王宏偉,韓 飛,紀(jì)友哲,石紅玫
(1.中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院,北京 102200;2.金川集團(tuán)股份有限公司 生產(chǎn)環(huán)保部,甘肅 金昌 737104)①
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PDC鉆頭粘滑控制技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
王宏偉1,韓飛1,紀(jì)友哲1,石紅玫2
(1.中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院,北京 102200;2.金川集團(tuán)股份有限公司 生產(chǎn)環(huán)保部,甘肅 金昌 737104)①
摘要:隨著石油工業(yè)的發(fā)展,石油勘探開發(fā)的重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向深井、超深井。PDC鉆頭在非均質(zhì)地層鉆進(jìn)時(shí)“粘滑”現(xiàn)象嚴(yán)重,導(dǎo)致PDC鉆頭過(guò)早損壞,致使機(jī)械鉆速低、起下鉆換鉆頭次數(shù)多,單位鉆井進(jìn)尺成本上升。如何有效控制PDC鉆頭的粘滑現(xiàn)象已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外石油公司研究的熱點(diǎn)。介紹了國(guó)內(nèi)外PDC鉆頭粘滑控制技術(shù)的主要研究進(jìn)展及其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),為國(guó)內(nèi)PDC鉆頭粘滑控制技術(shù)的研究提供參考。
關(guān)鍵詞:PDC鉆頭;粘滑;控制
隨著石油工業(yè)的發(fā)展,石油勘探開發(fā)的重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向深井、超深井,例如我國(guó)四川、塔里木等區(qū)塊有大量的石油資源位于深部地層。隨著井深的增加,巖石的硬度和塑性增大,可鉆性變差,機(jī)械鉆速降低。現(xiàn)場(chǎng)鉆井資料表明,深井段的平均機(jī)械鉆速僅是其上部井段平均機(jī)械鉆速的15%~30% ,部分地區(qū)甚至低于8%。研究表明,粘滑振動(dòng)是造成機(jī)械鉆速降低的重要原因之一[1-3]。
筆者認(rèn)為PDC鉆頭剪切破巖的特性直接導(dǎo)致了粘滑現(xiàn)象的發(fā)生。PDC鉆頭在鉆進(jìn)瞬間的轉(zhuǎn)矩能量不能滿足破巖轉(zhuǎn)矩時(shí),PDC鉆頭將處于停鉆狀態(tài);BHA在頂驅(qū)(或者轉(zhuǎn)盤、井下動(dòng)力鉆具)的作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn),當(dāng)BHA扭轉(zhuǎn)積蓄在鉆頭的能量足以破碎巖層時(shí),積蓄的能量瞬間釋放,此時(shí)鉆頭將以相對(duì)于數(shù)倍頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。
粘滑是造成鉆井功能紊亂的主要原因,其給鉆井工程造成的主要影響有4個(gè)方面:
1)增大鉆頭的磨損,PDC鉆頭瞬間高速?zèng)_擊運(yùn)動(dòng)將加速鉆頭失效。
2)粘滑造成的鉆頭無(wú)序運(yùn)動(dòng)將降低鉆井破巖能量效率,消耗鉆機(jī)井下驅(qū)動(dòng)裝置提供的能量。
3)粘滑本身及其引起的其他振動(dòng)加快下部鉆具組合疲勞失效或粘扣,并引發(fā)井下電子儀器的早期失效。
4)降低鉆進(jìn)連續(xù)性及井身質(zhì)量,增加純鉆進(jìn)時(shí)間及起下鉆次數(shù),降低鉆進(jìn)效率。
綜上所述,深井、復(fù)雜井等復(fù)雜層PDC鉆頭鉆進(jìn)時(shí)粘滑現(xiàn)象普遍存在,且粘滑對(duì)鉆井影響十分嚴(yán)重,造成了大量的人力及物力和成本的浪費(fèi)。如何解決鉆井粘滑問(wèn)題已成為國(guó)內(nèi)外石油公司爭(zhēng)相研發(fā)的熱點(diǎn)。筆者認(rèn)為粘滑產(chǎn)生的根本原因是鉆井鉆壓和轉(zhuǎn)矩能量不匹配造成的。目前,國(guó)內(nèi)外粘滑控制技術(shù)大多是基于優(yōu)化鉆壓轉(zhuǎn)矩能量機(jī)理發(fā)展起來(lái)的?;诳刂品绞降牟煌饕譃楸粍?dòng)抑制和主動(dòng)抑制兩大類。
本文介紹了國(guó)內(nèi)外粘滑控制技術(shù)的主要進(jìn)展和現(xiàn)狀,通過(guò)對(duì)PDC鉆頭粘滑控制技術(shù)主要發(fā)展趨勢(shì)的分析,為國(guó)內(nèi)外粘滑控制技術(shù)的研發(fā)方向提供建議和參考。
1被動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)
被動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)是目前最常使用的一種手段,其主要是通過(guò)鉆頭優(yōu)化及配套井下粘滑抑制工具來(lái)直接控制鉆具的動(dòng)態(tài)特性。
1.1鉆頭優(yōu)化
鉆頭是鉆井的關(guān)鍵部件,其性能的好壞直接影響鉆井效率。國(guó)內(nèi)外研究人員通過(guò)對(duì)螺旋刀翼、高后傾角切削齒、布置抗沖擊齒、非對(duì)稱刀翼布置等進(jìn)行了大量研究,在提高鉆頭抗沖擊性、減少粘滑對(duì)鉆頭破壞影響方面取得了一定的進(jìn)展,但不能有效抑制粘滑。本文主要介紹2種能夠抑制粘滑的新式鉆頭。
1.1.1復(fù)合鉆頭
