孔令滬 ,程林 ,王克虎 ,滿國祥 ,朱立強

(1.河北省地礦局國土資源勘查中心,石家莊 050081;2.河北石探機械制造有限責任公司,石家莊 050081)

0 引言

通用采用柔性鉆具與常規(guī)鉆井設備相結合的方式實現超短半徑側鉆水平井,柔性鉆具由數十或數百節(jié)活動短節(jié)連接組成,單節(jié)鉆具長0.15～0.20 m,每節(jié)可彎曲3°～5°。活動短節(jié)的可靠性直接關系到該項技術的成敗,常規(guī)柔性鉆具采用的虎克十字萬向節(jié)存在傳動過程中不等速、造斜成功率低、承扭能力差、無法重復利用、使用成本高等問題,因此一直未能實現大范圍應用。

采用柔性鉆具進行超短半徑定向鉆井可解決“三低一高”的油氣田開采難題,也可解決礦山止水成本高、效果差等徑向井施工難題,但柔性鉆桿強度低、使用壽命短的缺點卻嚴重制約柔性鉆桿的應用領域和應用范圍。研究高強度柔性鉆桿,提升柔性鉆_桿抗拉、抗扭強度及耐磨性,提高柔性鉆桿使用壽命,才能使柔性鉆桿應用更廣泛,為礦產資源開采發(fā)揮更大作用。

1 應用現狀

老油田往往面臨單井產量低、井網能量下降快、開采率低等問題,超短半徑側鉆水平井技術用最小的投資成本,直接連通剩余油富集區(qū)域,在解決近井污染問題的同時,增大泄流面積,增加滲流通道,動用非主力油層,從而大幅提高單井產量,實現老油田的高效開發(fā)。老井開發(fā)中,通常使用注水的方式補充地層能量,但隨著注水深度增加,注水壓力升高,水體波及面減小,形成無效注水。超短半徑側鉆水平井技術可以精確定位注水方向,精準注水,減小注水壓力,擴大波及面。此外,在油井開發(fā)生產過程中,由于井下各種復雜因素造成油層附近套管變形或錯斷損壞,致使油井長?；蛘邎髲U,超短半徑側鉆水平井技術利用其超短半徑的特點,定向側鉆,溝通油層,快速恢復套損井產能。

在超薄、低滲油藏的開發(fā)中,往往采用水平井組的方式開發(fā),投資大、收效低,很難實現油藏的高效開采。使用超短半徑側鉆水平井技術可以在同一層位布置多個滲流孔道,在相同投資金額條件下,將滲流孔道和泄流面積成倍增加。除了超薄低滲油藏,在邊底水活躍油藏的開采中,超短半徑側鉆水平井技術增大滲流通道,降低流體運動速度,有效抑制底水錐進,提高油藏采收率。埋藏深度在地表以下200～400 m 的油藏稱作超淺層油藏,淺層油藏往往稠度大,使用常規(guī)技術開采困難,超短半徑側鉆水平井技術可以在油層直接開窗、側鉆,并使水平分支井眼在油層中穿行,實現增產的目的。固體礦山開采前的止水作業(yè)是保障礦山安全生產的必要前提,采用超短半徑側鉆水平井技術可降低止水井施工密度、提高止水效果、縮短作業(yè)時間,減少施工成本。

超短半徑側鉆水平井技術由于其超短距離側鉆優(yōu)點,應用領域日趨廣泛,在煤層氣、頁巖氣等鉆井以及油田注水井中均有應用。

2 柔性鉆桿設計

超短半徑側鉆水平井技術是采用由柔性鉆桿(圖1)與側鉆單牙輪鉆頭(圖2)組合成柔性鉆具,配合定向裝置,進行超短距離側鉆水平井施工的技術方法。在研究中,我們深入剖析常規(guī)柔性鉆具的“致命傷”,創(chuàng)新設計了傳動銷柔性傳動結構,從原理和機械結構上解決了原有虎克十字萬向節(jié)鉆桿存在的彎曲傳動不等速的致命缺陷,避免了鉆具末端周期性劇烈振動產生的疲勞破壞,不僅將最大承受扭距由10 k N·m 提升至15 k N·m,還將單節(jié)鉆桿零部件數量由9件減少為4件,鉆具的使用壽命也得到了顯著提升。

