泥漿動力旋轉導向鉆井工具原理及壓降計算

李峰飛,蔣世全,李漢興,周建良,李迅科

(中海油研究總院,北京100027)

泥漿動力旋轉導向鉆井工具原理及壓降計算

李峰飛,蔣世全,李漢興,周建良,李迅科

(中海油研究總院,北京100027)

旋轉導向鉆井工具的動力來源主要有電池、泥漿動力、渦輪發電機。由中海油研究總院牽頭研制的旋轉導向鉆井工具是以泥漿動力為導向動力來源,通過井底鉆柱內外泥漿壓差驅動3個導向翼肋的伸縮,控制鉆頭沿目標軌跡鉆進。分析了流量、鉆頭噴嘴組合、泥漿性能等參數對該壓差的影響。現場試驗結果證明了理論計算的正確性,為研制該類工具提供了理論基礎。

旋轉導向鉆井;工具;泥漿動力;壓差

旋轉導向系統(RSS:Rotary Steerable System)完全拋開了傳統的滑動導向方式,在鉆柱旋轉的狀態下自動、連續、靈活地調整井斜和方位,大幅提高了鉆井速度和安全性,井眼軌跡的控制精度高,在世界范圍內的許多現場應用中都產生了巨大的經濟效益。20世紀90年代初,國外開始研究旋轉導向鉆井技術,到20世紀90年代中期,已有美、英、德、意、日5個國家的8家大公司掌握并壟斷了其工程應用和商業化技術服務市場。這項技術總體上仍處于快速發展之中,國際競爭十分激烈。它的先進性、優越性、方向性足以表明它是當今世界鉆井技術的重大革命。國外較成熟的旋轉導向工具還是以BakerHughes的Auto Trak系列、Schlumberger公司的Power Drive系列、Sperry Sun公司的GeoPilot系列最具代表性。國內以中海油研究總院為代表的多家單位展開了旋轉導向的相關研究,研制出了原理樣機,目前正向工程化應用邁進[1～3]。

投入商業應用的旋轉導向工具其導向動力來源主要有3類:泥漿動力(以Power Drive系列為例)、發電機(以Auto Trak系統為例)、電池(以Geo-Pilot系列為例)[4～7]。中海油研究總院與西安石油大學等單位聯合研制的旋轉導向鉆井工具也依靠泥漿動力作為導向動力的來源,對于泥漿動力性能的分析關系到旋轉導向工具是否能夠完成導向鉆進能力。本文以泥漿動力的旋轉導向工具為例,對其動力特性進行分析和研究。

1 泥漿動力旋轉導向基本原理

中海油研究總院研制的旋轉導向工具主要通過不旋轉套上3個均布翼肋的伸出和收回形成偏心,從而形成導向能力[8]。3個翼肋的伸出和收回主要通過液壓系統實現,但液壓系統的動力來源并非液壓泵,而是鉆井循環系統中導向工具內外的泥漿壓力差。其中,單個翼肋控制具體由定位總成實現,原理框圖如圖1所示。

圖1 定位總成原理框圖

定位總成是旋轉導向鉆井工具翼肋動作的控制機構,其主要由機械系統、液壓系統和測控系統3部分組成,基本原理如圖1所示。其中,液壓系統主要包括油缸、隔離膜、定位缸、平衡油囊、單向閥等;測控系統主要包括2個電磁閥、1個位移傳感器、1個壓力傳感器和MCU控制單元。由此可知,定位總成液壓系統中并不包含傳統液壓系統中的動力源,在本系統中定位缸活塞桿動作主要通過鉆柱內外泥漿所形成的壓力差來驅動,定位缸活塞桿具體的伸出、收回、鎖定等動作則主要是依靠測控系統來控制實現。其具體工作過程是:

1) 翼肋伸出 當需要翼肋伸出時,1#電磁閥打開,2#電磁閥關閉,液壓油在鉆柱內高壓泥漿作用下,在定位缸處形成差動液壓系統,推動活塞桿向外伸出,推動翼肋伸出。同時測控系統實時監測活塞桿的伸出情況,當達到預定位置后,則關閉1#電磁閥,完成翼肋的伸出動作。

