許朝輝,范進朝,房 超,林子力,田家林

(1.中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司 鉆井工藝研究所,北京 102206;2.油氣鉆完井技術(shù)國家工程研究中心,北京 102206; 3.西南石油大學(xué) 機電工程學(xué)院,成都,610500)

隨著油田開發(fā)難度的日益加大和鉆井技術(shù)的快速發(fā)展,利用定向井來進行油田勘探開發(fā)已經(jīng)成為一種趨勢。油氣開發(fā)逐漸轉(zhuǎn)向更深地層,導(dǎo)致開采難度加大,這對于鉆井技術(shù)提出更高要求[1-2]。特別是在四川油氣田開發(fā)作業(yè)過程中,鉆井深度更大,并且油氣儲層較分散,因此研究出更加穩(wěn)定可靠和精準(zhǔn)度更高的鉆井技術(shù)極其重要[3]。在鉆探過程中,使用傾斜度和方位角來描述井眼軌跡,但在實際鉆進過程中,會出現(xiàn)非期望的撓度,這會導(dǎo)致井眼軌跡偏離預(yù)定方向?，F(xiàn)有的定向鉆井技術(shù)分為彎螺桿定向和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)。彎螺桿定向成本較低,但鉆柱拖壓嚴(yán)重,鉆井效率和機械鉆速低,井眼軌跡不易控制,鉆屑堆積不易排出[4-5]。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)自1955年問世以來研究不斷深入。2015年,Schlumberger公司研發(fā)出全球首款能夠在200 °C高溫環(huán)境下實現(xiàn)正常導(dǎo)向鉆進的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)——超高溫PowerDrive ICE旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)[6]。2016年,Halliburton公司研發(fā)出GeoPilot Duro旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)[7],該系統(tǒng)利用偏心裝置導(dǎo)致鉆頭的驅(qū)動軸彎曲,進而調(diào)控鉆頭的鉆進方向。APS Technology公司研制出SureSteer-RSS475推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)[8],能夠通過調(diào)控泵速實現(xiàn)該導(dǎo)向系統(tǒng)不同工作模式的切換和停止導(dǎo)向作業(yè)。國內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)研發(fā)最開始于20世紀(jì)90年代,蘇義腦院士[9]及其科研技術(shù)團隊經(jīng)過多年的不懈努力,成功研究出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的CGDS-1型近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)。近年來,中海油集團[10]開發(fā)出Welleader旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)和Drilog隨鉆測井系統(tǒng),該導(dǎo)向系統(tǒng)符合油氣開采鉆井作業(yè)要求,可以有效地滿足在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井作業(yè)過程中的井眼軌跡控制和測井需求,此外,該系統(tǒng)還兼具能夠顯著提速的優(yōu)點。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向采用旋轉(zhuǎn)鉆進,鉆井效率大幅提高[11-12],但制造、使用、維護成本過高,如遇卡鉆,被埋風(fēng)險高,經(jīng)濟損失大[13-14]。因此,綜合彎螺桿定向的低成本以及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向高效率的特點,本文提出一種定向井液力耦合鉆井工具,實現(xiàn)對井眼軌跡的控制。該工具通過液力產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,平衡下部螺桿鉆具傳遞的反轉(zhuǎn)矩,定向鉆進時,鉆柱可以全程旋轉(zhuǎn),減小水平段摩阻,從而減少拖壓現(xiàn)象。該工具可提高定向井鉆井效率,降低鉆井成本。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 工具結(jié)構(gòu)

液力耦合鉆井工具主要由動力總成和耦合總成兩部分組成,如圖1所示。動力總成主要由驅(qū)動軸、TC軸承、串軸承組、內(nèi)部轉(zhuǎn)換接頭、萬向軸等組成,動力總成連接上部鉆桿,用于將上部鉆桿的轉(zhuǎn)動傳遞至下方耦合總成。

