采用抗制動工具有效進行硬巖層鉆井

編譯:張素霞 (勝利石油管理局黃河鉆井公司)

審校:溫林榮 (勝利石油管理局鉆井工藝研究院)

采用抗制動工具有效進行硬巖層鉆井

編譯:張素霞 (勝利石油管理局黃河鉆井公司)

審校:溫林榮 (勝利石油管理局鉆井工藝研究院)

抗制動技術 (AST)是一種以實時自動調整鉆進扭矩為目的的井下機械方法。最初,由 Tomax AS研發的這種工具是用于連續管的,已證明,它除了可以提高機械鉆速和單只鉆頭進尺 (Dagestad, V2006)外,還具有成功降低振動、馬達制動、設備失效和一般磨損的能力。根據旋轉鉆井解決類似問題的需要,對該工具進行了進一步的開發,目的是消除在難鉆地層中由切削齒誘導的扭矩振動和鉆柱制動以及由此帶來的有害作用。已定型的工具尺寸范圍為63/4～81/4in。工具研制成功后,首先在試驗井上試用。除了兩次受控試驗外,共進行了25次的現場應用,應用地區主要是挪威大陸架。所用工具具有各種不同的結構特點。從理論和現場應用兩個方面詳細討論了是如何大幅降低由鉆頭誘導的扭矩波動從而提高機械鉆速,以及為了提高單趟鉆工作時間是如何避免井底鉆具組合 (BHA)損壞的。

硬巖層鉆井 PDC鉆頭AST工具 扭矩 制動

1 引言

隨著20世紀80年代鑲齒鉆頭PDC技術的引進和開發,鉆井工業對更為復雜的鉆井和地層評價系統的應用一直處于持續發展狀態,BHA中儀器部分所包含的電子元件的數量也不斷增加,這些先進的井下鉆井系統使鉆井的速度進一步加快、井眼軌跡控制更加準確、單只鉆頭進尺更高。但由于其設計復雜,它們往往由于井下振動和高能量沖擊導致早期破壞。盡管PDC鉆頭效率很高,但已證明它產生的動力和能量沖擊的程度足以使其自身、BHA中的儀器部分和鉆柱連接扣遭到破壞 (Fear, M.J.,1997)。面對這一難題,鉆井業不得不研發帶有測量和監控各種井下動力學參數的更為堅固的井下工具,從而在鉆井過程中可根據這些信息實施控制 (Robnett,E.W.,1999)。AST技術的理念是通過轉移鉆井過程的能量提供實時井下破巖過程控制,防止動力產生破壞,從而保護鉆柱部件,優化破巖效率。以現代賽車發動機技術為例,實時平衡地把能量傳輸到各個車輪可以提高整車的穩定性,從而可獲得良好的性能和耐久性。

2 AST的工作原理

AST工具包括下列機械零件 (圖1):

◇內部預壓載彈簧a;

◇帶內螺旋花鍵的工具上主體b;

◇帶外螺旋花鍵的與上主體配合的伸縮式工具下主體c;

◇上下主體之間的壓力密封d;

◇限制伸縮的止推臺階e;

◇密封底部的拋光面f。

AST工具的工作原理是,當轉矩大到足以克服預壓載彈簧的程度,將導致帶內螺旋花鍵的工具上主體在與之匹配的下主體上轉動;當上主體和下主體以這種方式上緊時,工具收縮,鉆柱變短,因此鉆頭被逐漸提離井底直至恢復到全轉速狀態;當作用于工具上的轉矩降低時,工具將相應地伸長,鉆頭就可平穩地鉆進。

圖1 原型AST工具的剖面圖

AST工具應該安置在盡量靠近鉆頭的位置,現已經做了工具安置在MWD之上和MWD之下的試驗。由于旋轉導向系統 (RSS)數據饋通的需要以及地層傳感器應靠近鉆頭的需要,常常將工具連接在MWD之上,這種配置沒有不良的情況記錄。當與擴眼器聯用時,接在擴眼器之上。

3 理論背景

抗制動技術的發展目標是找到一種預防來自鉆柱累積的過高扭轉能量的辦法,并將該能量用于切削破巖過程以降低鉆頭發生制動的風險。通過吸收高的扭轉載荷并將其用于鉆頭運動軌跡的控制, AST的研發人員聲稱,該專利技術將在三個方向減少卡-滑效應和破壞性載荷出現的幾率:

