基本信息
- 项目名称：
- 新型液压式随钻扩眼器的研制
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 鉴于目前国内外扩眼器存在的服务费用高、扩眼效率低和工作安全性差等方面的不足，本文研制了一种安全性和可靠性较高的新型液压式随钻扩眼器。该扩眼器具有性能稳定，作业范围广和经济效益高等特点。其独特的设计弥补了传统扩眼器工具存在的缺陷，打破了国外的技术垄断。经过地面测试和海上试验井的应用检测，该扩眼器各项指标均达到了设计要求，扩眼效果良好，能满足我国陆地和海上油气田扩眼作业要求，具有较强的市场竞争力。
- 详细介绍：
- 在石油天然气的开发钻井过程中，由于井壁不稳和受地层挤压等原因，经常会遇到井眼直径缩小导致钻井过程难以继续、以及水平井眼缩小等问题，因此需要使用扩眼器来进行扩眼作业。鉴于目前国内外扩眼器存在的服务费用高、扩眼效率低和工作安全性差等方面的不足，以及不能满足海洋优快钻井技术要求的状况，本文研制了一种安全性和可靠性较高的新型液压式随钻扩眼器。该作品具有以下技术特点： 1、在扩眼器中首次引入弹爪锁定装置有效解决了传统扩眼器刀翼在作业过程中回缩的问题。该装置通过弹爪弹指上的齿扣与芯管外壁上的齿扣间的咬合实现锁定弹爪的锁定功能。扩眼作业时，井壁施加给刀翼的力越大，弹爪和芯管的咬合越紧，确保了扩眼作业的稳定性。 2、扩眼井径可调节。本扩眼器可以在下井前通过更换调整套长度来调节扩眼器的最大外径，实现一种扩眼器可以进行多种尺寸的扩眼作业，满足不同的钻、完井要求，适应范围广。 3、采用双弹簧双投球和双喷嘴设计。小弹簧推动解锁套实现扩眼器解锁，主弹簧推动复位顶套实现刀翼的收回。主弹簧和小弹簧间的配合，使扩眼器刀翼能够顺利收回。二次投球则是刀翼成功收回的一个备份式的保险。即在外界因素的影响下，主弹簧和小弹簧间的相互作用未能实现刀翼的收回时，通过设置二次投球，确保刀翼能成功收回以继续实施钻进作业，因此二次投球很好的体现出了本扩眼器的随钻特点：即在扩眼器下到扩眼层段进行扩眼，扩眼结束后刀翼收回在不提钻的情况下继续进行正常钻进作业。 4、此外，本扩眼器在刀翼上下方安装了内置水射流喷嘴，能有效防止泥包的形成，解决了传统产品自洁能力差的问题，喷嘴内部安装单流阀，能有效防止杂质进入工具内部。 经过中海石油天津分公司的地面测试和现场应用表明，使用本作品进行扩眼作业时，扩眼作业效果非常明显，井眼扩大率为20%～25%，误差小于5%，能很好的满足钻井扩眼作业要求，尤其能满足海上石油优快钻探要求，时效性和安全性要，经济效益显著，推广应用前景广阔。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的： 油气钻井过程中，由于井壁不稳和受地层挤压等原因，经常会遇到井眼直径缩小导致钻井过程难以继续等问题。新型液压式随钻扩眼器的研制能够解决上述钻井过程井径缩小的问题，实现油气开采作业的顺利进行。 设计思路： 在井下扩眼作业时，扩眼器安装在钻井管柱上，由钻杆下入至需要扩眼作业的地层，工作人员通过液压投球的方式控制扩眼器上切削刀翼的伸出，然后通过钻井管柱的旋转钻进带动扩眼器刀翼的旋转破碎地层岩石，实现扩大井眼直径的目的。 创新点： 1、一趟管柱下入可同时完成扩眼和钻进两个过程。本扩眼器在不仅能实现传统扩眼器在扩眼作业同时时能钻进的功能，而且在扩眼作业后能通过二次投球的方式确保刀翼的收回，井下钻具在不起钻的情况能继续往深部地层钻进。 2、解决了传统扩眼器的切削刀翼在扩眼过程回缩的问题。传统扩眼器切削刀翼在扩眼作业时经常因受井壁挤压而缩回导致扩眼不成功，而本作品设计有独特的弹爪锁定机构和刀翼导向槽，扩眼作业时井壁施加给刀翼的压力越大，弹爪机构锁定越紧，有效解决了上述问题。 3、扩眼尺寸可调。传统扩眼器不能实现由一种扩眼器进行多种尺寸井径的扩眼作业功能，而本作品可以调节扩眼刀翼的伸出量，实现多种尺寸的扩眼作业。 技术关键： 锁定机构设计；刀翼伸缩过程的实现；扩眼器力学分析和液压水力学计算；扩眼器结构强度校核。 技术指标： 1）井眼扩大率：>15%,误差<5%;2)刀翼能实现准确的伸缩；3)作品液压损失:<2MPa；4)密封性：20MPa保持稳压20min。
