董浩尹方雷喬詩涵單祥斌(.中國石油長城鉆探公司工程技術(shù)研究院, 遼寧 盤錦 400;.冷家油田開發(fā)公司工藝研究所,遼寧 盤錦 400;.金海采油廠集輸大隊, 遼寧 盤錦 400)
技術(shù)與信息
連續(xù)管鉆井井下旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)研究
董浩1尹方雷1喬詩涵2單祥斌3(1.中國石油長城鉆探公司工程技術(shù)研究院, 遼寧 盤錦 124010;2.冷家油田開發(fā)公司工藝研究所,遼寧 盤錦 124010;3.金海采油廠集輸大隊, 遼寧 盤錦 124010)
連續(xù)管鉆井技術(shù)經(jīng)過近幾年的發(fā)展,已逐步進(jìn)入現(xiàn)場試驗階段。本文針對連續(xù)管鉆井中存在的難點及現(xiàn)場試驗中遇到的問題進(jìn)行了分析研究,提出一種連續(xù)管鉆井井下旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方案,通過研制大扭矩可連續(xù)旋轉(zhuǎn)的渦輪定向器,改變井下鉆具組合,來實現(xiàn)工具串旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的能力。
連續(xù)管鉆井;旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn);鉆具組合;定向器
連續(xù)管自20世紀(jì)60年代開始用于石油工業(yè),20世紀(jì)90年代連續(xù)管用于鉆井,隨著連續(xù)管鉆井技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)已成為石油鉆井的特色技術(shù)之一,特別是在美國和加拿大,連續(xù)管所鉆井占全球的80%左右。隨著側(cè)鉆井、側(cè)鉆水平井?dāng)?shù)量的增加以及小井眼鉆井技術(shù)和欠平衡鉆井技術(shù)的發(fā)展,連續(xù)管技術(shù)在這些井中作業(yè)的優(yōu)勢越來越明顯,用途也越來越廣[1]。
近年來,我國也開始研發(fā)連續(xù)管側(cè)鉆井技術(shù),并進(jìn)行了幾口先導(dǎo)性現(xiàn)場試驗,但由于連續(xù)管尺寸小、柔性大、不旋轉(zhuǎn)以及加壓困難等特點,現(xiàn)場試驗效果并不理想。由于連續(xù)管鉆井在整個鉆進(jìn)過程中,一直處于滑動鉆進(jìn)狀態(tài),連續(xù)管與井壁貼合,受到靜摩擦力,且沿軸線方向,增大了連續(xù)管屈曲狀態(tài),進(jìn)一步增加了摩阻;另外,連續(xù)管不能旋轉(zhuǎn)的特性,預(yù)示著在處理遇阻、劃眼等井下復(fù)雜情況的能力低下,增大了井下安全風(fēng)險。為此,筆者進(jìn)行了連續(xù)管鉆井井下旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)研究,實現(xiàn)井下工具串在裸眼井段旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)能力,將靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ粒瑴p小摩阻,增大井眼延伸能力,增加了井下適用性,為科研人員提供借鑒和參考。
隨著技術(shù)的發(fā)展,國外很多公司已具備連續(xù)管鉆井技術(shù)服務(wù)的能力,其使用的連續(xù)管鉆井工具也不盡相同,種類繁多,但功能基本類似。常用到有安全接頭、定向工具、隨鉆測量工具等專用工具以及連接器、非旋轉(zhuǎn)接頭、單流閥等輔助工具[2]。
定向器是連續(xù)管鉆井的核心工具,放置在隨鉆測量工具上部,通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)調(diào)整螺桿馬達(dá)彎角方向來實現(xiàn)井身軌跡控制。隨著定向器的發(fā)展,根據(jù)工作原理可分為液控、電控以及電液控等類型,但各類型的定向器也存在不同的缺點。液控式定向器通常精度差,不易控制;電控以及電液控式定向器精度高,可雙向旋轉(zhuǎn),但功率小,旋轉(zhuǎn)緩慢,一般有旋轉(zhuǎn)范圍限制,不能同方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)[3]。
連續(xù)管鉆井過程,整個管串貼在井壁上,處于滑動鉆進(jìn)過程,摩擦阻力大,容易發(fā)生屈曲,甚至自鎖,不利于鉆壓傳遞。由于連續(xù)管不能旋轉(zhuǎn),由于彎螺桿角度固定,在定向段時鉆具一直處于造斜狀態(tài),適應(yīng)性差,現(xiàn)場施工中通常難以滿足井身軌跡對狗腿度的要求,進(jìn)一步加大了摩阻。同時,在下鉆遇阻時,只能通過上下提拉和開泵循環(huán)的方式解決,只有鉆頭處能夠旋轉(zhuǎn),劃眼能力差,效率低,不易鉆出新井眼。現(xiàn)場試驗中發(fā)現(xiàn),當(dāng)井斜增大到一定程度,井眼清潔能力變差,易出現(xiàn)巖屑堆積和井底重復(fù)破碎的風(fēng)險。為此,技術(shù)人員提出一種新的方案,通過研制一種大扭矩可連續(xù)旋轉(zhuǎn)的渦輪定向器,改變井下鉆具組合,來實現(xiàn)工具串旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的能力。
