長(zhǎng)壽命減扭防磨工具的研制與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

楊曉勇， 郭 鳴， 李東林， 駱勁羽， 呂 雙， 劉 洋， 成 琪

1中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程技術(shù)研究院 2中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探油氣合作開(kāi)發(fā)分公司

0 引言

大位移井、大斜度井等復(fù)雜井鉆井周期長(zhǎng)，鉆柱承受的摩擦阻力大，鉆壓與驅(qū)動(dòng)扭矩有效傳遞效果差，甚至扭矩超過(guò)鉆柱承受能力會(huì)發(fā)生鉆具失效導(dǎo)致無(wú)法鉆進(jìn)[1- 6]。同時(shí)，鉆桿接頭會(huì)與套管內(nèi)壁在側(cè)向力和軸向力的耦合作用下形成間歇式的滾動(dòng)摩擦副，鉆桿和套管間在長(zhǎng)時(shí)間摩擦作用下將會(huì)嚴(yán)重磨損，造成套管整體強(qiáng)度下降，易過(guò)早破漏或被擠毀從而影響油氣井壽命和開(kāi)采效益[7- 10]。鉆桿嚴(yán)重磨損后會(huì)導(dǎo)致報(bào)廢或降級(jí)處理[2]。減扭防磨工具可以將鉆桿與套管間的摩擦轉(zhuǎn)化為工具本體與其旋轉(zhuǎn)外套間的摩擦，有效傳遞施工扭矩、降低套管磨損達(dá)到減小施工扭矩和保護(hù)套管的目的。

國(guó)外對(duì)減扭防磨工具的研究較早，相對(duì)成熟，如美國(guó)WWT能源公司的NRPS減阻防磨套和Weatherford公司的LOTAD防磨減扭工具現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好[11]，但其昂貴服務(wù)費(fèi)用很難被現(xiàn)場(chǎng)接受，國(guó)內(nèi)很難得到廣泛的推廣。國(guó)內(nèi)常用的減扭防磨工具主要有鋼套式、橡膠式和滾動(dòng)軸承式等3種，但均存在使用壽命不長(zhǎng)、減扭防磨效果不理想等的問(wèn)題[ 10- 15]。為此，研發(fā)一種長(zhǎng)壽命、高效、低成本的減扭防磨工具是當(dāng)務(wù)之急。

本文在國(guó)內(nèi)外減扭防磨工具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況分析的基礎(chǔ)上研制了一種由旋轉(zhuǎn)外套、芯軸、硬質(zhì)合金耐磨條、硬質(zhì)合金耐磨柱、擋環(huán)組成的全金屬減扭防磨工具，本工具可與鉆桿連接使用，金屬外套外徑比鉆桿接頭外徑大，鉆進(jìn)過(guò)程中工具金屬外套與套管內(nèi)壁接觸，可將鉆桿與套管間的摩擦轉(zhuǎn)化為鑲嵌在工具中的一對(duì)硬質(zhì)合金摩擦副間的摩擦，有效地降低了摩阻系數(shù)，提高了鉆壓和驅(qū)動(dòng)扭矩的傳遞效率，降低了套管與鉆桿間的摩擦磨損，對(duì)套管和鉆桿具有很好的保護(hù)作用。該工具在大港油田、華北油田應(yīng)用4口井，累計(jì)工作壽命達(dá)到1 200 h以上，同一井深減扭防磨工具應(yīng)用前后施工實(shí)測(cè)扭矩最高降低29%，提高了工具的使用壽命及減扭效率，滿足了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)長(zhǎng)壽命、高效減扭防磨工具的需求。

1 減扭防磨工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研制的減扭防磨工具結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由工具芯軸、上擋環(huán)、工具外套、下?lián)醐h(huán)組成。減扭防磨工具技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 減扭防磨工具技術(shù)參數(shù)

1.工具芯軸;2.上擋環(huán)；3.擋環(huán)側(cè)壁硬質(zhì)合金條；4.外套側(cè)壁硬質(zhì)合金條；5.外套內(nèi)壁硬質(zhì)合金條；6.工具外套；7.本體硬質(zhì)合金柱；8.下?lián)醐h(huán)；9.銷釘。