1-驅(qū)動軸;2-TC軸承;3-串軸承組;4-內(nèi)部轉(zhuǎn)換接頭;5-萬向軸;6-萬向軸殼體;7-流道轉(zhuǎn)換接頭;8-上連接軸;9-馬達;10-下連接外殼;11-壓差控制器;12-下芯軸。圖1 液力耦合鉆井工具結(jié)構(gòu)示意圖

耦合總成連接在動力總成下端,在下連接外殼,主要由馬達、壓差控制器、下芯軸組成,壓差控制器內(nèi)部安裝壓力噴嘴,如圖2所示。動力總成將鉆桿的轉(zhuǎn)動傳遞至耦合總成的馬達轉(zhuǎn)子,帶動馬達轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中部分鉆井液進入定轉(zhuǎn)子環(huán)空,在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中升壓,升壓后的鉆井液經(jīng)壓差控制器后到達耦合總成出口與下連接外殼的鉆井液重新匯合。

1-馬達;2-壓差控制器;3-下芯軸。圖2 耦合總成示意圖

液力耦合鉆井工具是在常規(guī)螺桿鉆具基礎(chǔ)上的創(chuàng)新,無論是在復(fù)合鉆進階段還是在定向鉆進階段,都能確保液力耦合鉆井工具之上的鉆桿連續(xù)旋轉(zhuǎn),有效地解決了傳統(tǒng)滑動定向鉆井過程中由于摩阻過大導(dǎo)致的托壓等問題,能夠有效節(jié)省鉆井時間并提升水平段長度。同時無需附加另外的電子裝置,相較于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具能夠有效降低成本且操作簡單。在作業(yè)過程中,定向井工程師僅通過控制頂驅(qū)轉(zhuǎn)速和螺桿工作壓差,以使液力耦合鉆井工具平穩(wěn)控制定向鉆進時的定向工具面。

1.2 工作原理

當(dāng)上部鉆具以某一轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動時,會有一定量的泥漿通過驅(qū)動軸空腔到達轉(zhuǎn)子上端被吸入轉(zhuǎn)子和定子間的密封腔,通過壓差控制器后與耦合單元和下連接外殼環(huán)空的泥漿匯流。從而在液力耦合鉆井工具的動力端和泥漿匯合短節(jié)之間產(chǎn)生一定的壓差。該壓差可因上部鉆具的轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,這個驅(qū)動轉(zhuǎn)矩用以平衡下部螺桿鉆具鉆進的反轉(zhuǎn)矩。當(dāng)液力耦合器產(chǎn)生的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩大于下部鉆具傳遞的反轉(zhuǎn)矩與摩擦轉(zhuǎn)矩之和時,工具與下部鉆具組合一起旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆進,此時為“合”狀態(tài),井眼軌跡為線性段。當(dāng)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩等于或略小于反轉(zhuǎn)矩與摩擦轉(zhuǎn)矩之和時,工具殼體與下部鉆具保持相對靜止,實現(xiàn)定向鉆進,工具面穩(wěn)定,此時為“離”狀態(tài),井眼軌跡為非線性段。

液力耦合鉆井工具產(chǎn)生的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩等于下部螺桿鉆具反轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)速稱為靜態(tài)驅(qū)動速度。不同的地層,鉆井液產(chǎn)生的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩不同,可在地面選好壓差控制器的壓力噴嘴以產(chǎn)生期望的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,從而設(shè)置靜態(tài)驅(qū)動速度。

液力耦合工具工作時,螺桿部分起泵的作用。由于兩端壓差,螺桿部分會產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。半周期內(nèi)轉(zhuǎn)子中心的受力示意圖如圖3所示。轉(zhuǎn)矩差為:

(1)

式中:M1為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,kN·m;Δp為泵進出口壓差,Pa;e為轉(zhuǎn)子偏心距,mm;D為轉(zhuǎn)子直徑,m;α為轉(zhuǎn)子受力與偏心距e間的角度,(°);Llst為定子長度,mm。

圖3 液力耦合鉆井工具結(jié)構(gòu)示意圖

為了得到整個周期長度的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,對式(1)從0到π積分,則:

(2)

求解式(2)可得:

(3)

其中:4eDLlst為每轉(zhuǎn)的排量q,又q=8eDT,則驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為:

