鉆柱旋轉滑動控制工具的研制與應用

鄭德帥, 陳麗萍

1中國石化石油工程技術研究院 2中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院

0 引言

隨著頁巖氣、頁巖油、致密氣等非常規(guī)油氣資源開發(fā)力度的加大，長水平段的水平井越來越受重視。同時，由于受重力影響、井眼及地質(zhì)條件限制等，長水平段水平井在鉆井時存在井下摩阻扭矩大、托壓嚴重等問題，導致水平段長度受限以及機械鉆速低等[1- 2]。為突破上述難題，行業(yè)內(nèi)諸多學者提出了具有針對性的解決措施，如水平段鉆進時使用油基鉆井液以降低井下摩阻[3- 5]，研制了旋轉導向、水力振蕩器等井下工具，并取得了良好的效果，尤其是旋轉導向工具已在國內(nèi)各大油田廣泛應用，將水平井鉆井技術向前推進了一大步[6- 8]。但上述工具仍未從根本上解決井下摩阻扭矩大、托壓嚴重等問題，國外有學者研發(fā)了Swiveling管柱旋轉工具[9]，可以實現(xiàn)管柱分段旋轉控制，但僅用于大位移井固井時旋轉下套管，不具備平衡螺桿反扭矩的功能，無法用于定向鉆井作業(yè)；國內(nèi)西南石油大學研發(fā)的扭矩離合器，只具備離合功能，沒有扭矩產(chǎn)生，僅靠鉆柱摩擦力無法平衡螺桿反扭矩[10- 11]。

筆者借鑒旋轉導向降阻原理，提出了鉆柱旋轉滑動控制工具(以下簡稱RSD工具)，與螺桿鉆具配合使用時，產(chǎn)生與旋轉導向接近的功能，同時鉆柱旋轉運動，可有效解決托壓問題，提高機械鉆速，大幅度降低鉆井成本。RSD工具的研發(fā)對于長水平段水平井鉆進具有重要意義。

1 RSD工具基本原理

RSD工具安放在螺桿鉆具后一定的位置，功能上類似于一個帶開關的離合器，可以連接或脫開兩端的鉆柱(見圖1)。通過特定的鉆井泵開關次序來打開和關閉工具，控制工具兩端鉆柱的連接或脫開。

圖1 RSD的安放位置示意圖

當工具開啟時，工具兩端的鉆柱脫開，轉盤帶動RSD工具上端的鉆柱旋轉，見圖2，通過RSD工具產(chǎn)生一定順時針的正扭矩，當該扭矩與螺桿鉆具鉆進時由外殼產(chǎn)生逆時針反扭矩及工具下端管柱與井壁的摩擦扭矩達到平衡，就可實現(xiàn)RSD工具上端鉆柱旋轉、下端螺桿外殼不旋轉的目的，滿足定向鉆井時，工具完成滑動定向作業(yè)時工具上端鉆柱旋轉、摩阻降低要求，達到提高鉆速的效果，類似于旋轉導向功能。實現(xiàn)定向作業(yè)時工具上端鉆柱由轉盤控制產(chǎn)生旋轉運動，工具下端鉆柱由螺桿控制產(chǎn)生滑動運動，避免螺桿定向作業(yè)時由于鉆柱不旋轉、只能滑動鉆進且部分鉆柱緊貼井壁產(chǎn)生較大的滑動摩擦阻力。

圖2 RSD扭矩平衡示意圖

當RSD關閉時，RSD前后的管柱連為一體一同旋轉，轉盤帶動鉆柱、螺桿一起旋轉或靜止，可進行復合鉆進或常規(guī)的滑動定向鉆進，螺桿的反扭矩由鉆柱摩擦扭矩和轉盤扭矩來平衡。

2 RSD工具結構

根據(jù)定向功能的要求，RSD工具包含開關總成和扭矩產(chǎn)生總成，見圖3。開關總成的功能是在地面控制下連接和脫開鉆柱，扭矩產(chǎn)生總成的作用是產(chǎn)生扭矩與鉆柱摩擦扭矩一同平衡螺桿的反扭矩。