復(fù)合鉆頭(如圖1)是將牙輪鉆頭和PDC鉆頭合二為一,實(shí)現(xiàn)牙輪鉆頭和PDC鉆頭優(yōu)劣勢(shì)互補(bǔ)。目前,國(guó)外Bakerhughs、Smith及Reed公司的類似產(chǎn)品已進(jìn)入了商業(yè)化應(yīng)用階段。其中Bakerhughs公司研制的Kymera復(fù)合鉆頭在Western Oklahoma油田的Atoka到Des Moines井段大量的夾層使用,鉆井周期從82 d縮短到25 d,每英尺費(fèi)用減少40%左右[4-6]。
國(guó)內(nèi)西南石油大學(xué)、江漢四機(jī)廠、寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司等也開展了相關(guān)研究,并形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品,但是該技術(shù)尚處于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段,未達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用水平。
圖1 復(fù)合鉆頭
1.1.2SpeedDrill鉆頭
目前,國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)技術(shù)研究報(bào)道。
圖2 SpeedDrill鉆頭
1.2井下粘滑抑制工具
目前,國(guó)內(nèi)外井下粘滑抑制工具種類繁多,本文僅介紹具有代表性的2種典型產(chǎn)品。
1.2.1扭轉(zhuǎn)沖擊器
我國(guó)勝利油田鉆采院、大慶油田鉆采院等單位也先后開展了相關(guān)技術(shù)的研究,形成的相關(guān)系列產(chǎn)品已具備了商業(yè)化推廣水平。其中,大慶鉆采院的類似產(chǎn)品已現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用41口井,進(jìn)尺17 884 m,純鉆時(shí)間5 500 h,平均機(jī)械鉆速3.25 m/h,平均提速214%,獲得經(jīng)濟(jì)效益¥8 000萬(wàn)元,提速提效顯著。
圖3 扭轉(zhuǎn)沖擊器
1.2.2衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具
Tomax公司的衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具(如圖4)是基于對(duì)鉆頭轉(zhuǎn)矩能量的存儲(chǔ)和釋放,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉆頭轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)自平衡,實(shí)現(xiàn)鉆頭轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的“消峰填谷”。Tomax公司的衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具已形成系列化、商業(yè)化應(yīng)用,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好,比較典型的案例是在Norway的Gyda區(qū)塊使用時(shí),節(jié)省3 d鉆井時(shí)間,節(jié)約成本$225萬(wàn)美元[9]。
國(guó)內(nèi)只有中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院開展類似工具的研究,并且已經(jīng)先后在吉林、長(zhǎng)慶油田進(jìn)行了3口井的應(yīng)用,抑制粘滑效果明顯。其中在長(zhǎng)慶油田隴8井,單只鉆頭進(jìn)尺同比提高600%,平均機(jī)械鉆速同比提高20%以上。
圖4衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具樣機(jī)
1.3小結(jié)
159 Clinical analysis on pregnancy complications of senile pregnant women
被動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。但其在使用過(guò)程中無(wú)法準(zhǔn)確獲得井底轉(zhuǎn)矩、鉆壓及振動(dòng)參數(shù)等信息,不同區(qū)塊地層參數(shù)及泥漿等參數(shù)的差異有時(shí)會(huì)導(dǎo)致粘滑抑制技術(shù)的失效。
2主動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)
主動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)主要是通過(guò)實(shí)時(shí)獲得準(zhǔn)確的井底鉆壓、轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)等參數(shù),并通過(guò)井口或者井下直接閉環(huán)控制。目前,井底參數(shù)測(cè)量技術(shù)發(fā)展迅速,從記憶存儲(chǔ)到實(shí)時(shí)通信,從鉆壓、轉(zhuǎn)矩參數(shù)測(cè)量到振動(dòng)參數(shù)測(cè)量,有力地推動(dòng)了主動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)的發(fā)展。
2.1軟轉(zhuǎn)矩鉆井系統(tǒng)
國(guó)外Shell、NOV及Bentec公司已先后研制出用于抑制粘滑的軟轉(zhuǎn)矩系統(tǒng),如圖5。該系統(tǒng)主要通過(guò)井底井底鉆壓、轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)等參數(shù)傳感器+鉆柱動(dòng)力學(xué)分析軟件,閉環(huán)控制鉆柱轉(zhuǎn)速,使井底工具串組合避開臨界鉆壓及危險(xiǎn)轉(zhuǎn)速區(qū)間。借助軟轉(zhuǎn)矩系統(tǒng),粘滑現(xiàn)象能夠得到有效控制[10-11]。