2) 翼肋收回 當需要翼肋收回時,1#電磁閥關閉,2#電磁閥打開,液壓油在鉆柱內高壓泥漿的作用下流向定位缸背壓腔,正壓腔液壓油則通過2#電磁閥流向平衡油囊,驅動活塞桿復位,拉動翼肋收回。同樣測控系統在控制2#電磁閥打開的同時通過位移傳感器實時監測活塞桿的收回情況,當活塞桿收回至預定位置后則關閉2#電磁閥。

3) 翼肋位置鎖定 當1#、2#電磁閥均關閉時,由于液壓油無法形成回路則鎖定活塞位置,進而鎖定翼肋伸出位置。

4) 回油 由圖1可知,在工作過程中液壓油并未返回油缸,除液壓系統中需要外,部分液壓油流向了平衡油囊。當系統多次伸、縮翼肋后,可能導致液壓系統中無液壓油的情況出現,為避免該情況出現,需要在系統完成一定伸縮次數后實現液壓油的回油。當泥漿泵停止工作后,由于鉆柱內外壓差的消失,液壓油在平衡油囊的擠壓下則通過單向閥流回油缸。

由此可見,泥漿旋轉導向鉆井工具導向的動力來源為鉆柱內外泥漿壓差,如果需要形成導向能力,則首先需要在定位總成內外形成一定的壓差。

2 泥漿動力來源壓差計算

為保證旋轉導向鉆井工具翼肋伸出、收回等動作正常,則需要保證在井底定位總成內外形成一定的泥漿壓差。對于鉆井系統而言,其鉆柱內外壓差主要是由于泥漿的流動所造成的,針對在研旋轉導向鉆井系統構建其泥漿循環系統,如圖2。

圖2 旋轉導向鉆井系統泥漿循環流程

由圖2知,假設旋轉導向鉆井系統(RSS)正常工作時內壓為pin,外壓為pout,則有如下關系:

式中:ph,pbit,pa分別是泥漿在節流環、鉆頭及環空中的壓力損耗。

旋轉導向工具所需要的內外壓差:

也即旋轉導向工具正常工作所需要的動力來源主要取決于鉆頭及內置節流環的壓力損耗。因此對于該兩部分的計算則對旋轉導向鉆井工具的現場試驗有重要參考和借鑒價值。

2.1 節流環壓降計算

為保證導向工具有足夠壓降,在旋轉導向工具內部設置了節流環以提高壓降,增加整個工具的驅動能力,節流環結構如圖3所示。噴嘴是長度不大于直徑2～3倍的短管道。由此可以將其等效為噴嘴進行計算。根據其結構特性選取收縮系數Cc=1,流速系數Cv=0.98[9]。由理想流體能量方程,得:

假設系統泥漿流量為Q,由連續方程,則:

式中:ρ為泥漿的密度;g為重力加速度;A1、A2表示截面1和截面2的過流面積;p1、p2,Z1、Z2,V1、V2,分別代表泥漿在截面1和截面2處的壓力、高度、實際流速;V2i表示無水頭損失時的理想流速。

對于V2i和和V2有如下關系:

忽略高度影響,聯合式(4)～(6),化簡后可得:

將已知的流速系數及截面積帶入上式,則通過節流環的壓降Δp丁有如下關系:

圖3 節流環結構

2.2 鉆頭壓降計算[10～11]

對于鉆頭,其壓降計算和節流環相似。在實際工程應用中一般先計算其等效當量直徑,然后將其等效為當量直徑大小的噴嘴進行計算。假設噴嘴直徑分別為d1、d2、d3、d4、d5,當量截面積為A,當量直徑為d,則:

因鉆頭入口直徑相對較大,在實際工程應用中一般采用下式進行鉆頭壓降計算。

工程中選取流速系數Cv=0.98,帶入式(1)化簡后得:

3 現場壓降計算及試驗

2012-03,研制的旋轉導向鉆井工具在天津塘沽鉆采基地進行試驗,對旋轉導向泥漿動力進行分析。為保證導向工具翼肋正常伸出導向,要求泥漿泵沖次為90 min-1時,在井底旋轉導向工具內外產生不少于6 MPa的壓差。

