劉 俊，張 衡，羅小兵

（渤海石油裝備（天津）新世紀機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

當前，為實現(xiàn)油田增產(chǎn)，大位移井的數(shù)量越來越多。大位移井具有井斜角大、井段長等基本特點，但由此引發(fā)的重力效應造成套管與井下鉆柱受到很大的軸向摩擦力和摩擦扭矩，導致送鉆困難、頂驅能力超限、鉆柱和套管磨損嚴重等問題。引發(fā)的嚴重后果表現(xiàn)為：套管被擠毀、井眼報廢或局部井段報廢。這不僅造成經(jīng)濟損失，更直接影響正常的鉆進和完井作業(yè)。

為減少此類事故發(fā)生，在大位移鉆井中，采用減摩減扭工具，在鉆具組合與套管之間形成支撐，減少鉆具組合與套管的接觸面積，減少摩擦，降低了鉆進扭矩。但減摩減扭工具在大位移鉆井應用中，其結構設計與鉆具組合設計直接影響工具的作用，因此，工具結構的優(yōu)化設計與應用技術完善研究十分必要。本文主要闡述目前普遍使用的減摩減扭工具在結構上的優(yōu)化與應用上的改善提高。

1 減摩減扭工具結構優(yōu)化

1.1 優(yōu)化前減摩減扭工具結構

優(yōu)化前減摩減扭工具主要由上接頭、下接頭、防磨支撐環(huán)、耐磨外套4部分組成。該結構的減摩減扭工具材料為高強度合金，扣型與鉆桿扣型相同，可直接連接于2根鉆桿之間，這種結構在外套與上接頭發(fā)生相互摩擦時，能夠更好地轉動，并加強摩擦面的強度，使工具在側向力較大的情況下也不至于使合金塊發(fā)生粉碎與掉落。其薄弱環(huán)節(jié)在于上接頭與下接頭的連接方面，對此處進行改進（圖1）。

圖1 優(yōu)化前減摩減扭工具結構

1.2 優(yōu)化后減摩減扭工具結構

優(yōu)化后減摩減扭工具主要由上接頭、防磨支撐環(huán)、耐磨外套、擋環(huán)部分組成，優(yōu)化后的結構相比優(yōu)化前，將下接頭與上接頭設計成一體式，采用擋環(huán)固定耐磨外套（圖2）。

圖2 優(yōu)化后減摩減扭工具結構

1.3 基于Autodesk Inventor實體設計應力分析

Autodesk Inventor的應力分析可分析零件的應力應變，以確保零件的強度和剛度。

2種結構的減摩減扭工具采用相同材料的高強度合金鋼，以5-1/2"規(guī)格型號為例，其物理參數(shù)見表1，材料性質見表2。

表1 減摩減扭工具的物理參數(shù)

模擬鉆進工況，以公扣端作為固定支撐，施以旋轉鉆進扭矩，其應力分析見表3。

表2 減摩減扭工具的材料性質

表3 優(yōu)化前后應力分析

從以上分析可以得出，2種結構均能滿足井下工況。但優(yōu)化后節(jié)省了材料，水眼直井增大13 mm。

2 基于Landmark設計優(yōu)化井底鉆具組合

2.1 減摩減扭工具在Landmark軟件中的設計基礎

Landmark軟件作為成熟的石油工程設計專家系統(tǒng)，在其摩阻計算模塊中，專門設置了Friction reducing tools復選項，F(xiàn)riction reducing tools在鉆具組合中起到支撐作用，減少了鉆具組合的撓性變形量，從而減少了鉆具組合與井壁/套管的接觸面積，最終減少鉆具組合承受的扭矩；Friction reducing tools安放位置優(yōu)選造斜點開始，根據(jù)井斜角的變化，分隔井段，區(qū)別安放。

2.2 基于Landmark設計優(yōu)化井底鉆具組合

在大位移鉆井中，由于井深較大，鉆具組合發(fā)生變形，附在井壁上。結合鉆井施工，在鉆具組合上安放減摩減扭工具，通常采用2種方案。以一口測深5540 m的井為例，其井眼軌跡數(shù)據(jù)見表4，未安放減摩減扭工具的模擬扭矩如圖3所示。

方案1：在造斜井段每一柱安放一套減摩減扭工具，在穩(wěn)斜井段每兩柱安放一套減摩減扭工具，模擬扭矩如圖4所示。

方案2：在造斜井段與穩(wěn)斜井段每一柱安放一套減摩減扭工具，模擬扭矩如圖5所示。

2方案均明顯降低了扭矩，方案一減扭效果更強；但是考慮到施工操作的簡便性，方案二更具優(yōu)勢。

表4 井眼軌跡數(shù)據(jù)簡表

圖3 未安放減摩減扭工具的模擬扭矩

圖4 方案1的模擬扭矩

圖5 方案2的模擬扭矩

3 減摩減扭工具的現(xiàn)場應用

3.1 井況說明

這是一口典型的大位移井。因為運轉時間過長，導致井下變形。修井過程中，工具掉落，采用套銑、磨銑進行打撈工具并修正井下變形，但是，由于該井深度（3600 m）、井斜角大（45°），在磨銑作業(yè)中扭矩增大，最大扭矩值達到12.91 kN·m，導致作業(yè)過程中鉆具在井下變形較大處多次斷裂，不僅無法正常工作，還增加了經(jīng)濟負擔。

3.2 效果分析

根據(jù)上述情況，制定減摩減扭工具的安放方案。在下入減摩減扭接箍管柱過程中，對1500 m，2400 m，3371 m三處井深位置的扭矩進行測試（表5）。

表5 3種轉速下的扭矩數(shù)據(jù)kN·m

由表5可以看出，采用優(yōu)化后的減摩減扭接箍，扭矩值有了明顯下降，隨著井深增加，扭矩下降幅度增大。由此證明，優(yōu)化后的減摩減扭工具在斜井及深井井況下，減扭效果顯著（使修井、打撈作業(yè)過程中最大扭矩降至8.93 kN·m），并且磨銑工具能在正常轉速下連續(xù)作業(yè)，而尚發(fā)生鉆具斷裂等情況。

4 結論與建議

（1）減摩減扭工具在大位移井取得良好現(xiàn)場應用效果，已經(jīng)成為降低扭矩、減少鉆桿與套管摩擦的主要技術手段。

（2）減摩減扭工具結構優(yōu)化后，裝配更簡便、更節(jié)省材料，而且滿足大位移鉆井工況，推薦采用優(yōu)化后結構。

（3）視井況不同選擇不同的鉆具組合方案：井況較好，預測扭矩較小，推薦使用方案1；如果井況復雜，預測扭矩較大，則推薦使用方案2。

（4）目前海上鉆井采用的減摩減扭工具與陸地相同，不便運輸，可改良耐磨外套。發(fā)展方向可參考輪胎設計思路，采用高強度復合橡膠并加入內(nèi)筋結構，以適應海上鉆井需要。