減扭防磨工具采用開(kāi)式鉆井液潤(rùn)滑，軸承式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。基于工具的使用壽命及安全性考慮，工具芯軸、擋環(huán)、外套均采用高強(qiáng)度的37CrMnMo材料制成。工具芯軸采用整體式設(shè)計(jì)，下?lián)醐h(huán)通過(guò)銷釘與本體連接，裝配、保養(yǎng)方便。上下?lián)醐h(huán)與工具外套接觸的側(cè)壁鑲嵌硬質(zhì)合金條，工具芯軸與外套接觸部分的兩端均鑲嵌硬質(zhì)合金柱，這樣就能保證在工具旋轉(zhuǎn)過(guò)程中工具外套與芯軸及上下?lián)醐h(huán)間接觸的均為高硬度硬質(zhì)合金材料，既增強(qiáng)了工具的耐磨性從而延長(zhǎng)了工具的使用壽命,又降低了工具外套與芯軸間旋轉(zhuǎn)時(shí)的摩阻，滿足了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)減扭防磨工具長(zhǎng)壽命、高效的需求。

2 減扭防磨工具工作原理

根據(jù)井下工況設(shè)計(jì)最優(yōu)的工具安放數(shù)量、位置連接在鉆柱中，工具兩端用于與鉆桿連接，工具外套的外徑尺寸大于鉆桿接頭外徑，在鉆進(jìn)過(guò)程中工具外套與套管內(nèi)壁接觸，工具芯軸隨鉆桿旋轉(zhuǎn)進(jìn)而與外套發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，將原來(lái)鉆桿與套管內(nèi)壁的摩擦轉(zhuǎn)換為工具芯軸與外套間的摩擦，可有效降低扭矩傳遞損失，提高鉆進(jìn)效率。

3 減扭防磨工具性能測(cè)試

減扭防磨工具的抗拉、抗扭強(qiáng)度是保證其井下順利應(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)，本文以BH-JN- 202 減扭防磨工具抗拉、抗扭強(qiáng)度性能檢測(cè)為例闡述該工具性能測(cè)試過(guò)程。

3.1 測(cè)試目標(biāo)參數(shù)的制定

BH-JN- 202 減扭防磨工具在應(yīng)用過(guò)程中與?139.7 mm鉆桿連接使用，為了保證工具使用過(guò)程的安全性，BH-JN- 202 減扭防磨工具的抗拉、抗扭強(qiáng)度要高于?139.7 mm鉆桿的抗拉、抗扭強(qiáng)度。API標(biāo)準(zhǔn)(API SPEC- 5DP)中常規(guī)?139.7 mm鉆桿的抗拉、抗扭強(qiáng)度參數(shù)如表2所示。BH-JN- 202 減扭防磨工具性能檢測(cè)目標(biāo)值為：抗拉強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度 。

表2 ?139.7 mm鉆桿的抗拉抗扭性能參數(shù)

3.2 測(cè)試過(guò)程及結(jié)果

BH-JN- 202減扭防磨工具抗拉強(qiáng)度測(cè)試在LY- 5MN 拉壓測(cè)試裝置上進(jìn)行，工具兩端分別連接到設(shè)備測(cè)試接頭兩端，減扭防磨工具抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖2所示，在施加拉力3 550 kN時(shí),工具未發(fā)生塑性形變，工具保持完好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明BH-JN- 202 減扭防磨工具抗拉強(qiáng)度優(yōu)于API標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)135(S)級(jí)?139.7 mm鉆桿的抗拉強(qiáng)度的規(guī)定。

圖2 減扭防磨工具抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

抗扭強(qiáng)度測(cè)試在DYNJ- 380/200 液壓擰扣機(jī)進(jìn)行，工具放入測(cè)試設(shè)備中，設(shè)備一端鉗口固定，另一端鉗口扭轉(zhuǎn)，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。在設(shè)備施加125 kN·m扭矩時(shí)，工具未發(fā)生屈服，保持完好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明BH-JN- 202 減扭防磨工具抗扭強(qiáng)度優(yōu)于API標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)135(S)級(jí)?139.7 mm鉆桿的抗扭強(qiáng)度的規(guī)定。

圖3 減扭防磨工具抗扭強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

4 減扭防磨工具現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

截止目前，本文研制的長(zhǎng)壽命減扭防磨工具在大港油田大位移井、大斜度井共計(jì)應(yīng)用4口井，最大井深5 789 m, 最大水平位移4 291.26 m。4口井同一井深范圍應(yīng)用工具后鉆進(jìn)扭矩的實(shí)測(cè)值與不用工具的模擬值相比平均降低了約18%(如表3)，工具累計(jì)使用時(shí)間達(dá)到1 280 h。

