大位移井減摩減扭工具的優(yōu)化與應(yīng)用

劉 俊，張 衡，羅小兵

（渤海石油裝備（天津）新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

當(dāng)前，為實(shí)現(xiàn)油田增產(chǎn)，大位移井的數(shù)量越來越多。大位移井具有井斜角大、井段長等基本特點(diǎn)，但由此引發(fā)的重力效應(yīng)造成套管與井下鉆柱受到很大的軸向摩擦力和摩擦扭矩，導(dǎo)致送鉆困難、頂驅(qū)能力超限、鉆柱和套管磨損嚴(yán)重等問題。引發(fā)的嚴(yán)重后果表現(xiàn)為：套管被擠毀、井眼報(bào)廢或局部井段報(bào)廢。這不僅造成經(jīng)濟(jì)損失，更直接影響正常的鉆進(jìn)和完井作業(yè)。

為減少此類事故發(fā)生，在大位移鉆井中，采用減摩減扭工具，在鉆具組合與套管之間形成支撐，減少鉆具組合與套管的接觸面積，減少摩擦，降低了鉆進(jìn)扭矩。但減摩減扭工具在大位移鉆井應(yīng)用中，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與鉆具組合設(shè)計(jì)直接影響工具的作用，因此，工具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)完善研究十分必要。本文主要闡述目前普遍使用的減摩減扭工具在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化與應(yīng)用上的改善提高。

1 減摩減扭工具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 優(yōu)化前減摩減扭工具結(jié)構(gòu)

優(yōu)化前減摩減扭工具主要由上接頭、下接頭、防磨支撐環(huán)、耐磨外套4部分組成。該結(jié)構(gòu)的減摩減扭工具材料為高強(qiáng)度合金，扣型與鉆桿扣型相同，可直接連接于2根鉆桿之間，這種結(jié)構(gòu)在外套與上接頭發(fā)生相互摩擦?xí)r，能夠更好地轉(zhuǎn)動，并加強(qiáng)摩擦面的強(qiáng)度，使工具在側(cè)向力較大的情況下也不至于使合金塊發(fā)生粉碎與掉落。其薄弱環(huán)節(jié)在于上接頭與下接頭的連接方面，對此處進(jìn)行改進(jìn)（圖1）。

圖1 優(yōu)化前減摩減扭工具結(jié)構(gòu)

1.2 優(yōu)化后減摩減扭工具結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后減摩減扭工具主要由上接頭、防磨支撐環(huán)、耐磨外套、擋環(huán)部分組成，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)相比優(yōu)化前，將下接頭與上接頭設(shè)計(jì)成一體式，采用擋環(huán)固定耐磨外套（圖2）。

圖2 優(yōu)化后減摩減扭工具結(jié)構(gòu)

1.3 基于Autodesk Inventor實(shí)體設(shè)計(jì)應(yīng)力分析

Autodesk Inventor的應(yīng)力分析可分析零件的應(yīng)力應(yīng)變，以確保零件的強(qiáng)度和剛度。

2種結(jié)構(gòu)的減摩減扭工具采用相同材料的高強(qiáng)度合金鋼，以5-1/2"規(guī)格型號為例，其物理參數(shù)見表1，材料性質(zhì)見表2。

表1 減摩減扭工具的物理參數(shù)

模擬鉆進(jìn)工況，以公扣端作為固定支撐，施以旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)扭矩，其應(yīng)力分析見表3。

表2 減摩減扭工具的材料性質(zhì)