國(guó)內(nèi)北京石油機(jī)械廠也已研制出了具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品,并在沙特、尼日利亞等地得到成功應(yīng)用,得到了用戶的認(rèn)可。
圖5 軟轉(zhuǎn)矩鉆井系統(tǒng)
2.2井下自適應(yīng)振動(dòng)阻尼器
國(guó)外APS公司研制的井下自適應(yīng)振動(dòng)阻尼器(如圖6)是通過(guò)測(cè)量井下沖擊和振動(dòng)的方式主動(dòng)調(diào)整井下沖擊減震器的阻尼特性(阻尼特性調(diào)整通過(guò)線圈電流控制磁流變體粘性實(shí)現(xiàn)),從而改變BHA自身的軸向和隨機(jī)扭轉(zhuǎn)剛度,響應(yīng)井下瞬間功能障礙,并且不會(huì)延遲原有的井下數(shù)據(jù)傳輸。該工具的主要特點(diǎn)是通過(guò)近鉆頭閉環(huán)控制,可快速準(zhǔn)確抑制粘滑。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中提高機(jī)械鉆速21%以上,提高鉆頭進(jìn)尺125%[12]。
目前,國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)研究報(bào)道。
圖6 井底自適應(yīng)振動(dòng)減阻器
2.3小結(jié)
主動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是能夠通過(guò)傳感器準(zhǔn)確了解井底鉆井參數(shù)并加以精準(zhǔn)控制,其不受地層參數(shù)及泥漿等參數(shù)外因的影響。主動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)的關(guān)鍵是井底傳感器的工作可靠性及控制程序的準(zhǔn)確算法。
3發(fā)展趨勢(shì)
通過(guò)國(guó)內(nèi)外PDC鉆頭粘滑控制技術(shù)的主要進(jìn)展和現(xiàn)狀的介紹及分析,筆者認(rèn)為其未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)如下:
1)主動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)是主流發(fā)展趨勢(shì)。
相對(duì)于被動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù),主動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)能夠通過(guò)傳感器精準(zhǔn)測(cè)量井底轉(zhuǎn)矩、鉆壓及振動(dòng)等參數(shù),經(jīng)過(guò)PLC控制器進(jìn)行閉環(huán)精確控制,有效消除粘滑現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)PDC鉆頭的平穩(wěn)鉆進(jìn)。另外,主動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)將帶動(dòng)井下測(cè)量及控制技術(shù)發(fā)展,為鉆井智能化、自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)。因此,主動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)是未來(lái)鉆井技術(shù)的主流發(fā)展趨勢(shì)。
2)抑制粘滑控制技術(shù)向綜合集成化應(yīng)用方向發(fā)展。
抑制粘滑控制技術(shù)綜合集成化應(yīng)用也是一個(gè)主要趨勢(shì)。一方面,能彌補(bǔ)復(fù)雜鉆井工況引起的主動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)井下傳感器、電源等部件失效問(wèn)題;另一方面,能通過(guò)對(duì)井底轉(zhuǎn)矩、鉆壓及振動(dòng)等參數(shù)準(zhǔn)確認(rèn)識(shí),實(shí)現(xiàn)被動(dòng)粘滑控制技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。兩類技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),有效保證對(duì)鉆井粘滑的抑制。
4結(jié)論
我國(guó)在鉆頭粘滑控制技術(shù)方面的研究剛起步,在難鉆、夾層等粘滑現(xiàn)象多發(fā)地層使用PDC鉆頭鉆進(jìn)時(shí),大多采用“輕吊慢打”、降低轉(zhuǎn)速,或直接采用牙輪鉆頭鉆進(jìn)。這些做法在一定程度上減緩了粘滑對(duì)鉆頭的破壞,但是犧牲了機(jī)械轉(zhuǎn)速,造成大量時(shí)間及成本的浪費(fèi)。隨著我國(guó)勘探開發(fā)的日趨深入,深井、復(fù)雜井等難鉆地層日益增多,對(duì)抑制粘滑控制技術(shù)十分急迫。筆者建議國(guó)內(nèi)在2個(gè)方面加強(qiáng)研究:
1)加強(qiáng)井下測(cè)量工具的技術(shù)攻關(guān)。井下測(cè)量工具通過(guò)精準(zhǔn)測(cè)量井底轉(zhuǎn)矩、鉆壓及振動(dòng)等參數(shù),能夠有效保證抑制粘滑控制技術(shù)精準(zhǔn)發(fā)力。筆者認(rèn)為井下測(cè)量工具應(yīng)重點(diǎn)攻關(guān)方向是測(cè)量參數(shù)多元及可靠性等方面。
