钻径向水平孔中喷管的直线轨迹控制方式

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2013年15期 科技目向导 ◇科技论坛◇钻径向水平孔中喷管的直线轨钾制方式陈 智， 张 强2(1.长江大学江汉机械研究所 湖北 荆州 434023；2.长江大学 湖北 荆州 434023)近几年来.钻径向水平孔的技术在石油天然气开采及煤层气开采行业中蓬勃发展 .取得了不错的应用效果.国内的多家油田企业及科研院所都对该技术进行了跟踪研究，笔者有幸也参与了该项技术的部分研究。

目前钻径向水平孔常用的喷管主要有两大类 -类是刚度较高的硬管.这类喷管的优点是.在地层中送进过程中不容易折弯偏向，喷射钻进的孔眼轨迹基本保持为-条直线。但其缺点是，由于刚度较高，喷管不容易做径向转弯动作另-类喷管是柔性较高的高压软管.这类喷管的主要优点是易转向 缺点是软管在地层中送进行走易弯折偏向.导致-RuI轨迹弯折偏向.影响喷管在地层中钻进方向高压软管在地层中的送进方式有两大类 -种是后推式 .即在喷管末端施加推力.靠推力使喷管在地层中送进行走 后推方式下.当喷射距离达到-定长度后.容易造成喷管的压杆失稳弯曲变形.最终导致喷管折弯偏向.影响钻进轨迹及钻进距离另-种是拖拽式 .即在喷管前端连接牵引喷嘴.靠牵引喷嘴提供的牵引力拖拽喷管在地层中行走喷管要想在地层中送进的距离更远.需要孔眼轨迹越直越好。

根据笔者多年的研究经验 .总结出以下几类主要的直线轨钾制方式1.牵引拖拽方式控制直线轨迹拖拽式送进方式下.牵引喷嘴提供的牵引力可抵消喷管前端喷嘴的喷射反力.并提供-定的前进牵引力，避免喷管发生失稳弯曲变形 ，从而保证钻进的轨迹为直线拖拽式送进方式有个弊端是.当喷管有初始弯折偏向变形时.牵引喷嘴提供的牵引力会造成喷管朝弯折的方向继续偏向变形.最后使喷管弯折成-个螺旋圆圈.堵塞孔眼。

2.圆孔减少阻力方式控制直线轨迹在喷管前端安装旋流喷嘴.旋流喷嘴喷射钻进出来的孔眼较圆，孔眼内壁较光滑.喷管在其中行走的阻力较小.发生弯折变形的临界距离更长，所以能较好地保持直线孔眼轨迹由流体力学l理论可知.-般情况下.旋流喷嘴的过流通道距离较长.截面尺寸变化较多.所以能量损失比多孔喷嘴大，但旋转喷嘴喷出的射流主要是以剪切的方式切割地层岩石.岩石的抗剪强度为抗压强度的 0.08～0.1倍 而多孑L喷嘴主要是以高速射流的动压来挤压粉碎岩石 从试验结果综合比较来看.旋流喷嘴的破岩能力(单位时间内粉碎的岩石体积)稍弱于多孔喷嘴3.旋转送进方式控制直线轨迹根据陀螺仪近似理论的阐述日可知.对于旋转的物体.将保持自身旋转轴在惯性参考系中方位不变.也就是说旋转轴的方向很难改变而对于钻径向水平井所使用的高压软管.整体刚度较小 而软管整体刚度很小.容易发生弯曲.偏离初始送进方向.如果让软管在送进过程中绕 自身对称中轴线旋转起来.按陀螺仪近似理论可知，则不容易偏离中轴线的初始方向.也就是说不会偏离初始送进方向，软管将-直按照初始的方向直线行走送进软管边送进边绕自身中轴线旋转的单元试验.已经在江汉机械研究所开展的钻径向水平井技术研究的前期工作中完成 试验结果表明，在相同流量、压力、管材、喷嘴的试验条件下，旋转送进的软管比非旋转送进的软管.喷射形成的孑L眼截面近似于圆形.TLI轨迹走的更直，相应的送进距离更远。目前已取得的成果是，软管转速 100转/min下，在 1m长的水泥靶筒内，入、出口偏心 20mm。

4.扶正方式控制直线轨迹喷管在地层中钻进时，会产生岩屑.为了便于排屑，喷管和孔眼之间留有环隙，-般大于3mm。由于重力的作用 ，喷管会紧贴孔眼下壁行走.造成喷管不断倾斜向下.最终弯折偏向变形.不能形成较直的径向水平孔眼。

参考《钻井手册》 中的刚性配合法可知，要想使钻径向水平TLHB轨迹比较直.需要对喷管施加扶正措施 目前.笔者研究过程中采用的扶正措施主要有以下几种4.I梅花形孔眼支撑扶正采用多孔喷嘴进行喷射钻进.多孔喷嘴喷射钻孔时形成的TLHB截面形状大致为梅花形.孔眼的中间部分用来提供支撑扶正的作用.孔眼四周较小的花瓣孔.用来排出岩屑该方式的不足是.梅花形孔眼与喷管外圆周面直接接触.由于 L眼上有-些尖棱.会划伤喷管外圆表面.造成喷管行走的阻力变大 还有.孔眼中间部分的尺寸与喷管的外径不能完全-致.始终存在环形间隙.不能做到满眼扶正。

4.2微型弹性扶正器扶正喷管上布置若干微型弹性扶正器。该结构的优点是能提供几牛至几十牛的弹性扶正支撑力.使喷管与孔眼之间保持居中同轴，不再受重力作用.贴紧孔眼下壁行走 .从而使喷管喷射钻进的孔眼轨迹保持直线状态。

该结构的缺点是，微行扶正器零件尺寸太小.加工较困难 ，安装布置也比较困难 且安装了微型弹性扶正器后.喷管上的硬管段会变长，在过导向器的过程中可能出现卡阻现象4.3刚毛式扶正结构在喷管外圆周表面附着-些具有较高弹性.又能提供-定支撑力的细小钢丝或塑料橡胶触角 该结构的特点是.能给喷管提供-定的扶正支撑力.保证喷管轴线与孔眼轴线同心。喷管外圆周表面的刚毛结构不会造成喷管上的硬管段变长.能容易地通过导向器以及在地层中行走。

限于篇幅限制.本文中只讨论了几种经过试验比较的钻径向水平孑L喷管直线轨钾制方式.具体设计中.还涉及-些详细的计算方法和过程，本文不作专门介绍。