連續(xù)管鉆井電液定向裝置工具面調(diào)整方法

李 猛， 賀會(huì)群， 辛永安， 婁爾標(biāo)， 張?jiān)骑w

(1.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶401331；2.中國(guó)石油鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206；3.中國(guó)石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆庫爾勒 841000)

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?鉆井完井?

連續(xù)管鉆井電液定向裝置工具面調(diào)整方法

李 猛1,2， 賀會(huì)群2， 辛永安2， 婁爾標(biāo)3， 張?jiān)骑w2

(1.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶401331；2.中國(guó)石油鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206；3.中國(guó)石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆庫爾勒 841000)

針對(duì)連續(xù)管鉆井過程中工具面難以及時(shí)擺正的問題，研究了連續(xù)管鉆井電液定向裝置工具面調(diào)整方法。在設(shè)計(jì)連續(xù)管鉆井電液定向裝置結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用空間圓弧軌跡矢量描述方法，按照工具面調(diào)整方式及該電液定向裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了適合該裝置調(diào)整工具面的方法，并建立了滑動(dòng)螺母運(yùn)動(dòng)位移與工具面調(diào)整角度的函數(shù)模型。研究發(fā)現(xiàn)，控制滑動(dòng)螺母在一個(gè)行程(0～110 mm)內(nèi)往復(fù)軸向移動(dòng)，可帶動(dòng)定向裝置中的螺旋芯軸雙向旋轉(zhuǎn)工具面；工具面角在0°～360°范圍內(nèi)變化時(shí)，滑動(dòng)螺母運(yùn)動(dòng)位移與工具面角調(diào)整量呈“折線”關(guān)系，且在每條“折線”的兩斜直線段上，滑動(dòng)螺母運(yùn)動(dòng)位移隨工具面角調(diào)整量均呈線性增加關(guān)系。研究結(jié)果表明，該新型連續(xù)管鉆井電液定向裝置的工具面調(diào)整方法切實(shí)可行，有助于提高連續(xù)管鉆井效率，有利于推動(dòng)國(guó)內(nèi)連續(xù)管鉆井技術(shù)的研究與應(yīng)用。

連續(xù)管鉆井；電液定向裝置；工具面角；數(shù)學(xué)模型

我國(guó)非常規(guī)油氣資源豐富，但開發(fā)較晚，且因常規(guī)鉆井技術(shù)存在成本高、效率低的問題，使目前非常規(guī)油氣的產(chǎn)量在全部油氣產(chǎn)量中的占比仍不到5%。與常規(guī)鉆井相比，連續(xù)管鉆井(coiled tubing drilling，CTD)技術(shù)具有安全、高效、低成本等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)外已廣泛應(yīng)用于常規(guī)和非常規(guī)油氣的開發(fā)，若國(guó)內(nèi)在開發(fā)非常規(guī)油氣資源時(shí)能應(yīng)用CTD技術(shù)，必能實(shí)現(xiàn)低成本、高效率[1-3]。因此，CTD技術(shù)在我國(guó)有較好的應(yīng)用前景。不過，由于連續(xù)管屬柔性管柱，無法從地面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)定向，需應(yīng)用井下定向裝置[3-5]。

自20世紀(jì)90年代以來，國(guó)外多家石油技術(shù)服務(wù)公司開始進(jìn)行連續(xù)管鉆井定向裝置的研究，具有代表性的如Weatherford、Sperry-Sun和Schlumberger等石油技術(shù)服務(wù)公司的液壓定向裝置以及Baker Hughes公司的電液驅(qū)動(dòng)定向裝置。液壓定向裝置依靠泵循環(huán)單方向旋轉(zhuǎn)工具面，每次可旋轉(zhuǎn)角度20°～45°，需開關(guān)泵數(shù)十次才能達(dá)到目標(biāo)工具面角度，且調(diào)整工具面時(shí)鉆頭需提離井底，效率低[6]。電液驅(qū)動(dòng)定向裝置依靠連續(xù)管內(nèi)置電纜供電，可雙向連續(xù)旋轉(zhuǎn)工具面，能夠?qū)崟r(shí)控制井眼軌跡，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，研制難度大，其核心技術(shù)只被國(guó)外少數(shù)石油技術(shù)服務(wù)公司所掌握。為了推動(dòng)CTD技術(shù)在我國(guó)油氣開發(fā)中的應(yīng)用，有必要研制連續(xù)管鉆井電液定向裝置(electric-hydraulic orienter，EHO)。為此，筆者在設(shè)計(jì)連續(xù)管鉆井EHO結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了連續(xù)管鉆井EHO工具面調(diào)整方法[5-7]，并通過連續(xù)管鉆水平井實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可行性，分析了其效果。