(4)

式中:T為定子導(dǎo)程,m。

螺桿部分定轉(zhuǎn)子為過盈配合,摩擦力作用在轉(zhuǎn)子上會造成一定的摩擦轉(zhuǎn)矩,根據(jù)作用力與反作用力,定子會受到同值反向的轉(zhuǎn)矩。定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦轉(zhuǎn)矩為[15-16]:

Mb=91.3δ+n0.45+46.5

(5)

式中:Mb為摩擦扭矩,kN·m;n為鉆柱轉(zhuǎn)速,r/min;δ為定轉(zhuǎn)子之間的初始過盈值,mm。

根據(jù)以上分析,當(dāng)轉(zhuǎn)子以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),并通過高壓泥漿時,轉(zhuǎn)子會對定子施加一定的轉(zhuǎn)矩。則驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與摩擦轉(zhuǎn)矩的矢量和為工具總驅(qū)動轉(zhuǎn)矩:

M=Mb+M1

(6)

2 關(guān)鍵部件強度分析

使用有限元仿真軟件ABAQUS對液力耦合鉆井工具的關(guān)鍵零件進行強度校核仿真分析。運用Solidworks繪制三維模型并形成裝配體,然后將分析對象分別導(dǎo)入ABAQUS軟件中,設(shè)置對應(yīng)工況下的邊界條件,添加對應(yīng)的驅(qū)動載荷和邊界條件,利用軟件的計算功能對該工具進行仿真分析。

在仿真時,液力耦合鉆井工具的關(guān)鍵零件采用42CrMo材料,主要邊界條件參數(shù)如表1所示。

表1 主要邊界條件參數(shù)

串軸承的滾球材料選用55SiMoVA,串軸承的內(nèi)圈和外圈材料使用10CrNi3Mo,串軸承內(nèi)、外圈滾道的截面為桃型,軸系零件材料在材料庫中選擇Steel中的42CrMo[17-18]。材料力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

表2 材料的力學(xué)性能參數(shù)

在導(dǎo)入模型后,根據(jù)實際工況,對液力耦合器關(guān)鍵零件施加對應(yīng)的邊界條件和載荷,對軸系零件的一段施加固定約束,對另一端施加鉆壓和轉(zhuǎn)矩,選擇集中力和彎矩。部分模型網(wǎng)格圖如圖4～5所示。

圖4 驅(qū)動軸網(wǎng)格模型

圖5 串軸承網(wǎng)格劃分

經(jīng)過有限元軟件計算仿真可得,串軸承的整體應(yīng)力云圖如圖6所示。由圖6可得,整個串軸承最大等效應(yīng)力為353.72 MPa。

圖6 串軸承應(yīng)力云圖

圖7為串軸承上下排滾球等效應(yīng)力云圖,設(shè)上排為第1層,下排為第2層。 從圖7a和圖7b可以發(fā)現(xiàn),串軸承的第1層最大等效應(yīng)力為109 MPa,第2層最大等效應(yīng)力為222.46 MPa。

圖7 串軸承滾球應(yīng)力云圖

圖8為串軸承內(nèi)外圈應(yīng)力云圖,觀察可得,內(nèi)外環(huán)應(yīng)力最大發(fā)生在與滾球接觸的點,串軸承上內(nèi)圈的最大等效應(yīng)力為353.72 MPa,遠(yuǎn)小于內(nèi)外圈材料的強度,滿足強度要求,串軸承中間內(nèi)圈的最大等效應(yīng)力最小,上內(nèi)圈和下外圈的應(yīng)力相對其他部件較大,中間內(nèi)外圈的應(yīng)力較小。

圖8 串軸承全部內(nèi)外圈應(yīng)力云圖

圖9為驅(qū)動軸應(yīng)力云圖,觀察可得,應(yīng)力最大發(fā)生在退刀槽處,最大等效應(yīng)力353.8 MPa,遠(yuǎn)小驅(qū)動軸材料的強度,其余部分應(yīng)力在29.49 ～206.4 MPa,故驅(qū)動軸滿足強度要求。

