李 帥，于東兵，劉平國，劉習(xí)雄，余訓(xùn)星

(中石油江漢機(jī)械研究所有限公司，湖北 武漢 430000)

1 引 言

國際上的連續(xù)管鉆機(jī)形式多樣，技術(shù)較為成熟，已經(jīng)規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用[1]。在國內(nèi)，經(jīng)過近10年的研究，研制了車載式連續(xù)管鉆機(jī)并完成了若干次試驗(yàn)。但是，對連續(xù)管鉆井工具的研究，國內(nèi)才剛剛起步，連續(xù)管開窗、連續(xù)管定向鉆井等工藝研究仍處于摸索階段，配套的工具更是少之又少，各大油田連續(xù)管鉆井作業(yè)每年都不同程度地發(fā)生連續(xù)管鉆具卡鉆、斷鉆具、溢流、漏失等惡性事故，導(dǎo)致連續(xù)管鉆井作業(yè)經(jīng)濟(jì)損失慘重，這成為制約連續(xù)管鉆井技術(shù)推廣的瓶頸[2-4]。由于國外公司的技術(shù)壁壘，成套引進(jìn)國外連續(xù)管鉆井配套工具難度較大，且難以完全滿足國內(nèi)的應(yīng)用條件。

本文介紹了連續(xù)管鉆井關(guān)鍵工具的研制及現(xiàn)場應(yīng)用，分析了國內(nèi)外連續(xù)管鉆井工具的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了現(xiàn)場施工問題并提出相關(guān)建議，所做研究可為現(xiàn)場服務(wù)及工具技術(shù)進(jìn)步提供重要參考。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)對連續(xù)管鉆井工具的研究剛剛起步，大多研究機(jī)構(gòu)對于工具的研究還處于理論階段，沒有形成實(shí)物樣機(jī)，只有中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司、長城鉆探等少數(shù)研究單位進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用。連續(xù)管開窗、連續(xù)管定向鉆井等工藝的研究仍處于摸索階段，配套的工具較少，成套設(shè)計(jì)更是空白，這成為制約連續(xù)管鉆井技術(shù)推廣的瓶頸。

2.2 國外現(xiàn)狀

1991年，美國Oryx能源公司在得克薩斯州采用連續(xù)管鉆井技術(shù)成功地在一口老井中完成側(cè)鉆水平井，成為連續(xù)管鉆井技術(shù)步入實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)志性開端。經(jīng)過20年的發(fā)展，連續(xù)管鉆井技術(shù)的應(yīng)用迅速拓展[5]。截至2009年底，全球采用連續(xù)管鉆井技術(shù)的總鉆井?dāng)?shù)約為11000口。從2004年開始，平均每年鉆成900～1000口井。隨著連續(xù)管鉆井裝備、井下工具和鉆井用連續(xù)管的不斷創(chuàng)新與持續(xù)改進(jìn)，以及連續(xù)管鉆井技術(shù)與欠平衡鉆井、控壓鉆井、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井等技術(shù)的結(jié)合，連續(xù)管鉆井技術(shù)的水平和應(yīng)用領(lǐng)域得到了大幅度提升和拓展。伴隨著連續(xù)管鉆井技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用日益廣泛，這項(xiàng)技術(shù)的特殊適應(yīng)性、快捷高效性、低成本經(jīng)濟(jì)性和低污染環(huán)境友好性等優(yōu)勢將更加突顯，成為石油鉆井新技術(shù)的重要發(fā)展方向[6]。

3 關(guān)鍵工具的研制

3.1 液力定向器研制

液力定向器是一種通過液體動(dòng)力調(diào)整工具面的新工具，通過鉆井液驅(qū)動(dòng)液力定向器旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)該工具下面所接彎螺桿等工具一起旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)調(diào)整工具面的用途。液力定向器解決了連續(xù)管定向鉆井連續(xù)管不能旋轉(zhuǎn)、無法調(diào)整工具面實(shí)現(xiàn)定向鉆井的難題。

3.1.1 液力定向器主要結(jié)構(gòu)

