李峰飛,蔣世全,李漢興,周建良,李迅科

(中海油研究總院,北京100027)

泥漿動力旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具原理及壓降計算

李峰飛,蔣世全,李漢興,周建良,李迅科

(中海油研究總院,北京100027)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的動力來源主要有電池、泥漿動力、渦輪發(fā)電機。由中海油研究總院牽頭研制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是以泥漿動力為導(dǎo)向動力來源,通過井底鉆柱內(nèi)外泥漿壓差驅(qū)動3個導(dǎo)向翼肋的伸縮,控制鉆頭沿目標(biāo)軌跡鉆進。分析了流量、鉆頭噴嘴組合、泥漿性能等參數(shù)對該壓差的影響。現(xiàn)場試驗結(jié)果證明了理論計算的正確性,為研制該類工具提供了理論基礎(chǔ)。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井;工具;泥漿動力;壓差

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)(RSS:Rotary Steerable System)完全拋開了傳統(tǒng)的滑動導(dǎo)向方式,在鉆柱旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下自動、連續(xù)、靈活地調(diào)整井斜和方位,大幅提高了鉆井速度和安全性,井眼軌跡的控制精度高,在世界范圍內(nèi)的許多現(xiàn)場應(yīng)用中都產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。20世紀(jì)90年代初,國外開始研究旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù),到20世紀(jì)90年代中期,已有美、英、德、意、日5個國家的8家大公司掌握并壟斷了其工程應(yīng)用和商業(yè)化技術(shù)服務(wù)市場。這項技術(shù)總體上仍處于快速發(fā)展之中,國際競爭十分激烈。它的先進性、優(yōu)越性、方向性足以表明它是當(dāng)今世界鉆井技術(shù)的重大革命。國外較成熟的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具還是以BakerHughes的Auto Trak系列、Schlumberger公司的Power Drive系列、Sperry Sun公司的GeoPilot系列最具代表性。國內(nèi)以中海油研究總院為代表的多家單位展開了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的相關(guān)研究,研制出了原理樣機,目前正向工程化應(yīng)用邁進[1～3]。

投入商業(yè)應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具其導(dǎo)向動力來源主要有3類:泥漿動力(以Power Drive系列為例)、發(fā)電機(以Auto Trak系統(tǒng)為例)、電池(以Geo-Pilot系列為例)[4～7]。中海油研究總院與西安石油大學(xué)等單位聯(lián)合研制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具也依靠泥漿動力作為導(dǎo)向動力的來源,對于泥漿動力性能的分析關(guān)系到旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具是否能夠完成導(dǎo)向鉆進能力。本文以泥漿動力的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具為例,對其動力特性進行分析和研究。

1 泥漿動力旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向基本原理

中海油研究總院研制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具主要通過不旋轉(zhuǎn)套上3個均布翼肋的伸出和收回形成偏心,從而形成導(dǎo)向能力[8]。3個翼肋的伸出和收回主要通過液壓系統(tǒng)實現(xiàn),但液壓系統(tǒng)的動力來源并非液壓泵,而是鉆井循環(huán)系統(tǒng)中導(dǎo)向工具內(nèi)外的泥漿壓力差。其中,單個翼肋控制具體由定位總成實現(xiàn),原理框圖如圖1所示。

圖1 定位總成原理框圖

定位總成是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具翼肋動作的控制機構(gòu),其主要由機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和測控系統(tǒng)3部分組成,基本原理如圖1所示。其中,液壓系統(tǒng)主要包括油缸、隔離膜、定位缸、平衡油囊、單向閥等;測控系統(tǒng)主要包括2個電磁閥、1個位移傳感器、1個壓力傳感器和MCU控制單元。由此可知,定位總成液壓系統(tǒng)中并不包含傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)中的動力源,在本系統(tǒng)中定位缸活塞桿動作主要通過鉆柱內(nèi)外泥漿所形成的壓力差來驅(qū)動,定位缸活塞桿具體的伸出、收回、鎖定等動作則主要是依靠測控系統(tǒng)來控制實現(xiàn)。其具體工作過程是:

1) 翼肋伸出 當(dāng)需要翼肋伸出時,1#電磁閥打開,2#電磁閥關(guān)閉,液壓油在鉆柱內(nèi)高壓泥漿作用下,在定位缸處形成差動液壓系統(tǒng),推動活塞桿向外伸出,推動翼肋伸出。同時測控系統(tǒng)實時監(jiān)測活塞桿的伸出情況,當(dāng)達到預(yù)定位置后,則關(guān)閉1#電磁閥,完成翼肋的伸出動作。

