采用抗制動(dòng)工具有效進(jìn)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(dòng)工具有效進(jìn)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(dòng)技術(shù) (AST)是一種以實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整鉆進(jìn)扭矩為目的的井下機(jī)械方法。最初,由 Tomax AS研發(fā)的這種工具是用于連續(xù)管的,已證明,它除了可以提高機(jī)械鉆速和單只鉆頭進(jìn)尺 (Dagestad, V2006)外,還具有成功降低振動(dòng)、馬達(dá)制動(dòng)、設(shè)備失效和一般磨損的能力。根據(jù)旋轉(zhuǎn)鉆井解決類似問題的需要,對(duì)該工具進(jìn)行了進(jìn)一步的開發(fā),目的是消除在難鉆地層中由切削齒誘導(dǎo)的扭矩振動(dòng)和鉆柱制動(dòng)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(yàn)井上試用。除了兩次受控試驗(yàn)外,共進(jìn)行了25次的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,應(yīng)用地區(qū)主要是挪威大陸架。所用工具具有各種不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。從理論和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用兩個(gè)方面詳細(xì)討論了是如何大幅降低由鉆頭誘導(dǎo)的扭矩波動(dòng)從而提高機(jī)械鉆速,以及為了提高單趟鉆工作時(shí)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(dòng)

1 引言

隨著20世紀(jì)80年代鑲齒鉆頭PDC技術(shù)的引進(jìn)和開發(fā),鉆井工業(yè)對(duì)更為復(fù)雜的鉆井和地層評(píng)價(jià)系統(tǒng)的應(yīng)用一直處于持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài),BHA中儀器部分所包含的電子元件的數(shù)量也不斷增加,這些先進(jìn)的井下鉆井系統(tǒng)使鉆井的速度進(jìn)一步加快、井眼軌跡控制更加準(zhǔn)確、單只鉆頭進(jìn)尺更高。但由于其設(shè)計(jì)復(fù)雜,它們往往由于井下振動(dòng)和高能量沖擊導(dǎo)致早期破壞。盡管PDC鉆頭效率很高,但已證明它產(chǎn)生的動(dòng)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(duì)這一難題,鉆井業(yè)不得不研發(fā)帶有測(cè)量和監(jiān)控各種井下動(dòng)力學(xué)參數(shù)的更為堅(jiān)固的井下工具,從而在鉆井過程中可根據(jù)這些信息實(shí)施控制 (Robnett,E.W.,1999)。AST技術(shù)的理念是通過轉(zhuǎn)移鉆井過程的能量提供實(shí)時(shí)井下破巖過程控制,防止動(dòng)力產(chǎn)生破壞,從而保護(hù)鉆柱部件,優(yōu)化破巖效率。以現(xiàn)代賽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)為例,實(shí)時(shí)平衡地把能量傳輸?shù)礁鱾€(gè)車輪可以提高整車的穩(wěn)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(jī)械零件 (圖1):

◇內(nèi)部預(yù)壓載彈簧a;

◇帶內(nèi)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(tái)階e;

◇密封底部的拋光面f。

AST工具的工作原理是,當(dāng)轉(zhuǎn)矩大到足以克服預(yù)壓載彈簧的程度,將導(dǎo)致帶內(nèi)螺旋花鍵的工具上主體在與之匹配的下主體上轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)上主體和下主體以這種方式上緊時(shí),工具收縮,鉆柱變短,因此鉆頭被逐漸提離井底直至恢復(fù)到全轉(zhuǎn)速狀態(tài);當(dāng)作用于工具上的轉(zhuǎn)矩降低時(shí),工具將相應(yīng)地伸長(zhǎng),鉆頭就可平穩(wěn)地鉆進(jìn)。

圖1 原型AST工具的剖面圖

AST工具應(yīng)該安置在盡量靠近鉆頭的位置,現(xiàn)已經(jīng)做了工具安置在MWD之上和MWD之下的試驗(yàn)。由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng) (RSS)數(shù)據(jù)饋通的需要以及地層傳感器應(yīng)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(dāng)與擴(kuò)眼器聯(lián)用時(shí),接在擴(kuò)眼器之上。

3 理論背景

抗制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)是找到一種預(yù)防來自鉆柱累積的過高扭轉(zhuǎn)能量的辦法,并將該能量用于切削破巖過程以降低鉆頭發(fā)生制動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。通過吸收高的扭轉(zhuǎn)載荷并將其用于鉆頭運(yùn)動(dòng)軌跡的控制, AST的研發(fā)人員聲稱,該專利技術(shù)將在三個(gè)方向減少卡-滑效應(yīng)和破壞性載荷出現(xiàn)的幾率:

◇軸向

◇徑向

◇扭轉(zhuǎn)

3.1 軸向

軸向過載的發(fā)生通常是由與斜井和浮式鉆井裝置有關(guān)的質(zhì)量傳遞問題造成的,鉆柱通常對(duì)這類載荷采取機(jī)械抵抗響應(yīng),但是軸向沖擊會(huì)給鉆頭切削齒施加過高的鉆壓并且誘發(fā)卡-滑運(yùn)動(dòng),而且會(huì)導(dǎo)致徑向振動(dòng)。研究人員聲稱,AST工具不僅可以減少軸向振動(dòng),而且能夠降低卡-滑效應(yīng),從而降低軸向上破壞性載荷的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 徑向