圖9 驅(qū)動軸應(yīng)力云圖

圖10為下芯軸應(yīng)力云圖,觀察可得,最大等效應(yīng)力262.5 MPa,下芯軸應(yīng)力分布較均勻且下芯軸下部應(yīng)力集中分布在43.75 MPa。這是由于液力耦合器鉆壓和扭矩均靠外殼傳遞,下芯軸處近乎空載,所以應(yīng)力較小。最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的強度,下芯軸滿足強度要求。

圖10 下芯軸應(yīng)力云圖

圖11為上連接軸應(yīng)力云圖,觀察可得,應(yīng)力最大發(fā)生在與轉(zhuǎn)子連接處,最大等效應(yīng)力551.0 MPa,上連接軸中間區(qū)域應(yīng)力分布為45.92 ～91 MPa。下部應(yīng)力與上部相差不大。這是由于上連接軸上部與轉(zhuǎn)子連接,承受壓力及扭矩較大,下部與耐磨套旋轉(zhuǎn),存在摩擦扭矩,故兩端應(yīng)力較大,但最大應(yīng)力小于上連接軸材料的強度,故上連接軸滿足強度要求。

圖11 上連接軸應(yīng)力云圖

圖12為萬向軸殼體應(yīng)力云圖,萬向軸殼體為液力耦合器較薄殼體。觀察可得,應(yīng)力最大發(fā)生在公扣螺紋處,最大等效應(yīng)力250.3 MPa,萬向軸殼體需要傳遞鉆壓與扭矩,應(yīng)力分布在83.33 ～157.6 MPa,遠(yuǎn)小于萬向軸殼體材料的強度,故萬向軸殼體滿足強度要求。

圖12 萬向軸殼體應(yīng)力云圖

3 室內(nèi)試驗

為驗證定向井液力耦合鉆井工具的性能,開發(fā)了針對性的綜合測試臺架。綜合測試臺架主要包括:水箱、柱塞泵、驅(qū)動電機、磁粉制動器、流量計、進出口壓力傳感器、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和功率傳感器等部分,如圖13～14所示。

圖13 定向井液力耦合鉆井工具的綜合測試系統(tǒng)原理

圖14 綜合測試試驗臺架

測試過程中首先將液力耦合鉆井工具安裝至綜合測試臺架,其上端與驅(qū)動電機連接,尾端與磁粉制動器連接。試驗過程中設(shè)定磁粉制動器的制動轉(zhuǎn)矩,啟動柱塞泵建立流體循環(huán),通過流量計和進出口壓力傳感器分別監(jiān)測試驗過程中的流量和進出口壓力。驅(qū)動電機帶動耦合鉆井工具的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),調(diào)整驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速,記錄不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下液力耦合鉆井工具的輸出轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。設(shè)定柱塞泵的流量為30 L/s,試驗得到的輸出轉(zhuǎn)矩如圖15所示。結(jié)果顯示輸出轉(zhuǎn)矩隨定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差增加而增大,驗證了液力耦合鉆井工具的工作原理正確。后續(xù)將開展現(xiàn)場試驗。

圖15 液力耦合工具輸出轉(zhuǎn)矩與定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差關(guān)系曲線

4 結(jié)論

1) 研發(fā)了一種新型定向井液力耦合鉆井工具。介紹了該工具的工作原理,并提出了其輸出轉(zhuǎn)矩計算模型。該工具實現(xiàn)了定向鉆進過程中上方鉆柱持續(xù)旋轉(zhuǎn),能夠有效降低托壓對定向鉆進效率的影響。

2) 使用有限元軟件完成了關(guān)鍵零件的強度分析,計算結(jié)果表明,液力耦合鉆井工具的各關(guān)鍵零部件的強度均滿足設(shè)計要求。

3) 開發(fā)了綜合測試試驗臺架,該臺架能夠滿足液力耦合鉆井工具的室內(nèi)試驗測試要求。室內(nèi)試驗測試結(jié)果顯示增加定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速差能夠增加液力耦合鉆井工具的輸出轉(zhuǎn)矩。