◇軸向

◇徑向

◇扭轉

3.1 軸向

軸向過載的發生通常是由與斜井和浮式鉆井裝置有關的質量傳遞問題造成的,鉆柱通常對這類載荷采取機械抵抗響應,但是軸向沖擊會給鉆頭切削齒施加過高的鉆壓并且誘發卡-滑運動,而且會導致徑向振動。研究人員聲稱,AST工具不僅可以減少軸向振動,而且能夠降低卡-滑效應,從而降低軸向上破壞性載荷的風險。

3.2 徑向

徑向力和徑向振動通常是由渦旋效應造成的,此時鉆頭圍繞井眼中心線旋轉,由此產生的振動破壞性極強,并且一旦出現就很難被吸收掉。一種好的解決辦法是將旋轉速度 (RPM)嚴格控制在鉆頭制造商規定的范圍之內。然而,在一些研磨性強、巖性變化大的難鉆地層中,由于在井下RPM產生的高強度振動下切削齒傾向于進入卡-滑狀態,在此情況下,單靠控制RPM是不夠的。研究人員聲明,AST工具可降低卡-滑效應,從而穩定旋轉速度,使消除鉆頭渦動成為可能。

3.3 扭轉

大部分的絲扣連接破壞來自鉆柱制動時出現的扭矩峰值。研究人員聲稱,AST工具將高效地限制制動和過度緊扣,具體如下:

◇鉆頭發生制動時,鉆柱中累積的扭矩將平穩地使AST工具動作,給鉆頭卸載并使鉆頭重新獲得“自由”。

◇工具收縮后,將逐漸釋放累積的扭轉能量,使轉速恢復到平穩狀態。

4 受控試驗

在一項稱為“硬巖層鉆井”的內部技術項目中,挪威作業者Statoil與AST的研發人員聯合研制了一種基于上述聲明和在火成巖中鉆深探井所需的工具以提高該過程的運行質量。121/4in(1 in= 25.4 mm)井段的工具外徑為 81/4in,內徑為21/2in。由于AST技術比較容易實現,又研制了另外的外徑為63/4in的工具以更好地提供現場試驗的靈活性。表1給出了這些原型工具的技術規范。進行了兩次受控試驗以確定工具表現與理論預期的一致性,以及工具在全尺寸現場試驗中應用的安全性。

4.1 1號試驗

在第一次受控試驗中,81/4in AST工具直接接在挪威斯塔萬格國際研究院 (IRIS)的旋轉鉆具組合的PDC鉆頭上。IRIS的Ullrig試驗鉆機將鉆的地層會產生嚴重的卡-滑并損壞PDC鉆頭,這對試驗AST比較理想。在保持鉆井參數一致的前提下使用了兩只相同的鉆頭,地層是各向同性的具有大約8%孔隙度的千枚巖,鉆井數據采用的記錄頻率為50 Hz。第一趟鉆為不帶AST工具的參考鉆,鉆壓每5 min增加一次,為了確保科學的定量比較,使地層變化的干擾達到最小化程度,鉆進的進尺保持盡量地短,參考鉆完成后,起出鉆頭并下入帶AST工具的鉆具。

表1

鉆井數據顯示,采用AST工具后扭矩波動下降非常明顯,非常接近于理論計算;同時還觀察到,在低鉆壓下鉆頭具有產生高機械鉆速的能力。試驗結束后對鉆頭進行了仔細檢查,鉆速差異的原因相當清楚:參考鉆用過的鉆頭在整個冠部都有破碎齒存在,采用AST工具的鉆頭則具有完整的切削結構。扭矩比較也顯示出很大的差異,BHA中采用AST工具的情況波動更小。圖2顯示了這些數據,圖3則給出了用過的鉆頭的照片。

4.2 2號試驗

第二次試驗是由Statoil和Norsk Hydro兩家作業公司聯合進行的,目的在于進一步確定AST工具的機械完整性和它在擴眼作業中的表現。工具直接接在擴眼器上,提供的擴眼器是三個刀片的PDC液壓擴眼工具,采用的鉆頭與1號試驗相同。鉆機、全部的試驗程序和數據采集設備也都和第一次試驗相同。在下入下一只鉆頭和AST工具之前同樣下了一趟參考鉆。

圖2

圖3

試驗證明了AST工具的機械完整性,這是試驗的主要目的。同時還發現,工具可以防止擴眼器產生波動扭矩,允許對擴眼器施加更大的鉆壓而不致使工具的扭轉振動達到臨界程度。

5 現場應用

受控試驗最終證明,抗制動技術具有預防鉆頭齒制動鉆柱的能力,從而實現能量的安全傳遞。此外,有明顯跡象支持這樣一個理論,即通過將轉動能量轉換成切削作用而實現的扭矩穩定可以改善效率,從而可望得到更佳的鉆進效果。