2)加強(qiáng)抑制粘滑控制技術(shù)多元化及集成化應(yīng)用研究。國(guó)外抑制粘滑控制技術(shù)種類繁多,但是基于技術(shù)保密,各石油公司之間的單項(xiàng)技術(shù)集成應(yīng)用合作很少,尚未形成各單項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。筆者認(rèn)為國(guó)內(nèi)石油公司應(yīng)盡快加強(qiáng)和豐富抑制粘滑控制技術(shù)種類,加強(qiáng)合作,實(shí)現(xiàn)抑制粘滑控制技術(shù)的集成化應(yīng)用,盡快縮短與國(guó)外石油公司技術(shù)差距。
參考文獻(xiàn):
[1]張克勤,張金成,戴薇.西部深井超深井鉆井技術(shù)[J].鉆采工藝,2010,33(1):36-39.
[2]張克勤.元壩地區(qū)鉆井難題分析與技術(shù)對(duì)策探討[J].石油鉆探技術(shù),2010,38(3):27-31.
[3]Jens Rudat ,Damitriy Dasheevskiy.Development of an innovative model-based stick/slip control system[C].SPE 139996,2006.
[4]Rolf pessier ,Michael Damschen.Hybrid Bits Offer Distinct Advantages in selected Roller-Cone and PDC-bit Application [C].SPE 128741,2011.
[5]Pasquale M D,Calvaresi E,Pecantet S,et al.A Breakthough Performance for an Inland Application with a Hybrid Bit [C].SPE 163436,2013.
[6]Ahmed ismail,Sameh Hussein,Darren Eckstorm,et al.Hybrid Drill Bit Combining Fixed-Cutter and Roller-Cone Elements Improve Drilling Performance in Challeging Application in the western desert [C].SPE 164319,2013.
[7]高航獻(xiàn),瞿佳,曾鵬琿.元壩地區(qū)鉆井提速探索與實(shí)踐[J].石油鉆探技術(shù),2010,38(4):26-29.
[8]孫起昱,張雨生,李少海,等.鉆頭扭轉(zhuǎn)沖擊器在元壩10井的應(yīng)用 [J].石油鉆探技術(shù),2010,38(6):84-87.
[9]Knut Sigve Selnes.Drilling Difficult Formations Efficiently With the Use of an Anti-stall Tool [C].SPE 111874,2008.
[10]Frode Efteland,Andew R.Coit,Kirtland I.Surface Control Software Dramatically Mitigates Downhole Torsional Vibration in the Eagle For Shale Play as Validated by High-speed Downhole Dynamics Data [C].SPE 170925,2014.
[11]Runia D J,Wars S D.A Brief History of the Shell”Soft Torque Rotary System” and Some Recent Case studies [C].SPE 163548,2013.
[12]Hutchinson M,Burgess D,Tompson F,et al.Self-Adapting Bottom-Hole_Assembly Vibration Suppresstion[C].SPE 166071,2013.
文章編號(hào):1001-3482(2016)07-0104-04
收稿日期:①2016-01-31
作者簡(jiǎn)介:王宏偉(1965-),男,山東濰坊人,高級(jí)工程師,從事石油鉆井裝備與工具研究,E-mail:wanghongweidri@cnpc.com.cn。
中圖分類號(hào):TE921.107
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
doi:10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.024
Status and Development Tendency of Stick-slip Controlling Technology for PDC Bit
WANG Hongwei1,HAN Fei1,JI Youzhe1,SHI Hongmei2
(1.CNPCDrillingResearchInstitute,Beijing102200,China;2.ProductionEnvironmentalProtectionDepartment,JinchuanGroupCo.,Ltd.,Jinchang737104,China)
Abstract:PDC bit suffers serious stick-slip in drilling complicated rock formation,which limits the life-span of PDC bit and reduces the rate of penetration.By introducing and analyzing advanced PDC bit stick-slip controlling technology,in this paper some advices and references are given for the development a of domestic PDC bit stick-slip controlling technology.
Keywords:PDC bit;stick-slip;controlling