表3 優(yōu)化前后應(yīng)力分析

從以上分析可以得出，2種結(jié)構(gòu)均能滿足井下工況。但優(yōu)化后節(jié)省了材料，水眼直井增大13 mm。

2 基于Landmark設(shè)計(jì)優(yōu)化井底鉆具組合

2.1 減摩減扭工具在Landmark軟件中的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

Landmark軟件作為成熟的石油工程設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，在其摩阻計(jì)算模塊中，專門設(shè)置了Friction reducing tools復(fù)選項(xiàng)，F(xiàn)riction reducing tools在鉆具組合中起到支撐作用，減少了鉆具組合的撓性變形量，從而減少了鉆具組合與井壁/套管的接觸面積，最終減少鉆具組合承受的扭矩；Friction reducing tools安放位置優(yōu)選造斜點(diǎn)開始，根據(jù)井斜角的變化，分隔井段，區(qū)別安放。

2.2 基于Landmark設(shè)計(jì)優(yōu)化井底鉆具組合

在大位移鉆井中，由于井深較大，鉆具組合發(fā)生變形，附在井壁上。結(jié)合鉆井施工，在鉆具組合上安放減摩減扭工具，通常采用2種方案。以一口測深5540 m的井為例，其井眼軌跡數(shù)據(jù)見表4，未安放減摩減扭工具的模擬扭矩如圖3所示。

方案1：在造斜井段每一柱安放一套減摩減扭工具，在穩(wěn)斜井段每兩柱安放一套減摩減扭工具，模擬扭矩如圖4所示。

方案2：在造斜井段與穩(wěn)斜井段每一柱安放一套減摩減扭工具，模擬扭矩如圖5所示。

2方案均明顯降低了扭矩，方案一減扭效果更強(qiáng)；但是考慮到施工操作的簡便性，方案二更具優(yōu)勢。

表4 井眼軌跡數(shù)據(jù)簡表

圖3 未安放減摩減扭工具的模擬扭矩

圖4 方案1的模擬扭矩

圖5 方案2的模擬扭矩

3 減摩減扭工具的現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 井況說明

這是一口典型的大位移井。因?yàn)檫\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間過長，導(dǎo)致井下變形。修井過程中，工具掉落，采用套銑、磨銑進(jìn)行打撈工具并修正井下變形，但是，由于該井深度（3600 m）、井斜角大（45°），在磨銑作業(yè)中扭矩增大，最大扭矩值達(dá)到12.91 kN·m，導(dǎo)致作業(yè)過程中鉆具在井下變形較大處多次斷裂，不僅無法正常工作，還增加了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

3.2 效果分析

根據(jù)上述情況，制定減摩減扭工具的安放方案。在下入減摩減扭接箍管柱過程中，對1500 m，2400 m，3371 m三處井深位置的扭矩進(jìn)行測試（表5）。

表5 3種轉(zhuǎn)速下的扭矩?cái)?shù)據(jù)kN·m

由表5可以看出，采用優(yōu)化后的減摩減扭接箍，扭矩值有了明顯下降，隨著井深增加，扭矩下降幅度增大。由此證明，優(yōu)化后的減摩減扭工具在斜井及深井井況下，減扭效果顯著（使修井、打撈作業(yè)過程中最大扭矩降至8.93 kN·m），并且磨銑工具能在正常轉(zhuǎn)速下連續(xù)作業(yè)，而尚發(fā)生鉆具斷裂等情況。

4 結(jié)論與建議

（1）減摩減扭工具在大位移井取得良好現(xiàn)場應(yīng)用效果，已經(jīng)成為降低扭矩、減少鉆桿與套管摩擦的主要技術(shù)手段。

（2）減摩減扭工具結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，裝配更簡便、更節(jié)省材料，而且滿足大位移鉆井工況，推薦采用優(yōu)化后結(jié)構(gòu)。

（3）視井況不同選擇不同的鉆具組合方案：井況較好，預(yù)測扭矩較小，推薦使用方案1；如果井況復(fù)雜，預(yù)測扭矩較大，則推薦使用方案2。

（4）目前海上鉆井采用的減摩減扭工具與陸地相同，不便運(yùn)輸，可改良耐磨外套。發(fā)展方向可參考輪胎設(shè)計(jì)思路，采用高強(qiáng)度復(fù)合橡膠并加入內(nèi)筋結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)海上鉆井需要。