徑向力和徑向振動(dòng)通常是由渦旋效應(yīng)造成的,此時(shí)鉆頭圍繞井眼中心線旋轉(zhuǎn),由此產(chǎn)生的振動(dòng)破壞性極強(qiáng),并且一旦出現(xiàn)就很難被吸收掉。一種好的解決辦法是將旋轉(zhuǎn)速度 (RPM)嚴(yán)格控制在鉆頭制造商規(guī)定的范圍之內(nèi)。然而,在一些研磨性強(qiáng)、巖性變化大的難鉆地層中,由于在井下RPM產(chǎn)生的高強(qiáng)度振動(dòng)下切削齒傾向于進(jìn)入卡-滑狀態(tài),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(yīng),從而穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)速度,使消除鉆頭渦動(dòng)成為可能。

3.3 扭轉(zhuǎn)

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

◇鉆頭發(fā)生制動(dòng)時(shí),鉆柱中累積的扭矩將平穩(wěn)地使AST工具動(dòng)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(zhuǎn)能量,使轉(zhuǎn)速恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)。

4 受控試驗(yàn)

在一項(xiàng)稱為“硬巖層鉆井”的內(nèi)部技術(shù)項(xiàng)目中,挪威作業(yè)者Statoil與AST的研發(fā)人員聯(lián)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(yùn)行質(zhì)量。121/4in(1 in= 25.4 mm)井段的工具外徑為 81/4in,內(nèi)徑為21/2in。由于AST技術(shù)比較容易實(shí)現(xiàn),又研制了另外的外徑為63/4in的工具以更好地提供現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的靈活性。表1給出了這些原型工具的技術(shù)規(guī)范。進(jìn)行了兩次受控試驗(yàn)以確定工具表現(xiàn)與理論預(yù)期的一致性,以及工具在全尺寸現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中應(yīng)用的安全性。

4.1 1號(hào)試驗(yàn)

在第一次受控試驗(yàn)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(zhuǎn)鉆具組合的PDC鉆頭上。IRIS的Ullrig試驗(yàn)鉆機(jī)將鉆的地層會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的卡-滑并損壞PDC鉆頭,這對(duì)試驗(yàn)AST比較理想。在保持鉆井參數(shù)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?dāng)?shù)據(jù)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(xué)的定量比較,使地層變化的干擾達(dá)到最小化程度,鉆進(jìn)的進(jìn)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?dāng)?shù)據(jù)顯示,采用AST工具后扭矩波動(dòng)下降非常明顯,非常接近于理論計(jì)算;同時(shí)還觀察到,在低鉆壓下鉆頭具有產(chǎn)生高機(jī)械鉆速的能力。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)鉆頭進(jìn)行了仔細(xì)檢查,鉆速差異的原因相當(dāng)清楚:參考鉆用過的鉆頭在整個(gè)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(jié)構(gòu)。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(dòng)更小。圖2顯示了這些數(shù)據(jù),圖3則給出了用過的鉆頭的照片。

4.2 2號(hào)試驗(yàn)

第二次試驗(yàn)是由Statoil和Norsk Hydro兩家作業(yè)公司聯(lián)合進(jìn)行的,目的在于進(jìn)一步確定AST工具的機(jī)械完整性和它在擴(kuò)眼作業(yè)中的表現(xiàn)。工具直接接在擴(kuò)眼器上,提供的擴(kuò)眼器是三個(gè)刀片的PDC液壓擴(kuò)眼工具,采用的鉆頭與1號(hào)試驗(yàn)相同。鉆機(jī)、全部的試驗(yàn)程序和數(shù)據(jù)采集設(shè)備也都和第一次試驗(yàn)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(yàn)證明了AST工具的機(jī)械完整性,這是試驗(yàn)的主要目的。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),工具可以防止擴(kuò)眼器產(chǎn)生波動(dòng)扭矩,允許對(duì)擴(kuò)眼器施加更大的鉆壓而不致使工具的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)達(dá)到臨界程度。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

受控試驗(yàn)最終證明,抗制動(dòng)技術(shù)具有預(yù)防鉆頭齒制動(dòng)鉆柱的能力,從而實(shí)現(xiàn)能量的安全傳遞。此外,有明顯跡象支持這樣一個(gè)理論,即通過將轉(zhuǎn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成切削作用而實(shí)現(xiàn)的扭矩穩(wěn)定可以改善效率,從而可望得到更佳的鉆進(jìn)效果。