液力定向器主要由連接機(jī)構(gòu)、活塞機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、扭矩傳遞機(jī)構(gòu)、防反扭矩機(jī)構(gòu)等組成，主要部件包括上接頭、殼體、下接頭、活塞、心軸、彈簧、軸套、正向離合器、輸出軸、反向離合器[7]。其中，上接頭和上部鉆具通過鉆桿扣連接，下接頭和下部鉆具通過鉆桿扣連接。上接頭和殼體通過螺紋連接，活塞和心軸相連，輸出軸和下接頭相連。心軸下部有外螺旋齒，軸套上部有內(nèi)螺旋齒，心軸下部插在軸套上部的內(nèi)螺旋齒內(nèi)。地面開泵時(shí)，活塞下行，彈簧壓縮，活塞帶動(dòng)心軸下行，心軸的軸向運(yùn)動(dòng)通過螺旋齒轉(zhuǎn)化成軸套的徑向順時(shí)針正向轉(zhuǎn)動(dòng)，活塞和心軸下行到位，軸套轉(zhuǎn)動(dòng)固定角度。軸套和輸出軸之間由正向離合器連接，當(dāng)軸套順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)正向離合器抱緊輸出軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。輸出軸和殼體之間由反向離合器連接，當(dāng)輸出軸正轉(zhuǎn)，反向離合器處于松弛狀態(tài)，不起作用，輸出軸和下接頭通過螺紋連接，輸出軸正轉(zhuǎn)帶動(dòng)下接頭正轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)下部鉆具正轉(zhuǎn)。液力定向器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 液力定向器結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.2 液力定向器扭矩計(jì)算

液力定向器的輸出扭矩，等于活塞下行推力減去彈簧彈力，再乘上系數(shù)K，計(jì)算公式如下：

T=KF=K·P·S

式中，T為輸出扭矩；K為系數(shù)，和螺旋齒的角度，齒的個(gè)數(shù)、大小有關(guān)；P為總壓降(為液力定向器下部鉆具的總壓降)，壓降的大小一般由液力定向器所接的下部鉆具和泥漿泵的排量決定，計(jì)算公式一般為：P=鉆頭壓降+螺桿壓降+MWD壓降+其他壓降；S為有效活塞面積。

由上式可知，液力定向器的輸出扭矩和螺旋齒、活塞有效面積及壓降有關(guān)。影響壓降的主要因素較為復(fù)雜，鉆壓、鉆井液排量、地層硬度等都會(huì)影響壓降的大小。本文結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工作參數(shù)，排量參數(shù)大小選取9L/s。螺桿馬達(dá)壓降Pa在排量曲線的最高效率點(diǎn)處的大小為4.5MPa，鉆頭壓降Pb按下式計(jì)算：

其中，ρ液為鉆井液密度，g/cm3；Q為排量，L/s；de為噴嘴當(dāng)量直徑，mm；C為流量系數(shù)。

鉆頭壓降值為：

作用于連續(xù)管定向器活塞上的壓強(qiáng)約為螺桿馬達(dá)壓降與鉆頭壓降總和，即：

P=Pa+Pb=5MPa

3.2 水力振蕩器研制

水力脈沖產(chǎn)生鉆柱軸向振蕩，可有效降低滑動(dòng)鉆進(jìn)鉆具組合與井壁的摩擦力并有效改善鉆壓傳遞，進(jìn)行定向滑動(dòng)鉆進(jìn)效果明顯；還可以減小井下扭轉(zhuǎn)，減輕橫向振動(dòng)并提高機(jī)械的鉆速。應(yīng)用水力振蕩器，定向鉆進(jìn)效率能夠得到大幅度提高，可以鉆出更為平滑的井眼，而且單趟鉆效率提高[8]。

3.2.1 水力振蕩器工作原理

利用定子與轉(zhuǎn)子偏心共軛嚙合原理和水力諧波振動(dòng)原理，二者相結(jié)合形成三維激振運(yùn)動(dòng)，即該振蕩器的二維周向振動(dòng)，是利用定子與轉(zhuǎn)子共軛嚙合過程的偏心渦動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊力來激發(fā)；軸向振動(dòng)是由水力諧波來誘發(fā)；二者組合形成一種穩(wěn)定的三維諧波式的機(jī)械振動(dòng)。

3.2.2 水力振蕩器結(jié)構(gòu)及組成

水力振蕩器是通過工具動(dòng)力部分一個(gè)1∶2的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)盤閥總成產(chǎn)生水力脈沖，馬達(dá)轉(zhuǎn)子的下端固定一個(gè)閥片(動(dòng)閥)。當(dāng)流體通過動(dòng)力部分時(shí)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，由于馬達(dá)的特性，末端在一個(gè)平面上往復(fù)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力部分連接的是振蕩盤閥系統(tǒng)，下部短節(jié)主要部件是一個(gè)固定的閥片。動(dòng)閥和定閥緊密配合，由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)使2個(gè)閥片位置相錯(cuò)或重合，導(dǎo)致流量呈周期性變化，這使得流體通過盤閥總成時(shí)產(chǎn)生周期性的壓差變化。當(dāng)2個(gè)閥片過流孔重合時(shí)，流體通過的截面積最大，產(chǎn)生的壓降最??；當(dāng)重合面積最小時(shí)，產(chǎn)生的壓降最大。過流截面積周期性變化使上部振蕩短節(jié)的壓力產(chǎn)生同步周期性變化，該壓力作用在類似減振器反過來使用的活塞面上，產(chǎn)生軸向周期振蕩[9，10]。

