5 s后泵压降低至3 MPa，刀翼伸出，指令下传成功。关闭指令下传排量2 m3/min，旁通器关闭未泄流时泵压3 MPa，旁通器打开泄流时泵压低值2 MPa。170 s后，电脑显示指令下传结束，5 s 后泵压升高至4.5 MPa，刀翼收回，指令下传成功(图7)。每个指令传输过程中开、关旁通器泄流8次，指令曲线固定不可更改。

3.2 手动调节排量指令下传

图7钻井液旁通器排量指令下传曲线Fig.7 Transmission curve of the displacement signal of drilling fluid bypass device

司钻手动调节泥浆泵排量进行指令下传测试。打开指令下传排量高值2 m3/min，泵压4.5 MPa；下传排量低值1.6 m3/min，泵压3.5 MPa。考虑到人员手动操作，每次改变参数的时间存在误差，每次时间误差为±2 s，约140 s后，所有调节操作完成，5 s后泵压降低至3 MPa，刀翼张开，指令下传成功。关闭指令下传排量高值2 m3/min，泵压3 MPa；下传排量低值1.6 m3/min，泵压2 MPa。约170 s后，所有调节操作完成，5 s后泵压升高至4.5 MPa，刀翼收回，指令下传成功(图8)。每个指令传输过程中调节泥浆泵排量8次，指令曲线固定不可更改。

图8手动调节泥浆泵排量指令下传曲线Fig.8 Transmission curve of the displacement signal of manually regulated slurry pump

3.3 手动调节转速指令下传

司钻手动调节顶驱转速进行指令下传测试。打开指令下传排量2 m3/min，泵压4.5 MPa，转速高值50 r/min，转速低值5 r/min。考虑到人员手动操作，每次改变参数的时间存在误差，每次时间误差为±2 s，140 s后，所有调节操作完成，5 s后泵压降低至3 MPa，刀翼张开，指令下传成功。关闭指令下传排量2 m3/min，泵压3 MPa，转速高值50 r/min，转速低值5 r/min。170 s后，所有调节操作完成，5 s后泵压升高至4.5 MPa，刀翼收回，指令下传成功(图9)。每个指令传输过程中调节转速8次，指令曲线固定不可更改。

本次无线指令电控式扩眼器指令传输测试过程中，传输时间、压力等下传参数稳定，扩眼器刀翼伸出和收回正常，指令传输不受MWD脉冲波动影响，传输成功率高，操作方便且容错率高。

4 结论

(1)利用调节钻井液排量(钻井液旁通器调节和司钻手动调节)、钻杆转速等方式，结合脉冲器的机械功能，设计了无线指令电控式扩眼器，经现场测试，3种指令控制方式均能实现扩眼器刀翼的关闭和伸开，性能参数满足作业现场要求。

(2)本扩眼器实现了指令控制的功能，刀翼伸缩位置、扩眼器的振动等关键参数将是下一步的攻关方向。