科学性、先进性
- 该作品的科学性和先进性体现在以下三个方面： 1、形成自主知识产权，打破国外技术垄断； 2、相比目前现有的扩眼器产品具有切削刀翼不会被地层压回，工作性能稳定； 3、扩眼直径可调，能进行多尺寸井径扩眼作业，适应性和经济效益高； 4、通过二次投球确保刀翼收回，可实现下入一趟管柱同时进行钻进和扩眼作业等技术特点，真正实现随钻扩眼的技术要求，能满足我国陆地和海洋石油钻探要求。 5、采用虚拟样机技术，为产品的开发带来全新的设计、验证和演示手段，缩短开发周期、节约开发成本。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年6月，本作品开始在中海石油能源发展监督监理技术公司开展地面测试与现场应用，地面测试和现场应用结果良好，作品各项指标均达到设计要求。 2011年3月，本作品获得中海石油（中国）有限公司天津分公司“新型液压式随钻扩眼器现场应用证明”，经证明，本作品在现场应用时“扩眼效果良好，有效提高了作业时效、降低了作业费用”。 2011年4月，本作品获我国科学技术部教育部科技查新工作站（SH01）“新型液压式随钻扩眼器的研制”成果查新证明（查新编号：20113600SH010275），经查新鉴定，现有扩眼器产品 “其原理都与本设计不同，都不是采用锁定弹爪作为刀翼锁定装置”、“都不能进行多种尺寸的扩眼作业”，且目前“没有通过液压作用实现自动解锁收回刀翼的相关研究”。 2011年6月，本作品获第六届“挑战杯”首都大学生课外学术科技作品竞赛特等奖
作品所处阶段
- 经过地面测试和现场试应用阶段，进入专利申请和逐步推广使用阶段。
技术转让方式
- 专利转让
作品可展示的形式
- √图纸√图片√录像√实物√模型
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点：该液压扩眼器通过投球、憋压实现刀翼的准确伸缩，能满足钻井作业的安全性要求；弹爪锁定机构和刀翼伸缩结构设计独特，能保证扩眼作业的稳定性和可靠性；刀翼伸出的直径可调，能进行多种尺寸井径的扩眼作业；刀翼上下方都安装有内置喷嘴，且喷嘴内部安装单流阀，能有效防止杂质进入工具内部。 推广前景：本作品的研制能有效打破国外扩眼器产品的技术垄断，降低工具使用费用，提高国产石油工具的竞争力，由于本作品具有安全性能好、使用可靠、作业时效高等特点，能很好的满足海上石油优快钻井的作业要求，可以在油气田尤其是海洋油气田中使用，市场应用前景广阔。 经济效益预测：由于本作品完全国产化，具有价格优势，且扩眼井径范围广，可避免更换选择不同直径的扩眼产品。经中海石油天津分公司现场应用证明，传统扩眼器产品单井作业费用约为55万元，而采用本作品服务费用为20万元，单以天津渤海油田一年扩井作业50口井计算，则每年可节省1750万元，因此该作品具有良好的经济效益。
同类课题研究水平概述
- （1）国外研究现状：国外在20世纪90年代初开始随钻扩眼的研究工作，其技术水平相对较高。迄今为止，国外已研制出多种随钻扩眼器，主要有偏心钻头和液压扩眼器。偏心钻头使用过程中主要存在以下问题:扩眼刀翼单边受力，扭矩大，憋跳严重，对钻头和钻柱易造成很大的伤害;井眼为螺旋形，井身质量较差; 自洁能力差，扩眼切削齿不能及时完成扩眼，造成扭矩偏大，机械钻速低;影响造斜;易形成泥包;井眼扩大尺寸有限。目前使用的液压扩眼器在使用过程中存在的主要问题有以下几点:服务费用昂贵;利用压差推动刀翼张开，但不能准确判断刀翼是否张开到扩眼所需尺寸，扩眼效果达不到要求;刀翼张到最大后没有锁定机构，随着压力的变化外径易发生变化;如产生泥包，弹簧的推力不够，刀翼不能收回;水眼处没有单流阀，水眼容易堵塞等问题。 （2）国内研究现状：国内开展随钻扩眼钻井相关研究较晚，从当前来看，对随钻扩眼工具相关研究与实践应用尚处于起步阶段，有关介绍随钻扩眼工具理论分析、随钻扩眼工具研发及现场应用的文章较少，许多理论尚不完善。进口偏心钻头及液压扩眼器在使用过程中存在的问题在国产工具中都有所体现，同时，国产液压扩眼器扩眼效率低、结构不合理、工作安全性差和寿命短的问题更为突出，难以满足海洋钻井的技术要求;因此，目前国产扩眼器的结构迫切需要进一步完善以提高其工作可靠性。