水力振蕩器主要由動(dòng)力短節(jié)、盤閥總成和振蕩短節(jié)組成。動(dòng)力短節(jié)是一個(gè)容積式鉆井液馬達(dá)，盤閥總成主要由定閥和動(dòng)閥構(gòu)成，振蕩短節(jié)主要由反饋活塞、花鍵心軸和碟簧等構(gòu)成[11]，其在工具串中的組合如圖2所示。

圖2 水力振蕩器的鉆具組合

3.2.3 水力振蕩器壓降計(jì)算

通過上述水力振蕩器工作原理可知，壓降決定了振蕩器的振蕩力，從而影響減阻效果。假設(shè)鉆井液達(dá)到工具上方接頭時(shí)的壓力為p，則流出螺桿馬達(dá)的壓力為：

p1=p-pξ

其中，pξ為螺桿每一級(jí)的壓降，ξ為螺桿級(jí)數(shù)。按照伯努利方程[12]可得：

式中，ρ為液體密度(kg/m3)，g為重力加速度(m/s2)，v為液體速度(m/s)，hji為液體高度(m)。實(shí)際工作過程中，噴嘴打開瞬間，外部井眼環(huán)空壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)部壓力，從而形成較大壓差，使得壓強(qiáng)和流速產(chǎn)生變化，根據(jù)下式可得出徑向噴嘴的壓降：

式中，Q為液體流量(L/s)，As為過流面積(m2)，ds為當(dāng)量直徑(m)，Cr為常量系數(shù)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 連續(xù)管鉆井現(xiàn)場應(yīng)用情況

國內(nèi)目前已進(jìn)行過連續(xù)管電控電驅(qū)有纜工具側(cè)鉆，也開展了多次無纜工具連續(xù)管側(cè)鉆，現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總?cè)绫?所示。

表1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)匯總

通過現(xiàn)場應(yīng)用可以看出，有纜連續(xù)管側(cè)鉆效率大概只有無纜連續(xù)管側(cè)鉆效率的6.25%，究其原因，主要是因?yàn)殡娍毓ぞ邠p壞，維修周期過長等，導(dǎo)致現(xiàn)場實(shí)際使用過程中工期延后，效率下降。

4.2 陵72-5CZ井鉆井工藝分析

陵72-5CZ井位于江漢盆地江陵凹陷八嶺山油田斷背斜陵72井區(qū)，完鉆井深1799.5m，期間間斷性生產(chǎn)，累計(jì)生產(chǎn)原油83t，產(chǎn)量較低，周邊無注水井。地質(zhì)情況如圖3所示。

圖3 陵72-5CZ井地質(zhì)情況

本次側(cè)鉆中，開窗點(diǎn)位于井深895m處，所用鉆頭直徑118mm，地層壓力系數(shù)為1.0，預(yù)測井底壓力14.27MPa，其側(cè)鉆井眼軌跡如圖4所示。

圖4 陵72-5CZ井側(cè)鉆井眼軌跡

4.3 陵72-5CZ井鉆井效率分析

自895m開窗后，下鉆深度為1142m，鉆進(jìn)深度247m。所有工藝中，僅刮銑、下膨脹定位總成、斜向器、導(dǎo)引段鉆進(jìn)一次成功，其余工藝均出現(xiàn)延誤。定向段鉆進(jìn)深度247m，常規(guī)鉆進(jìn)日進(jìn)尺約80～100m，本口試驗(yàn)井側(cè)鉆日進(jìn)尺約5.45m，其側(cè)鉆效率與常規(guī)側(cè)鉆效率對比如圖5所示。

圖5 與常規(guī)側(cè)鉆效率對比

5 結(jié)束語

隨著停產(chǎn)停注井的增多，未來側(cè)鉆工作量大幅增加，預(yù)計(jì)十四五末側(cè)鉆工作量需求將達(dá)到1700口以上。連續(xù)管具有不單根、污染小等諸多優(yōu)勢，大力發(fā)展連續(xù)管鉆井技術(shù)是大勢所趨。目前，國內(nèi)有纜連續(xù)管側(cè)鉆技術(shù)還存在較大進(jìn)步空間，通過現(xiàn)場應(yīng)用，總結(jié)如下：

(1)有纜工具地面操作簡單，但若損壞，檢修麻煩，不易找到根本問題，維修周期長。

(2)有纜工具連接時(shí)間較長，每根工具入井前都需要測試，全部連接后在井口也需通電測試。

(3)有纜工具連接器可靠性較差，工具損壞次數(shù)較多，同一工具出現(xiàn)短期內(nèi)多次損壞情況。

(4)有纜工具如僅做過室內(nèi)試驗(yàn)，不能很好地適應(yīng)鉆井現(xiàn)場的實(shí)際工作環(huán)境(井下潮濕、地層環(huán)境惡劣等)。

(5)司鉆操作熟練程度會(huì)影響鉆井效率。