泥漿泵采用NB-1600F型泥漿泵,缸套直徑170 mm,泥漿泵沖次及流量對應關系如表1所示。

表1 試驗用泥漿泵沖次及流量關系

經實際測定,泥漿密度1.08 g/cm3,黏度0.0031 Pa·s;使用215.9 mm(82英寸)PDC鉆頭。經初步計算選用噴嘴組合:4個9.52 mm和1個7.94 mm。

3.1 節流環及鉆頭壓降計算

3.1.1 節流環壓降計算

按照當前試驗條件完成了不同泵沖次下節流環的壓降計算,結果如表2所示。

表2 節流環壓降計算結果

3.1.2 鉆頭壓降計算

由試驗鉆頭水眼組合,根據式(8)計算其當量直徑d=20.64 mm,按照當前試驗條件完成了不同泵沖次下鉆頭的壓降計算,結果如表3所示。

表3 鉆頭壓降計算結果

由表1及表2數據,得鉆頭及節流環累計壓降數據如表4所示。

表4 累計壓降計算結果

由計算可知,在當前水眼組合下泥漿在31.13 L/s時,在鉆頭及節流環可以達到約8.6 MPa的壓差,完全滿足旋轉導向實際工作需要。

3.2 鉆頭壓降試驗

為對計算結果進行驗證,同時也保證在實際工作中導向工具內外所能形成的壓差達到工作需要,在試驗現場對鉆具進行了實際的壓降測試。具體試驗條件如下:

鉆具組合:215.9 mm PDC+RSS+Flex+1根127 mm鉆桿。

在井口通過調整不同的泥漿泵沖次,旋轉導向工具記錄試驗過程中內外壓力的大小,試驗結束后提取旋轉導向工具內部數據計算為內外壓差,具體數據如表5所示。

表5 試驗結果

繪制計算壓降及實測壓降曲線,如圖4所示,可知,理論計算壓降和實測壓降有很好的吻合度,能反映現場實際工況。

圖4 壓降計算數據及試驗數據對比

4 結論

1) 分析了基于泥漿動力的旋轉導向鉆井工具導向翼肋的工作原理,并理論計算了導向工具的動力特性。

2) 基于泥漿動力的旋轉導向工具,其自身動力來源主要是工具內外的泥漿壓差,該壓差將主要由導向工具自帶節流環和鉆頭壓降兩部分組成。

3) 影響旋轉導向鉆井工具動力的主要因素為鉆頭和水眼的過流面積,以及系統泥漿循環流量。

4) 理論計算的壓降基本和現場試驗數據吻合,可為旋轉導向現場試驗的節流環設計、噴嘴選擇以及流量大小提供參考和指導。

5) 經多次現場試驗,所提供噴嘴組合、節流環均能滿足旋轉導向翼肋動作需要,各項工作正常。

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Analysis on Dynamic Characteristics of Mud-Powered Rotary Steerable Drilling Tool

LI Feng-fei,JIANG Shi-quan,LI Han-xing,ZHOU Jian-liang,LI Xun-ke
(CNOOC Research Institute,Beijing 100027,China)

Now,the mainly power of the rotary steerable drilling tools that had commercial applied were:battery,mud power,turbine generators,etc.The rotary steering drilling tool that was developed by CNOOC Research Institute was powered by the drilling mud.It could control the well trajectory by the three pads’hold in and out that would get the bit depart from the axes of the well,and then realized the orient drilling.Then,the effect of flow and characteristics of the mud,and the effect of nozzle combination of the bit were analyzed,and a reference to the tool’s field test was provided.The results of the field test proved the correctness of the theoretical calculation,and this study would provide theory basis for the development of the mud-powered rotary steerable drilling tools.

rotary navigational drilling;tool;mud-powered;differential pressure

TE921.201

A

1001-3482(2014)02-0043-05

2013-09-11

國家高技術研究發展計劃(863計劃):旋轉導向鉆井系統工程化技術研究(2007AA090801)

李峰飛(1983-),男,河南嵩縣人,工程師,博士,2010年畢業于中國地質大學(武漢)鉆井工程專業,主要從事鉆完井相關研究工作,E-mail:liff2@cnooc.com.cn。