控制随钻扩眼钻压分配关系的装置及方法
【专利摘要】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。
【专利说明】控制随钻扩眼钻压分配关系的装置及方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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fw标识，则
[0004]f w=Wr/Wb
[0005]其中Wb为领眼钻头所承担钻压，Wr为随钻扩眼器所承担钻压。
[0006]通常地，fw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。
[0007]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。
[0008]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】
[0009]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:
[0010]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。[0011]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。
[0012]进一步地，所述刀翼切削齿是前倾角为25°~30°的锥形切削齿。
[0013]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。
[0014]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roc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t匕，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。
[0015]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。
[0016]进一步地,所述耐磨垫是厚度为2~3_的硬质合金层。
[0017]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。
[0018]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fw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:
【权利要求】
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(I)、短钻铤(2)和领眼钻头(3)，所述随钻扩眼器(I)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(I)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(I)在所述扩眼刀具组件(11)扩张状态下的外径。
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(I)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或者2所述的装置，其特征在于，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)。
6.根据权利要求5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 )。
7.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述耐磨垫(301)是厚度为2mm~3mm的硬质合金层。
8.根据权利要求5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。
9.一种控制随钻扩眼钻压分配关系的方法，其特征在于，根据Teale提出的岩石比功表达式:
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于， S1，调整所述领眼钻头(3)的耐磨垫(301)厚度，控制所述领眼钻头(3)每转的最大切削深度而改变所述领眼钻头(3)的切削能力； S2，改变所述随钻扩眼器(I)的扩眼刀翼(101)布齿方式，使得所述扩眼刀翼(101)的切削能力强于所述领眼钻头(3)的切削能力； 通过SI和S2步骤中的调整，控制所述随钻扩眼器(I)和所述领眼钻头(3)的钻压分配关系。
【文档编号】E21B10/54GK103485723SQ201210195004
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年6月13日 优先权日:2012年6月13日
【发明者】马汝涛, 林雅玲, 王辉, 任荣权, 王宏伟, 纪友哲, 李显义, 韩飞, 贾涛, 朱英杰, 王雪, 卢静, 耿莉, 田毅, 王金宏, 刘洋 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油集团钻井工程技术研究院