圖3 RSD結構三維圖

2.1 RSD開關結構

開關總成包含鉆井液驅(qū)動的活塞控制結構和鎖定執(zhí)行結構，外殼內(nèi)部加工有花鍵槽，執(zhí)行結構的花鍵插銷與花鍵槽的嚙合完成芯軸與外殼的鎖定，加工的樣機見圖4。

圖4 開關結構實物圖

活塞受到鉆井液的節(jié)流壓力Fh、彈簧的反彈力Ft的作用：

(1)

式中：Q—鉆井液排量，L/s；ρ—鉆井液密度，g/cm3；A—活塞孔眼的面積，cm2；S—壓力的有效作用面積，cm2。

Ft=KL

(2)

式中：K—彈簧的勁度系數(shù)，N/mm;L—彈簧的壓縮長度，mm。

經(jīng)過設計，正常鉆進鉆井液排量工況下節(jié)流壓力Fh總是大于彈簧的反彈力Ft，活塞受到行程開關的約束，正常鉆井排量時只能處于高位或低位。行程開關可以進行拉伸和壓縮，壓縮時存在兩個狀態(tài)：完全收縮和微量收縮。每次拉伸至最大長度后，再對其進行壓縮時，其壓縮狀態(tài)都會改變一次，從而實現(xiàn)活塞位置的控制。

活塞中間安裝的頂桿隨著活塞上下運動，頂桿向高位運行時彈簧的反彈力Ft克服運動部件之間的阻力Ff推動花鍵插銷進入外殼的花鍵槽，使上下鉆柱連接為一體，從而實現(xiàn)關閉的狀態(tài)，此時RSD就像一個普通的轉換短節(jié)，只能進行常規(guī)的滑動鉆進或復合鉆進。因此節(jié)流壓力Fh、彈簧的反彈力Ft及阻力Ff之間的關系須滿足：

Fh>Ft>Ff

(3)

根據(jù)式(3)及式(1)、式(2)，結合實際的鉆井參數(shù)，可對彈簧及活塞的節(jié)流孔進行設計計算，原則是滿足運行要求的同時盡量降低工具的壓耗。對于?215.9 mm井眼，最終確定的彈簧剛度是1.1 N/mm，節(jié)流孔面積為8.54 cm2，相當于節(jié)流孔直徑3.3 cm。

當頂桿位于下部位置時花鍵插銷從外殼的花間槽中退回，實現(xiàn)上下鉆柱的脫開，進入開啟狀態(tài)。轉盤或頂驅(qū)帶動鉆柱旋轉，定向短節(jié)及以下的螺桿鉆具不旋轉，可以在滑動導向鉆進的同時旋轉鉆柱，從而達到提高機械鉆速的目的。

嚙合花鍵需要滿足最大工作扭矩條件下的強度要求，花鍵的剪切面積設計公式為：

(4)

式中：T—井下最大工作扭矩，N·m;R1—花鍵的作用半徑，m；σ—花鍵材料的抗剪許應力，MPa。

插銷在頂桿下撤后，要保證花鍵從外殼的花間槽中自動退回，花鍵的斜角要滿足以下關系：

ctgθ-μ≤0

(5)

式中：θ—花鍵的傾斜角，(°)；μ—花鍵與花鍵槽的摩擦系數(shù)。

2.2 扭矩產(chǎn)生結構

扭矩產(chǎn)生結構主要為硬質(zhì)合金摩擦部件，采用硬質(zhì)合金可保證有良好的耐磨性和較長的工作壽命，硬質(zhì)合金兩部分，分別通過銷釘連接在芯軸和外殼上，在鉆壓作用下產(chǎn)生摩擦力，當外殼與芯軸產(chǎn)生相對旋轉時，摩擦力轉換為摩擦扭矩：

TR=nWOB·μ1R1

(6)