表3 減扭防磨工具在大港油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 XⅠ井基本情況

XⅠ井是一口在埕海油田埕海2- 2人工島實(shí)施的四開(kāi)三段制定向井，設(shè)計(jì)井深5 789 m，設(shè)計(jì)最大井斜53.41°，設(shè)計(jì)水平位移4 281.16 m，實(shí)鉆井身結(jié)構(gòu)如表4所示。本井三開(kāi)施工期間鉆井扭矩迅速增高，三開(kāi)鉆進(jìn)至2 868 m時(shí)鉆井扭矩達(dá)到34.33 kN·m，鉆進(jìn)至4 007 m時(shí)鉆井扭矩達(dá)到38.25 kN·m，施工期間頂驅(qū)經(jīng)常維修，延誤了作業(yè)周期。為了保證后續(xù)施工順利進(jìn)行，提高生產(chǎn)時(shí)效，鉆井公司決定使用長(zhǎng)壽命減扭防磨工具，以緩解高扭矩可能造成的事故復(fù)雜及設(shè)備損壞問(wèn)題。

表4 XⅠ井實(shí)鉆井身結(jié)構(gòu)

4.2 應(yīng)用效果分析

XⅠ井減鈕防磨工具應(yīng)用井段為三開(kāi)4 007～4 457 m、四開(kāi)4 457～5 779 m。基于Landmark 軟件對(duì)安放減扭防磨工具位置、數(shù)量的效果分析，減扭防磨工具在造斜段一個(gè)鉆井立柱接入一支，穩(wěn)斜段、直井段兩個(gè)鉆井立柱接入一支的原則進(jìn)行安放。應(yīng)用減扭防磨工具井段及數(shù)量情況如表5所示。

表5 減扭防磨工具應(yīng)用情況

在減扭防磨工具應(yīng)用過(guò)程中，三開(kāi)井深4 007～4 457 m，一趟鉆完成，應(yīng)用減扭防磨工具44支，共計(jì)入井時(shí)間155 h。四開(kāi)井深4 457～5 779 m,由于其它配套工具的原因，共分4趟鉆完成，應(yīng)用減扭防磨工具53支，共計(jì)入井時(shí)間1 125 h，該井應(yīng)用的減扭防磨工具累計(jì)最長(zhǎng)入井時(shí)間達(dá)到1 280 h。在井深4 007 m時(shí)安放減扭防磨工具前后鉆井實(shí)測(cè)扭矩如圖4所示。在三開(kāi)井深4 007～4 457 m和四開(kāi)井深4 457～5 779 m應(yīng)用減扭防磨工具扭矩的實(shí)測(cè)值與未加減扭防磨工具扭矩的模擬值對(duì)比分析如圖5、圖6所示。

圖4 XⅠ井同井深未加與加減扭防磨工具扭矩實(shí)測(cè)對(duì)比

圖5 XⅠ井三開(kāi)預(yù)測(cè)扭矩與實(shí)測(cè)扭矩對(duì)比

圖6 XⅠ井四開(kāi)預(yù)測(cè)扭矩與實(shí)測(cè)扭矩對(duì)比

由圖4可知，在井深4 007 m時(shí)應(yīng)用減扭防磨工具前后扭矩的實(shí)測(cè)值由41.5 kN·m降到32.15 kN·m，扭矩降低29%。由圖5、圖6可知，安裝減扭防磨工具扭矩的實(shí)測(cè)值與未安裝減扭防磨工具扭矩的模擬值相比，扭矩平均降低了18%。通過(guò)應(yīng)用減扭防磨工具，實(shí)鉆扭矩明顯降低，效果明顯。

5 結(jié)論

(1)長(zhǎng)壽命減扭防磨工具室內(nèi)測(cè)試結(jié)果表明,該工具抗拉強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度優(yōu)于API標(biāo)準(zhǔn)中同扣型135(S)級(jí)鉆桿相應(yīng)性能參數(shù)值，工具安全，可靠性較好。

(2)本文研制的減扭防磨工具單井累計(jì)應(yīng)用時(shí)間達(dá)到1 280 h無(wú)故障，無(wú)需保養(yǎng)，性能穩(wěn)定，無(wú)破損，大幅度延長(zhǎng)了減扭防磨工具的使用壽命，避免了因減扭防磨工具壽命短造成起鉆次數(shù)增加從而影響鉆井效率的不利因素，對(duì)鉆井效率的提升具有重要意義。

(3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，本文研制的減扭防磨工具減扭效果明顯，解決了現(xiàn)場(chǎng)因鉆井扭矩過(guò)大造成的各種復(fù)雜事故甚至停鉆的危險(xiǎn)，為提高大斜度井、大位移井鉆壓與驅(qū)動(dòng)扭矩傳遞效率的提升提供了有效的技術(shù)手段，具有很好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。