圖1 連續(xù)管鉆井鉆具組合研究
如圖1所示,在渦輪定向器下設(shè)計一定長度可旋轉(zhuǎn)的鉆桿,上部為連接器、丟手接頭與非旋轉(zhuǎn)的連續(xù)管。旋轉(zhuǎn)段由渦輪定向器驅(qū)動,可實現(xiàn)井下旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的能力,使軸向靜摩擦力轉(zhuǎn)換為周向動摩擦力。渦輪定向器提供克服井底鉆頭反扭矩及旋轉(zhuǎn)段摩擦阻力的能量,且方便控制,要求具有高扭矩低轉(zhuǎn)速的特性。同時,需要計算旋轉(zhuǎn)段鉆桿長度來確定渦輪定向器的位置,獲取最大旋轉(zhuǎn)段長度,增加井眼延伸能力。
根據(jù)渦輪定向器高扭矩、低轉(zhuǎn)速的需求,筆者對定向器進(jìn)行功能原理設(shè)計,渦輪定向器按順序應(yīng)包括電路部分、渦輪動力裝置、離合控制單元、行星減速機(jī)構(gòu)、傳動部分和輸出軸六部分。
電路部分可以識別地面發(fā)送的指令信號,并對離合器進(jìn)行控制;渦輪動力裝置通過多級渦輪,為下部旋轉(zhuǎn)段提供工作能量;離合控制單元受電路部分控制,可控制渦輪與下部結(jié)構(gòu)的“離合”;行星減速機(jī)構(gòu)可將高速渦輪旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為高扭低速的動力;傳動部分實現(xiàn)能量的輸出,同時具有反向自鎖功能,在定向作業(yè)時使井底反扭矩作用到工具本體,防止產(chǎn)生內(nèi)部扭轉(zhuǎn),造成工具面失控。
旋轉(zhuǎn)段鉆桿長度主要由渦輪定向器馬力、旋轉(zhuǎn)段鉆桿和非旋轉(zhuǎn)段連續(xù)管抗扭強(qiáng)度來計算,其中連續(xù)管抗扭強(qiáng)度最小。當(dāng)鉆速不變時,旋轉(zhuǎn)段越長,受到的扭矩越大,當(dāng)旋轉(zhuǎn)段達(dá)最大長度時,所受扭矩等于安全條件下連續(xù)管所能承受的最大扭矩。
另外,井眼的井身軌跡也會影響旋轉(zhuǎn)段的長度。井身軌跡越復(fù)雜,摩擦力越大,扭矩越大,旋轉(zhuǎn)段長度越短。在水平井中,通常造斜段所受單位長度摩擦力大于水平段,定向器到達(dá)造斜點時,旋轉(zhuǎn)段受到的扭矩最大[4]。
圖2 旋轉(zhuǎn)段鉆桿受力示意圖
在造斜段終點,旋轉(zhuǎn)段鉆桿受到的軸向力為式中:wp為鉆桿單位長度重量;lr,l為旋轉(zhuǎn)段鉆桿在水平段長
度;φ為井斜角;F0為井底受到的軸向力。
旋轉(zhuǎn)段鉆桿在造斜段受到的軸向力為
在造斜段受到的法向力總和為
對于水平段,法向力總和為
造斜段旋轉(zhuǎn)段鉆桿受到的扭矩為
當(dāng)渦輪定向器到達(dá)造斜點時,旋轉(zhuǎn)段鉆桿在造斜段和水平段所受的扭矩之和,等于連續(xù)管能承受的最大扭矩,因此,可以
求得旋轉(zhuǎn)段鉆桿水平段長度。
式中:Ty為連續(xù)管能承受的最大扭矩;μ為摩擦系數(shù);rp為鉆
桿接箍外徑;ri為近鉆頭第i個工具本體外徑;wi為第i個
工具單位長度重量;li為第i個工具單位長度。
旋轉(zhuǎn)段鉆桿總長為
(1)旋轉(zhuǎn)段工具串可在裸眼井段進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn),將靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ?,減小摩阻,增大井眼延伸能力。
(2)渦輪定向器通過多級渦輪驅(qū)動,并經(jīng)過行星齒輪減速,通過離合控制單元控制,可調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速,為井下工具串提供高扭低速的動力。
(3)通過地面軟件控制渦輪定向器的工作模式,可以實時切換井下工具滑動鉆進(jìn)和旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的狀態(tài),使井眼軌跡更加平滑,適應(yīng)性強(qiáng),同時減少了因螺桿彎角不匹配而進(jìn)行連續(xù)管起下鉆作業(yè)的次數(shù),增加了連續(xù)管的使用壽命。
(4)旋轉(zhuǎn)段鉆桿的長度,需要根據(jù)施工井井眼狀況和安全系數(shù)進(jìn)行施工前設(shè)計或校核,以避免出現(xiàn)井下事故,保障施工安全。
[1]唐志軍,劉正中,熊繼有.連續(xù)管鉆井技術(shù)綜述[J].天然氣工業(yè),2005,25(8):73-75.
[2]尹方雷.連續(xù)管鉆井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].內(nèi)蒙古石油化工,2012,38(13):102-104.
[3]李猛,賀會群,張云飛,等.連續(xù)管鉆井定向器技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展建議[J].石油機(jī)械,2015,43(1):32-37.
[4]Oyedokun,O.and Schubert J,Extending the Reach of Coiled Tubing in Directional Wells with Downhole Motors [R].SPE 168240,2014.