式中：n—硬質(zhì)合金組數(shù)；WOB—鉆壓，N；μ1—硬質(zhì)合金之間的摩擦系數(shù)，數(shù)值為0.1左右，無因次；R1—硬質(zhì)合金旋轉作用半徑，m。

結合實際鉆進時螺桿鉆具的反扭矩和鉆壓、井眼尺寸及工具的強度，利用式(6)可對硬質(zhì)合金組數(shù)和硬質(zhì)合金的尺寸進行設計。對直徑?215.9 mm的井眼，正常PDC鉆頭在6～8 t鉆壓作用下螺桿的反扭矩為3 000 N·m左右，經(jīng)過計算，設計3組硬質(zhì)合金，硬質(zhì)合金內(nèi)外半徑分別為90 mm和160 mm，7 t鉆壓時產(chǎn)生2 625 N·m扭矩。

3 RSD安放位置計算

由于硬質(zhì)合金組數(shù)及尺寸的限制，RSD產(chǎn)生的扭矩難以與螺桿的反扭矩完全一致，且螺桿的反扭矩為復雜的振動狀態(tài)，因此還需要借助螺桿鉆具與RSD之間鉆柱的摩擦扭矩TF以達到平衡。影響摩擦扭矩TF的因素主要為鉆柱規(guī)格和鉆柱長度，受到鉆井工藝的影響，底部鉆具組合規(guī)格有常用使用標準，可調(diào)節(jié)的是鉆柱長度，也就是RSD的安放位置。

正常鉆進時，螺桿鉆具反扭矩受到鉆壓的振動及地層的非均質(zhì)性的影響，呈現(xiàn)為劇烈的振動狀態(tài)，難以進行理論推導，根據(jù)現(xiàn)場井下實測數(shù)據(jù)，對螺桿鉆具的反扭矩(?216 mm PDC鉆頭)反演如下：

(7)

式中：t—時間，s。

式(7)是基于?216 mm PDC鉆頭正常鉆進(鉆壓6～8 t)測得的數(shù)據(jù)進行總結的，揭示了破巖扭矩振動的平均值、振幅及頻率等基本特征，可基本反映破巖扭矩的振動狀態(tài)。

鉆柱的摩擦扭矩可通過式(8)計算[8]：

TF=∑LiqiRiμ2

(8)

式中：Li—第i段鉆柱的長度，m；qi—第i段鉆柱的線重，N/m；Ri—第i段鉆柱與井壁的摩擦半徑，m；μ2—鉆柱與井壁的摩擦系數(shù)，一般為0.25。

要達到平衡螺桿反扭矩的效果，必須使RSD扭矩TR與螺桿振動反扭矩TP(t)的差值低于鉆柱摩擦扭矩：

TF≥|TR-TP(t)|

(9)

以?216 mm PDC鉆頭為例，螺桿反扭矩最高值達到了3 500 N·m。分析常規(guī)水平段鉆具組合，可使用以下鉆具組合：?216 mm PDC鉆頭+?172 mm螺桿+?127 mm無磁承壓鉆桿×2根+?127 mm加重鉆桿×6根+?172 mmRSD+?127 mm鉆桿。

RSD與鉆頭之間的鉆柱長度總計83 m，摩擦扭矩為1 000 N·m，達到了式(9)的要求，對1 000 m的水平段而言，旋轉部分鉆柱超過91.7%，且水平段越長，旋轉鉆柱的比例越大，降阻提速效果越明顯。

4 RSD工具測試

4.1 RSD室內(nèi)測試

加工的RSD樣機在多功能管柱實驗平臺上進行測試。平臺可模擬鉆機和井眼，模擬的轉速為0～1 000 r/min，軸向力0～10 t，扭矩0～1 500 N·m。由步進電機提供扭矩和轉速；可模擬垂直井眼、斜井眼以及水平井眼三種類型(見圖5)，采用防銹乳液模擬鉆井液，考慮到實驗泵的規(guī)格，活塞孔眼直徑設計為1.2 cm，模擬鉆井液排量4 L/s時產(chǎn)生的泵壓0.6 MPa左右，軸向力模擬鉆壓，實驗時模擬鉆壓為2 t，RSD樣機產(chǎn)生的扭矩約為200 N·m。