1 EHO的結(jié)構(gòu)及原理

CTD井下工具主要由連續(xù)管、連接器、各類接頭、隨鉆測(cè)量工具、電液定向裝置和鉆頭等部件組成，如圖1所示。其中，EHO上接隨鉆測(cè)量工具，下接彎螺桿和鉆頭。

圖1 CTD井下工具組合示意Fig.1 Bottom-hole assemblies (BHA) for CTD1.連續(xù)管；2.連接器；3.電力信息接頭；4.電開關(guān)接頭；5.連接器；6.電力性能接頭；7.隨鉆測(cè)量工具；8.EHO；9.彎螺桿；10.鉆頭

EHO可依靠連續(xù)管中的電纜供電，其內(nèi)置構(gòu)件將電能轉(zhuǎn)換為液壓能，再將液壓能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)動(dòng)能輸出，從而使該裝置能夠雙向連續(xù)旋轉(zhuǎn)工具面，實(shí)時(shí)控制井眼軌跡?；谠撍悸?，筆者對(duì)EHO進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括動(dòng)力轉(zhuǎn)換單元、監(jiān)測(cè)控制單元和扭矩輸出單元3部分。動(dòng)力轉(zhuǎn)換單元包括微型電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、微型液壓泵和油箱；監(jiān)測(cè)控制單元包括電磁換向閥和角度位移傳感器；扭矩輸出單元包括雙級(jí)螺旋液壓缸、芯軸和輸出軸，其中液壓缸中的雙級(jí)螺旋機(jī)構(gòu)包括固定螺母、滑動(dòng)螺母和螺旋芯軸。EHO的基本結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2所示。

圖2 EHO的基本結(jié)構(gòu)及工作原理示意Fig.2 Structure and working principles of EHO1.微型電動(dòng)機(jī)；2.傳動(dòng)裝置；3.微型液壓泵；4.油箱；5.電磁換向閥；6.角度位移傳感器；7.雙級(jí)螺旋液壓缸；7a.固定螺母；7b.滑動(dòng)螺母；7c.螺旋芯軸；8.心軸；9.輸出軸

EHO的主要設(shè)計(jì)參數(shù)：最大外徑為101.6 mm，長(zhǎng)度為2.55 m，液壓缸滑動(dòng)螺母行程為110 mm，雙級(jí)螺旋機(jī)構(gòu)導(dǎo)程角為70°，最大輸出扭矩為1 300 N·m，輸出軸旋轉(zhuǎn)范圍為0°～360°，輸出軸轉(zhuǎn)速為1.5～3.0(°)/s，輸出軸旋轉(zhuǎn)精度為1.0°。

連續(xù)管鉆井過程中，由于井下存在反扭矩，彎螺桿的工具面會(huì)發(fā)生變動(dòng)，在鉆遇復(fù)雜地層時(shí)這種變動(dòng)尤為嚴(yán)重。有線MWD可將實(shí)時(shí)測(cè)得的工具面角信息通過連續(xù)管中的電纜上傳到地面控制系統(tǒng)進(jìn)行分析對(duì)比，若當(dāng)前工具面角與設(shè)計(jì)工具面角之間的偏差在允許范圍內(nèi)(例如不大于5°)，則繼續(xù)沿當(dāng)前工具面角鉆進(jìn)；若偏差超過允許值，由地面控制系統(tǒng)通過連續(xù)管中的電纜對(duì)定向裝置發(fā)出定向指令，確保沿設(shè)計(jì)軌道鉆進(jìn)。EHO的工具面閉環(huán)檢測(cè)控制系統(tǒng)如圖3所示(紅色虛線框代表電液定向裝置)。