5.1 第一次現場試應用

在IRIS的第一次試驗完成后不久,在南Oseberg油田的 Hydro F-27井試用了一套工具,該工具作為帶PDC鉆頭的旋轉導向系統的一個部分。為進入水平段施工,同時需要用PDC擴眼器隨鉆將井眼擴大到9.5 in。地層為砂巖、頁巖和灰巖組合地層,工具入井后僅用一天時間就完成了進入水平段的作業。由于可觀的機械鉆速,作業者要求繼續使用該工具,但是,為了完成用于比較意圖并對受控試驗鉆機的數據予以確認的參考鉆,當時決定不再繼續下入該工具。盡管井深已達3 000 m,而且相對于受控試驗的直井井斜已經到了90°,但試應用結果卻在很大程度上確認了來自IRIS的發現。試用表明,當鉆具帶有AST工具時,鉆進扭矩更加平穩,機械鉆速明顯提高 (圖4)。

圖4 63/4in的AST工具在南Oseberg第一次下井試應用的數據

5.2 第二次現場試應用

基于AST工具在海洋的應用效果,Statoil要求在西Alpha半潛式鉆機施工的一口高溫高壓探井上應用該工具。普遍認為該井81/2in井段的硬地層和高溫是相當大的作業難點,出于參照目的,第一趟鉆沒有使用AST工具。本井試應用再次獲得了平穩的鉆進扭矩。在該井中,卡-滑診斷數值由MWD系統發回,由安裝在鉆臺上的顯示屏分級顯示出來:0～1級為綠色 (正常旋轉);2～4級為黃色 (扭轉振蕩);5～6級為紅色 (完全卡-滑);7級為紫色 (帶有打倒車發生的極為嚴重的卡-滑)。當帶有AST工具的鉆進開始時,卡-滑級別立刻從紅色降到了黃色,并且隨著鉆進參數的進一步控制,得到了綠色的卡-滑級別 (圖5)。該井無故障鉆達總井深,比計劃提前了25天。為了與不帶AST工具的參考鉆比較,該井取心時也帶了AST工具。基于在取心過程中顯示出的良好的扭矩穩定性,平臺取心專家推薦該井后續井段都使用該工具。

圖5 第二次現場試應用卡-滑數據

所有的試驗和現場第一次試應用均獲得了如下相同的結果:

◇鉆進扭矩穩定;

◇記錄到的井下卡-滑嚴重程度降低;

◇無過度緊扣鉆桿連接;

◇無MWD失效;

◇鉆得更快。

另外,工具的操作范圍難以適應鉆機的鉆進參數。帶組合彈簧的升級工具具有覆蓋所有載荷范圍的能力,已制造完成并投入了正常服務。Statoil是主要的用戶,挪威哈里伯頓是提供作業支持的合作方。

5.3 直井

可以觀察到,刻度盤上呈現第二次現場試應用的卡-滑讀數指示的扭轉振蕩達到黃色級別的情況經常在小斜度井內發生。對這一特殊現象的研究表明,這些井易于發生這樣的振蕩,振蕩是由鉆柱在低摩擦環境中產生的 (Richard,T2002)。由于這類振蕩能量較低,它們一般不會達到引起AST工具動作的程度。

5.4 進一步改進

得到的第一次教訓是與AST工具機械完整性有關的第7次入井發生的事件,工具在出現極度彎曲并逐漸發生疲勞破壞后,記錄到了嚴重的卡-滑。基于第二次疲勞破壞事故,制造了一套可滿足彎曲要求的新工具。還發生過壓力密封失效造成漏油和工具內部過度磨損,該問題基于密封上動載荷的現場記錄通過對密封系統的優化得到了解決。在包括兩次現場試應用的首批25次下井應用中,卡-滑均被限制在了一個較低的程度,也沒有過度緊扣的情況發生。總而言之,已經證明,AST工具具有提高難鉆地層鉆柱壽命的能力,它已應用于不同尺寸的井眼、不同的工具組合和不同的鉆具組合之中。可以設想,隨著對工具工作機理認識和每次特定應用效果的提高,AST技術提供給油田作業者的價值也將提高,圖6給出了以第二次試應用為計量標準的前25次現場應用過程中記錄到的卡-滑程度。

圖6 應用AST技術的前25次鉆井結果

資料來源于美國《IADC/SPE 111874》

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.6.012

2009-03-19)