2) 翼肋收回 當(dāng)需要翼肋收回時,1#電磁閥關(guān)閉,2#電磁閥打開,液壓油在鉆柱內(nèi)高壓泥漿的作用下流向定位缸背壓腔,正壓腔液壓油則通過2#電磁閥流向平衡油囊,驅(qū)動活塞桿復(fù)位,拉動翼肋收回。同樣測控系統(tǒng)在控制2#電磁閥打開的同時通過位移傳感器實時監(jiān)測活塞桿的收回情況,當(dāng)活塞桿收回至預(yù)定位置后則關(guān)閉2#電磁閥。

3) 翼肋位置鎖定 當(dāng)1#、2#電磁閥均關(guān)閉時,由于液壓油無法形成回路則鎖定活塞位置,進而鎖定翼肋伸出位置。

4) 回油 由圖1可知,在工作過程中液壓油并未返回油缸,除液壓系統(tǒng)中需要外,部分液壓油流向了平衡油囊。當(dāng)系統(tǒng)多次伸、縮翼肋后,可能導(dǎo)致液壓系統(tǒng)中無液壓油的情況出現(xiàn),為避免該情況出現(xiàn),需要在系統(tǒng)完成一定伸縮次數(shù)后實現(xiàn)液壓油的回油。當(dāng)泥漿泵停止工作后,由于鉆柱內(nèi)外壓差的消失,液壓油在平衡油囊的擠壓下則通過單向閥流回油缸。

由此可見,泥漿旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具導(dǎo)向的動力來源為鉆柱內(nèi)外泥漿壓差,如果需要形成導(dǎo)向能力,則首先需要在定位總成內(nèi)外形成一定的壓差。

2 泥漿動力來源壓差計算

為保證旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具翼肋伸出、收回等動作正常,則需要保證在井底定位總成內(nèi)外形成一定的泥漿壓差。對于鉆井系統(tǒng)而言,其鉆柱內(nèi)外壓差主要是由于泥漿的流動所造成的,針對在研旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)構(gòu)建其泥漿循環(huán)系統(tǒng),如圖2。

圖2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)泥漿循環(huán)流程

由圖2知,假設(shè)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)(RSS)正常工作時內(nèi)壓為pin,外壓為pout,則有如下關(guān)系:

式中:ph,pbit,pa分別是泥漿在節(jié)流環(huán)、鉆頭及環(huán)空中的壓力損耗。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具所需要的內(nèi)外壓差:

也即旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具正常工作所需要的動力來源主要取決于鉆頭及內(nèi)置節(jié)流環(huán)的壓力損耗。因此對于該兩部分的計算則對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的現(xiàn)場試驗有重要參考和借鑒價值。

2.1 節(jié)流環(huán)壓降計算

為保證導(dǎo)向工具有足夠壓降,在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具內(nèi)部設(shè)置了節(jié)流環(huán)以提高壓降,增加整個工具的驅(qū)動能力,節(jié)流環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3所示。噴嘴是長度不大于直徑2～3倍的短管道。由此可以將其等效為噴嘴進行計算。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特性選取收縮系數(shù)Cc=1,流速系數(shù)Cv=0.98[9]。由理想流體能量方程,得:

假設(shè)系統(tǒng)泥漿流量為Q,由連續(xù)方程,則:

式中:ρ為泥漿的密度;g為重力加速度;A1、A2表示截面1和截面2的過流面積;p1、p2,Z1、Z2,V1、V2,分別代表泥漿在截面1和截面2處的壓力、高度、實際流速;V2i表示無水頭損失時的理想流速。

對于V2i和和V2有如下關(guān)系:

忽略高度影響,聯(lián)合式(4)～(6),化簡后可得:

將已知的流速系數(shù)及截面積帶入上式,則通過節(jié)流環(huán)的壓降Δp丁有如下關(guān)系:

圖3 節(jié)流環(huán)結(jié)構(gòu)

2.2 鉆頭壓降計算[10～11]

對于鉆頭,其壓降計算和節(jié)流環(huán)相似。在實際工程應(yīng)用中一般先計算其等效當(dāng)量直徑,然后將其等效為當(dāng)量直徑大小的噴嘴進行計算。假設(shè)噴嘴直徑分別為d1、d2、d3、d4、d5,當(dāng)量截面積為A,當(dāng)量直徑為d,則:

因鉆頭入口直徑相對較大,在實際工程應(yīng)用中一般采用下式進行鉆頭壓降計算。

工程中選取流速系數(shù)Cv=0.98,帶入式(1)化簡后得:

3 現(xiàn)場壓降計算及試驗

2012-03,研制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具在天津塘沽鉆采基地進行試驗,對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向泥漿動力進行分析。為保證導(dǎo)向工具翼肋正常伸出導(dǎo)向,要求泥漿泵沖次為90 min-1時,在井底旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具內(nèi)外產(chǎn)生不少于6 MPa的壓差。