圖1 柔性鉆桿Fig.1 Flexible drill pipe

圖2 側鉆單牙輪鉆頭Fig.2 Single cone bit for sidetracking drilling

2.1 結構設計

柔性鉆桿主要由柔性傳動系統(tǒng)和高壓傳輸系統(tǒng)兩部分組成,其結構示意圖如圖3所示。高壓傳輸系統(tǒng)包括塞管、錐套、漲緊套、高壓膠管等部分,塞管、錐套、漲緊套主要起保證高壓膠管的固定及連接時的密封作用,便于高壓膠管更好發(fā)揮其傳輸功能。

圖3 柔性鉆桿結構圖Fig.3 Structural drawing of flexible drill pipe

柔性傳動系統(tǒng)各單節(jié)之間通過球節(jié)和連接軸由特殊螺紋組成剛性連接。每個單節(jié)包括連接軸、球節(jié)、鎖緊球套、傳動銷4部分,其中連接軸和鎖緊球套以及鎖緊球套和傳動銷之間也是通過特殊螺紋剛性連接,連接軸、傳動銷和球節(jié)的連接均為柔性連接。柔性傳動系統(tǒng)是保證柔性鉆桿實現高強度和傳遞扭矩的關鍵部分,其技術參數如表1所示。柔性鉆桿在起下鉆時受拉伸,造斜段只承受扭矩,水平鉆進時承受鉆桿軸向力和扭矩同時作用。設計中采用傳動銷柔性傳動結構,并且單節(jié)柔性鉆桿在任意方向上最大彎曲度不小于3°,在鉆進過程中,既能傳遞扭矩和鉆壓,又能滿足柔性鉆桿曲率半徑要求。

表1 柔性鉆桿參數Table 1 The parameter of flexible drill pipe

2.2 關鍵零部件的優(yōu)化設計

試制過程中發(fā)現柔性鉆桿單節(jié)在扭矩試驗臺上測試扭矩達到13～14 k N·m 時,球節(jié)會發(fā)生轉動不靈活現象。分析其原因,雖然傳動銷采用柱形頭,強度高、傳遞扭矩大,但受強力后,柱形頭與球頭凹槽之間會因為受力不均勻而發(fā)生變形,導致球頭轉動不靈活。為解決這個問題,最終采用了將傳動銷改為球形頭,與之相配合的球頭凹槽也改為球形,同時,為了保證強度及傳遞的扭矩,采取了增大傳動銷外形尺寸以及增加傳動銷數量相結合的方法。

3 實際應用及改進優(yōu)化

120型高強度柔性鉆桿在河北省邢臺市某鐵礦止水井施工中應用,采用超短半徑側鉆水平井工藝,成功實現一井多分支,擴大了單井的止水范圍、提升了止水效果,并可減少鉆孔數量80%以上,實現了高效、經濟鉆井。

試驗井深度200 m,井孔直徑216 mm,在鉆孔195～198 m 段實施4口超短半徑側鉆水平井,鉆孔直井段采用常規(guī),鉆至200 m 后下入直徑178 mm技術套管,下入定向裝置,采用143 mm 側鉆單牙輪鉆頭連接120型高輕度柔性鉆桿進行超短半徑側鉆水平井施工,水平井段進尺3 m,徑向均布4口側鉆水平井,成井后進行注漿止水試驗,止水范圍較常規(guī)直井增加300%。

在提鉆后發(fā)現柔性鉆桿各別短節(jié)上的傳動銷螺紋有松動現象,經分析為鉆井過程中的高扭矩及沖擊載荷造成的,長時間使用有傳動銷脫落的風險。給轉動銷增加防脫設計,在傳動銷孔增加了卡簧防脫結構,解決了脫落風險,經下井試驗該裝置安全可靠。結構示意圖見圖4。

圖4 柔性鉆桿改進后結構Fig.4 Improved structure of flexible drill pipe

4 結語

通過優(yōu)化設計開發(fā)的高強度柔性鉆桿解決了原結構柔性鉆桿強度低、使用壽命短、使用成本高的問題,使其不再是超短半徑水平井施工工藝推廣的制約因素。將超短半徑水平井施工工藝從最早的油氣井開采和注水井施工,擴展到煤層氣和頁巖氣開采,固體礦止水等領域,隨著鉆具的成熟,該工藝必將在礦產資源開發(fā)中發(fā)揮更大作用。