圖5 RSD樣機不同井斜角測試

RSD一端連接模擬轉盤，一端用扭矩保持器固定，扭矩限制值設置為400 N·m，當扭矩高于400 N·m時開始打滑，扭矩保持在400 N·m，當扭矩低于400 N·m時保持不動。測試時，模擬轉盤一直旋轉，連續(xù)開泵、關泵，當RSD工具處于鎖死狀態(tài)時，模擬轉盤的扭矩為400 N·m；當RSD工具處于打開狀態(tài)時，模擬轉盤的扭矩為200 N·m。

剛開始測試時泵處于關閉狀態(tài)，泵壓為0，此時RSD工具處于鎖死狀態(tài)；第一次開泵時RSD處于打開狀態(tài)，第二次開泵時RSD再次關閉，第三次開泵時RSD再次打開，見圖6。經(jīng)過測試，開關結構可以通過關泵、開泵的操作實現(xiàn)關閉和開啟的功能，能適應斜井和水平井井段，結構設計達到預期功能，成功率達到100%，經(jīng)反復測試壽命超過200次。

圖6 RSD泵壓-扭矩測試結果

4.2 現(xiàn)場試驗

在焦頁某井進行現(xiàn)場入井試驗。試驗井井眼直徑?215.9 mm，鉆進井段3 010～3 083 m，鉆進進尺73 m，井斜角30°，試驗時間60.5 h。

鉆具組合：?215.9 mm混合鉆頭+?172 mm螺桿鉆具(1.5°)+?168 mm浮閥+?127 mm無磁承壓鉆桿×1根+?166 mm無磁懸掛短節(jié)+?127 mm加重鉆桿×13根+?178 mmRSD工具+?127 mm鉆桿。

鉆井參數(shù)：鉆壓80～100 kN、頂驅(qū)轉速10～40 r/min、排量28～32 L/s。

RSD入井后可通過開關泵對RSD進行開啟和關閉。當關閉RSD時，進行常規(guī)的復合鉆進和定向鉆進，鉆井參數(shù)及鉆井工藝與正常鉆井相同。

RSD進入開啟狀態(tài)后，鉆井液排量28 L/s，頂驅(qū)轉速12 r/min，井下工具面保持基本穩(wěn)定(見圖7)，實現(xiàn)了鉆柱旋轉-螺桿定向的功能，旋轉-定向段完成后，方位角從308.54°增加至312.15°，狗腿度達到4.98°/30 m，達到了井眼軌跡的設計要求。由于鉆柱旋轉降低了托壓，相對于常規(guī)滑動定向段，旋轉-定向段的機械鉆速提高了22.5%(見圖8)。

圖7 旋轉定向條件下的工具面統(tǒng)計

圖8 不同鉆進狀態(tài)機械鉆速對比

通過測試也發(fā)現(xiàn)了RSD的技術缺陷。開啟進入旋轉定向時，工具面擺動的幅度相對于常規(guī)滑動定向偏大，需要進一步提高控制精度；開關泵控制的方式也容易受到干擾。

5 結論與建議

(1)RSD工具是一種利用旋轉鉆柱降低軸向摩阻、利用螺桿鉆具進行導向的新思路，可解決鉆壓傳遞摩阻大的問題，提高機械鉆速，水平段越長工具降阻提速的效果越好。

(2)RSD工具利用開關泵的方式進行鉆柱的旋轉控制，產(chǎn)生一定的扭矩與鉆柱摩擦扭矩共同作用平衡螺桿鉆具的反扭矩。

(3)RSD還需要進一步優(yōu)化開關的控制方式和結構設計，避免正常開關泵作業(yè)干擾工具的開關；優(yōu)化設計RSD摩擦結構，縮小與螺桿鉆具反扭矩差值，以降低鉆頭與RSD之間長度，提高旋轉鉆柱比例。