泥漿泵采用NB-1600F型泥漿泵,缸套直徑170 mm,泥漿泵沖次及流量對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 試驗用泥漿泵沖次及流量關(guān)系

經(jīng)實際測定,泥漿密度1.08 g/cm3,黏度0.0031 Pa·s;使用215.9 mm(82英寸)PDC鉆頭。經(jīng)初步計算選用噴嘴組合:4個9.52 mm和1個7.94 mm。

3.1 節(jié)流環(huán)及鉆頭壓降計算

3.1.1 節(jié)流環(huán)壓降計算

按照當(dāng)前試驗條件完成了不同泵沖次下節(jié)流環(huán)的壓降計算,結(jié)果如表2所示。

表2 節(jié)流環(huán)壓降計算結(jié)果

3.1.2 鉆頭壓降計算

由試驗鉆頭水眼組合,根據(jù)式(8)計算其當(dāng)量直徑d=20.64 mm,按照當(dāng)前試驗條件完成了不同泵沖次下鉆頭的壓降計算,結(jié)果如表3所示。

表3 鉆頭壓降計算結(jié)果

由表1及表2數(shù)據(jù),得鉆頭及節(jié)流環(huán)累計壓降數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 累計壓降計算結(jié)果

由計算可知,在當(dāng)前水眼組合下泥漿在31.13 L/s時,在鉆頭及節(jié)流環(huán)可以達到約8.6 MPa的壓差,完全滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向?qū)嶋H工作需要。

3.2 鉆頭壓降試驗

為對計算結(jié)果進行驗證,同時也保證在實際工作中導(dǎo)向工具內(nèi)外所能形成的壓差達到工作需要,在試驗現(xiàn)場對鉆具進行了實際的壓降測試。具體試驗條件如下:

鉆具組合:215.9 mm PDC+RSS+Flex+1根127 mm鉆桿。

在井口通過調(diào)整不同的泥漿泵沖次,旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具記錄試驗過程中內(nèi)外壓力的大小,試驗結(jié)束后提取旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具內(nèi)部數(shù)據(jù)計算為內(nèi)外壓差,具體數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 試驗結(jié)果

繪制計算壓降及實測壓降曲線,如圖4所示,可知,理論計算壓降和實測壓降有很好的吻合度,能反映現(xiàn)場實際工況。

圖4 壓降計算數(shù)據(jù)及試驗數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)論

1) 分析了基于泥漿動力的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具導(dǎo)向翼肋的工作原理,并理論計算了導(dǎo)向工具的動力特性。

2) 基于泥漿動力的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具,其自身動力來源主要是工具內(nèi)外的泥漿壓差,該壓差將主要由導(dǎo)向工具自帶節(jié)流環(huán)和鉆頭壓降兩部分組成。

3) 影響旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具動力的主要因素為鉆頭和水眼的過流面積,以及系統(tǒng)泥漿循環(huán)流量。

4) 理論計算的壓降基本和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)吻合,可為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向現(xiàn)場試驗的節(jié)流環(huán)設(shè)計、噴嘴選擇以及流量大小提供參考和指導(dǎo)。

5) 經(jīng)多次現(xiàn)場試驗,所提供噴嘴組合、節(jié)流環(huán)均能滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向翼肋動作需要,各項工作正常。

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Analysis on Dynamic Characteristics of Mud-Powered Rotary Steerable Drilling Tool

LI Feng-fei,JIANG Shi-quan,LI Han-xing,ZHOU Jian-liang,LI Xun-ke
(CNOOC Research Institute,Beijing 100027,China)

Now,the mainly power of the rotary steerable drilling tools that had commercial applied were:battery,mud power,turbine generators,etc.The rotary steering drilling tool that was developed by CNOOC Research Institute was powered by the drilling mud.It could control the well trajectory by the three pads’hold in and out that would get the bit depart from the axes of the well,and then realized the orient drilling.Then,the effect of flow and characteristics of the mud,and the effect of nozzle combination of the bit were analyzed,and a reference to the tool’s field test was provided.The results of the field test proved the correctness of the theoretical calculation,and this study would provide theory basis for the development of the mud-powered rotary steerable drilling tools.

rotary navigational drilling;tool;mud-powered;differential pressure

TE921.201

A

1001-3482(2014)02-0043-05

2013-09-11

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃):旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)工程化技術(shù)研究(2007AA090801)

李峰飛(1983-),男,河南嵩縣人,工程師,博士,2010年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)鉆井工程專業(yè),主要從事鉆完井相關(guān)研究工作,E-mail:liff2@cnooc.com.cn。