工具面角閉環(huán)檢測(cè)控制系統(tǒng)的具體定向過程為：連續(xù)管鉆井過程中，地面系統(tǒng)通過連續(xù)管中內(nèi)置電纜給EHO中的微型電動(dòng)機(jī)供電，微型液壓泵在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下向雙級(jí)螺旋液壓缸供油，使液壓缸中的雙級(jí)螺旋機(jī)構(gòu)相互作用，帶動(dòng)螺旋芯軸輸出扭矩，從而旋轉(zhuǎn)工具面。同時(shí)，地面控制系統(tǒng)指示定向裝置中的電磁換向閥控制液壓油的流量、流向，從而控制雙級(jí)螺旋液壓缸中滑動(dòng)螺母的運(yùn)動(dòng)位移和方向。若滑動(dòng)螺母在一個(gè)行程內(nèi)(0～110 mm)往復(fù)軸向移動(dòng)，相應(yīng)地，工具面可在0°～360°內(nèi)旋轉(zhuǎn)。滑動(dòng)螺母向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，工具面順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，如圖2(a)所示(從左往右看)；反之，滑動(dòng)螺母向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，工具面逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，如圖2(b)所示；當(dāng)工具面角度達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，利用電磁換向閥的中位機(jī)能將工具面鎖緊在當(dāng)前位置，如圖2(c)所示。在該過程中，角位移傳感器實(shí)時(shí)記錄螺旋芯軸的旋轉(zhuǎn)角度，將角度信息通過連續(xù)管中的電纜傳至地面控制系統(tǒng)，由地面控制系統(tǒng)得出相應(yīng)的滑動(dòng)螺母位移，記錄定向完成時(shí)的當(dāng)前位移，為下次定向準(zhǔn)備。當(dāng)工具面再次發(fā)生變動(dòng)超過偏差允許值時(shí)，重復(fù)上述定向過程。

圖3 EHO的工具面角閉環(huán)檢測(cè)控制系統(tǒng)Fig.3 Closed-loop detection and control system for toolface adjustment of EHO

EHO克服了液壓定向裝置精度低、效率低的不足：首先，其通過雙級(jí)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)雙向轉(zhuǎn)動(dòng)工具面，定向精度高(取決于雙級(jí)螺旋機(jī)構(gòu)的加工配合精度)；其次，其通過連續(xù)管中內(nèi)置的電纜傳輸電力及信號(hào)，動(dòng)作指令迅速，定向效率更高。

2 工具面角調(diào)整控制

由于連續(xù)管是柔性管柱，受地層特性參數(shù)及工藝操作參數(shù)變化的影響，在CTD過程中工具面易偏離設(shè)計(jì)工具面角[8-10]，若偏差過大，則實(shí)鉆井眼軌跡將超出設(shè)計(jì)窗口。因此，需實(shí)時(shí)調(diào)整工具面角，使其接近設(shè)計(jì)的工具面角。按照斜面圓弧理論，需保持工具面角在斜面圓弧內(nèi)接近設(shè)計(jì)值[11-13]。

2.1 工具面角計(jì)算

根據(jù)空間圓弧軌跡矢量描述方法，對(duì)于斜面圓弧軌跡上任意一點(diǎn)P，工具面角ωvi如圖4所示(h為井眼高邊矢量，n為圓弧內(nèi)法線矢量，t為井眼方向矢量)[14-16]。

圖4 工具面角示意Fig.4 Tool face angle

斜面圓弧軌跡上井深增量為ΔL的任意點(diǎn)處的設(shè)計(jì)工具面角ωvi為：

(1)

(2)

(3)

n=(cos θ)n0-(sin θ)t0

(4)

(5)

n0=(cos ω0)h0+(sin ω0)v0

(6)

則工具面所需調(diào)整角度Δωi為：

(7)

式中：δ為偏差設(shè)定值，(°)；ωui為實(shí)測(cè)工具面角，(°)。

CTD過程中，每鉆進(jìn)ΔL(ΔL≤5 m)時(shí)[16]，由地面系統(tǒng)根據(jù)式(7)判斷實(shí)測(cè)工具面角與設(shè)計(jì)工具面角的偏差是否在設(shè)定值之內(nèi)，從而確定是否需要調(diào)整工具面角，以保證沿設(shè)計(jì)井眼軌道鉆進(jìn)。

2.2 工具面角的傳遞與控制

雙向調(diào)整工具面實(shí)質(zhì)上是依靠控制雙級(jí)螺旋液壓缸中滑動(dòng)螺母的往復(fù)軸向移動(dòng)來執(zhí)行的，控制滑動(dòng)螺母的運(yùn)動(dòng)位移即可控制工具面角的調(diào)整量與調(diào)整方向，故筆者分析了雙級(jí)螺旋液壓缸的滑動(dòng)螺母運(yùn)動(dòng)位移與工具面角調(diào)整量、調(diào)整方向之間的關(guān)系，滑動(dòng)螺母運(yùn)動(dòng)位移如圖5所示(P1為滑動(dòng)螺母內(nèi)側(cè)與螺旋芯軸的導(dǎo)程，mm；P2為滑動(dòng)螺母外側(cè)與固定螺母的導(dǎo)程，mm；ω1為滑動(dòng)螺母角速度，rad/s；ω2為螺旋芯軸角速度，rad/s)，工具面角的調(diào)整如圖6所示。

