[发明专利]控制随钻扩眼钻压分配关系的双转速方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井用的一种特殊井下工具，特别涉及一种控制随钻扩眼钻压分配关系的双转速方法及装置，用于控制随钻扩眼过程中地面施加的钻压在随钻扩眼器和领眼钻头之间的分配关系。

背景技术

近年来，油气钻井领域中的随钻扩眼技术被应用于穿越膨胀性地层、优化套管层次，提高固井质量等方面，已逐渐从传统的应急性措施转变为主动应用的必备措施。在特殊复杂区域，扩眼技术与其它钻井技术相融合，形成了套管钻井、导向扩眼钻井、单一直径钻井等特色鲜明的新技术，而扩眼工具的设计和使用也受到越来越广泛的重视。

随钻扩眼过程中，级联为一体的领眼钻头与随钻扩眼器前后相随，处于不同的井身位置，切削不尽相同的岩层，承受不同的外力，却需要保持近乎一致的机械钻速。实际上，二者的瞬时机械钻速往往难以保持完全相同，影响因素主要有地层的交错，钻具切削能力的变化，钻井工艺参数的变化等。作为示例，不妨考虑随钻扩眼装置钻入软硬交错的地层时的钻压分配情况。假定由硬地层进入软地层，则领眼钻头首先接触容易破碎的软地层，而扩眼器还处在较难破碎的硬地层，那么领眼钻头进入软地层时的瞬时钻速突然增大，而作用于其上的钻压迅速减小，减小的那部分钻压将立刻转移到扩眼器上。而由软地层进入硬地层时，情况恰好相反，作用于领眼钻头的瞬时钻压将迅速增大。那么可以发现，对领眼钻头而言，当其瞬时钻速高于扩眼器时，作用其上的钻压将减小；当其瞬时钻速低于扩眼器时，作用其上的钻压将增大。

研究人员指出，扩眼过程常常伴随粘滑、振动等恶劣工况，造成这一现象的原因之一是钻压在扩眼器和领眼钻头之间的分配不合理。事实上，在扩眼装置的设计过程中就应给出钻压分配的参考值。计算钻压分配的常规方法是几何面积法，即将扩眼器与领眼钻头切除岩石的横截面积比作为二者所受钻压之比。该法涉及因素单一，准确度较低。

夏炎将井壁视为受内外压的厚壁筒，分析了钻头与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，但该法假设扩眼器与领眼钻头切削岩石的功率相同，适应领域较窄。

Thomson等人提出通过调整领眼钻头和随钻扩眼器的布齿结构从而合理控制钻压分配的方法并进行了试验。然而该法不适用于复杂多变的地层，并且一旦切削齿磨损之后其切削能力亦发生变化，这种变化幅度难以预估，故很难保证扩眼过程中钻压的合理分配。

迄今为止，尚无合理的方案可在随钻扩眼过程中保持扩眼器与领眼钻头之间的稳定的钻压分配关系。

发明内容

为了实现钻压在扩眼器和领眼钻头之间的合理分配，保证扩眼过程的安全与稳定，本发明提供了一种控制随钻扩眼钻压分配关系的双转速方法及装置。

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双转速方法，所述方法包括：对领眼钻柱的钻压值进行实时测量，获取领眼钻柱的钻压测量值；比较钻压测量值与预设的领眼钻柱钻压阈限值；若钻压测量值超出预设的阈限值，通过调整流经液动马达的钻井液流量控制领眼钻头的转速，进而控制其机械钻速，并改变钻压分配关系。

所述的领眼钻头钻压的阈限值为总钻压的50％～70％，所述总钻压为随钻扩眼器与领眼钻头所承受的钻压之和。

当领眼钻头的钻压测量值超出所设定的阈限值时，对领眼钻头的钻速进行控制，具体包括：

当钻压测量值高于总钻压的70％时，通过增加流经液动马达的钻井液流量提高领眼钻头的转速；

当钻压测量值低于总钻压的50％时，通过减少流经液动马达的钻井液流量降低领眼钻头的转速。

另一方面，提供了一种控制随钻扩眼钻压分配关系的双转速装置，包括随钻扩眼器和领眼钻柱，所述领眼钻柱内设有液动马达和领眼钻头，所述领眼钻头与所述液动马达连接，用于驱动所述领眼钻头旋转，所述领眼钻柱内还设有测控装置，所述测控装置包括：

电磁阀，设置于所述领眼钻柱的柱体内，其进口通过孔状流道与所述领眼钻柱的空腔连通，其出口通过侧喷嘴与井眼环空连通；

钻压检测器，密封于所述领眼钻柱的柱体内，用于实时检测所述领眼钻柱的钻压；

微处理器，密封于领眼钻柱的柱体内，且分别与所述电磁阀和钻压检测器相连接，用于控制所述钻压检测器的工作状态和电磁阀的开启程度；

电池，密封于领眼钻柱的柱体内，为所述钻压检测器、微处理器及电磁阀供电；

所述微处理器运行有钻压预设模块、钻压比较模块和电磁阀控制模块，

钻压预设模块，用于存储所述领眼钻柱的预设钻压阈限值；