5.1 第一次現(xiàn)場(chǎng)試應(yīng)用

在IRIS的第一次試驗(yàn)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(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的一個(gè)部分。為進(jìn)入水平段施工,同時(shí)需要用PDC擴(kuò)眼器隨鉆將井眼擴(kuò)大到9.5 in。地層為砂巖、頁巖和灰?guī)r組合地層,工具入井后僅用一天時(shí)間就完成了進(jìn)入水平段的作業(yè)。由于可觀的機(jī)械鉆速,作業(yè)者要求繼續(xù)使用該工具,但是,為了完成用于比較意圖并對(duì)受控試驗(yàn)鉆機(jī)的數(shù)據(jù)予以確認(rèn)的參考鉆,當(dāng)時(shí)決定不再繼續(xù)下入該工具。盡管井深已達(dá)3 000 m,而且相對(duì)于受控試驗(yàn)的直井井斜已經(jīng)到了90°,但試應(yīng)用結(jié)果卻在很大程度上確認(rèn)了來自IRIS的發(fā)現(xiàn)。試用表明,當(dāng)鉆具帶有AST工具時(shí),鉆進(jìn)扭矩更加平穩(wěn),機(jī)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(yīng)用的數(shù)據(jù)

5.2 第二次現(xiàn)場(chǎng)試應(yīng)用

基于AST工具在海洋的應(yīng)用效果,Statoil要求在西Alpha半潛式鉆機(jī)施工的一口高溫高壓探井上應(yīng)用該工具。普遍認(rèn)為該井81/2in井段的硬地層和高溫是相當(dāng)大的作業(yè)難點(diǎn),出于參照目的,第一趟鉆沒有使用AST工具。本井試應(yīng)用再次獲得了平穩(wěn)的鉆進(jìn)扭矩。在該井中,卡-滑診斷數(shù)值由MWD系統(tǒng)發(fā)回,由安裝在鉆臺(tái)上的顯示屏分級(jí)顯示出來:0～1級(jí)為綠色 (正常旋轉(zhuǎn));2～4級(jí)為黃色 (扭轉(zhuǎn)振蕩);5～6級(jí)為紅色 (完全卡-滑);7級(jí)為紫色 (帶有打倒車發(fā)生的極為嚴(yán)重的卡-滑)。當(dāng)帶有AST工具的鉆進(jìn)開始時(shí),卡-滑級(jí)別立刻從紅色降到了黃色,并且隨著鉆進(jìn)參數(shù)的進(jìn)一步控制,得到了綠色的卡-滑級(jí)別 (圖5)。該井無故障鉆達(dá)總井深,比計(jì)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(shí)也帶了AST工具?；谠谌⌒倪^程中顯示出的良好的扭矩穩(wěn)定性,平臺(tái)取心專家推薦該井后續(xù)井段都使用該工具。

圖5 第二次現(xiàn)場(chǎng)試應(yīng)用卡-滑數(shù)據(jù)

所有的試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)第一次試應(yīng)用均獲得了如下相同的結(jié)果:

◇鉆進(jìn)扭矩穩(wěn)定;

◇記錄到的井下卡-滑嚴(yán)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(yīng)鉆機(jī)的鉆進(jìn)參數(shù)。帶組合彈簧的升級(jí)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(wù)。Statoil是主要的用戶,挪威哈里伯頓是提供作業(yè)支持的合作方。

5.3 直井

可以觀察到,刻度盤上呈現(xiàn)第二次現(xiàn)場(chǎng)試應(yīng)用的卡-滑讀數(shù)指示的扭轉(zhuǎn)振蕩達(dá)到黃色級(jí)別的情況經(jīng)常在小斜度井內(nèi)發(fā)生。對(duì)這一特殊現(xiàn)象的研究表明,這些井易于發(fā)生這樣的振蕩,振蕩是由鉆柱在低摩擦環(huán)境中產(chǎn)生的 (Richard,T2002)。由于這類振蕩能量較低,它們一般不會(huì)達(dá)到引起AST工具動(dòng)作的程度。

5.4 進(jìn)一步改進(jìn)

得到的第一次教訓(xùn)是與AST工具機(jī)械完整性有關(guān)的第7次入井發(fā)生的事件,工具在出現(xiàn)極度彎曲并逐漸發(fā)生疲勞破壞后,記錄到了嚴(yán)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(fā)生過壓力密封失效造成漏油和工具內(nèi)部過度磨損,該問題基于密封上動(dòng)載荷的現(xiàn)場(chǎng)記錄通過對(duì)密封系統(tǒng)的優(yōu)化得到了解決。在包括兩次現(xiàn)場(chǎng)試應(yīng)用的首批25次下井應(yīng)用中,卡-滑均被限制在了一個(gè)較低的程度,也沒有過度緊扣的情況發(fā)生?？偠灾?已經(jīng)證明,AST工具具有提高難鉆地層鉆柱壽命的能力,它已應(yīng)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(shè)想,隨著對(duì)工具工作機(jī)理認(rèn)識(shí)和每次特定應(yīng)用效果的提高,AST技術(shù)提供給油田作業(yè)者的價(jià)值也將提高,圖6給出了以第二次試應(yīng)用為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的前25次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中記錄到的卡-滑程度。

圖6 應(yīng)用AST技術(shù)的前25次鉆井結(jié)果

資料來源于美國《IADC/SPE 111874》

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

2009-03-19)