圖5 雙級(jí)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意Fig.5 Dual-screw transmission mechanism1.螺旋芯軸；2.推力軸承；3.滑動(dòng)螺母；4.固定螺母

圖6 工具面調(diào)整示意Fig.6 Schematic diagram for tool face adjustment

從圖5可以看出，滑動(dòng)螺母內(nèi)側(cè)與螺旋芯軸配合，滑動(dòng)螺母外側(cè)與固定螺母配合，固定螺母通過緊固螺釘固定在液壓缸缸體上，該螺旋傳動(dòng)單元為單自由度機(jī)構(gòu)。根據(jù)三者之間的幾何位置關(guān)系，可得角位移方程為：

(8)

(9)

工具面旋轉(zhuǎn)角度為：

(10)

若工具面旋轉(zhuǎn)角度為0°～360°，則：

(11)

滑動(dòng)螺母的行程為：

(12)

式中：S為滑動(dòng)螺母的軸向位移，mm；φ1為滑動(dòng)螺母相對(duì)于固定螺母的角位移，(°)；φ2為螺旋芯軸相對(duì)于滑動(dòng)螺母的角位移，(°)；φ為螺旋芯軸相對(duì)于固定螺母的角位移,(°)；Smax為滑動(dòng)螺母的最大軸向位移，mm；L為滑動(dòng)螺母的行程，mm。

結(jié)合圖5與圖6，推導(dǎo)滑動(dòng)螺母運(yùn)動(dòng)位移與工具面角的調(diào)整量、調(diào)整方向之間的函數(shù)關(guān)系。在圖5中，由于螺旋芯軸軸向固定，故以其中心為原點(diǎn)，建立平面直角坐標(biāo)系xOy。雙級(jí)螺旋液壓缸的滑動(dòng)螺母內(nèi)側(cè)和螺旋芯軸的旋向均為右旋，當(dāng)滑動(dòng)螺母右移時(shí)，可順時(shí)針方向調(diào)整工具面(從上部朝井底方向看)；反之，滑動(dòng)螺母左移時(shí)，可逆時(shí)針方向調(diào)整工具面。調(diào)整工具面過程中，將滑動(dòng)螺母的移動(dòng)設(shè)定為“就近原則”，以提高效率。“就近原則”是指：當(dāng)液壓缸的滑動(dòng)螺母質(zhì)心位移xi>0時(shí)，首先判斷滑動(dòng)螺母右移能否達(dá)到目標(biāo)工具面角，若無法達(dá)到(雙級(jí)螺旋機(jī)構(gòu)的行程所限)，則左移滑動(dòng)螺母；當(dāng)滑動(dòng)螺母質(zhì)心位移xi<0時(shí)，判斷滑動(dòng)螺母左移能否達(dá)到設(shè)計(jì)工具面，若無法達(dá)到，則右移滑動(dòng)螺母。

滑動(dòng)螺母運(yùn)動(dòng)位移與工具面的調(diào)整關(guān)系如下：

1) 如圖5、圖6(a)所示，若|Δωi|>δ且ωvi≥ωui，即Δωi>0且xui>0時(shí)，按照“就近原則”，若

(13)

此時(shí)滑動(dòng)螺母需右移。順時(shí)針調(diào)整工具面至工具面角等于設(shè)計(jì)值，滑動(dòng)螺母位移為：

(14)

(15)

此時(shí)滑動(dòng)螺母需左移。逆時(shí)針調(diào)整工具面至工具面角等于設(shè)計(jì)值，滑動(dòng)螺母位移為：

(16)

2) 如圖5、圖6(a)所示，若|Δωi|>δ,Δωi>0且xui<0時(shí)，根據(jù)“就近原則”，若

(17)

此時(shí)滑動(dòng)螺母需左移。逆時(shí)針調(diào)整工具面至工具面角等于設(shè)計(jì)值，滑動(dòng)螺母位移為：

(18)

(19)

此時(shí)滑動(dòng)螺母需右移。順時(shí)針調(diào)整工具面至工具面角等于設(shè)計(jì)值，滑動(dòng)螺母位移為：

(20)

3) 如圖5、圖6(b)所示，若|Δωi|>δ，Δωi<0且xui>0時(shí)，按照“就近原則”，若

(21)

此時(shí)滑動(dòng)螺母需右移。順時(shí)針調(diào)整工具面至工具面角等于設(shè)計(jì)值，滑動(dòng)螺母位移為：

(22)

(23)

此時(shí)滑動(dòng)螺母需左移。逆時(shí)針調(diào)整工具面至工具面角等于設(shè)計(jì)值，滑動(dòng)螺母位移為：

(24)

4) 如圖5、圖6(b)所示，若|Δωi|>δ，Δωi<0且xui<0時(shí)，按照“就近原則”，若

(25)

此時(shí)滑動(dòng)螺母需左移。逆時(shí)針調(diào)整工具面至工具面角等于設(shè)計(jì)值，滑動(dòng)螺母位移為：

(26)

(27)

此時(shí)滑動(dòng)螺母需左移。逆時(shí)針調(diào)整工具面至工具面角等于設(shè)計(jì)值，滑動(dòng)螺母位移為：

(28)

式中：xui為滑動(dòng)螺母當(dāng)前位移，mm；Δxi為滑動(dòng)螺母位移變化量，mm。

根據(jù)式(13)—式(28)可得出滑動(dòng)螺母當(dāng)前位移變化時(shí)，滑動(dòng)螺母運(yùn)動(dòng)位移與工具面角調(diào)整量之間的關(guān)系如圖7所示，滑動(dòng)螺母當(dāng)前位移一定時(shí)，滑動(dòng)螺母運(yùn)動(dòng)后位移與工具面角調(diào)整量呈“折線”關(guān)系，隨著工具面角調(diào)整量增大，由于滑動(dòng)螺母導(dǎo)程所限，在單方向上的移動(dòng)不能調(diào)整到目標(biāo)工具面角，此時(shí)需要反方向移動(dòng)滑動(dòng)螺母，即出現(xiàn)“折線”，且在每條“折線”的兩斜直線段上，滑動(dòng)螺母運(yùn)動(dòng)后位移隨工具面角調(diào)整量均呈線性增加關(guān)系；滑動(dòng)螺母當(dāng)前位移越大(即滑動(dòng)螺母位置越靠右，見圖5)，滑動(dòng)螺母運(yùn)動(dòng)后位移“越早”出現(xiàn)曲折(即在工具面角調(diào)整量較小時(shí)，滑動(dòng)螺母就需反方向移動(dòng)以調(diào)整到目標(biāo)工具面角)。

圖7 滑動(dòng)螺母運(yùn)動(dòng)位移與工具面角調(diào)整量的關(guān)系Fig.7 The relation between the toolface adjustment and the piston movement

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

大港油田官-X12井是官195斷塊上的一口老井側(cè)鉆井，在井深715 m處φ139.7 mm套管內(nèi)開窗，目的層為孔店組孔一段油層，為驗(yàn)證電液定向裝置工具面調(diào)整方法的可行性及準(zhǔn)確性，應(yīng)用連續(xù)管鉆井技術(shù)鉆側(cè)鉆水平段，水平段設(shè)計(jì)采用斜面圓弧軌道。已知條件：1)目標(biāo)點(diǎn)T(E,N,Z)依次為t1(400.0,400.0,995.0)、t2(450.0,600.0,1 000.5)、t3(650.0,650.0,995.1)、t4(872.0,570.0,990.0)；2)彎螺桿的結(jié)構(gòu)彎角為1.5°，長(zhǎng)度為6 m；3)實(shí)測(cè)工具面角與設(shè)計(jì)軌道工具面角的偏差設(shè)定值為5°。

先按照式(1)—式(6)計(jì)算設(shè)計(jì)井眼軌道的工具面角；然后，在連續(xù)管鉆井過程中，每鉆進(jìn)5 m對(duì)實(shí)測(cè)工具面角度與設(shè)計(jì)工具面角度進(jìn)行一次對(duì)比，若|ωvi-ωui|>δ，需根據(jù)式(13)—式(28)及時(shí)調(diào)整工具面角至設(shè)計(jì)值，部分工具面調(diào)整數(shù)據(jù)見表1。

3.1 試驗(yàn)1

根據(jù)表3，距離目標(biāo)點(diǎn)1井深增量10.00 m處的實(shí)測(cè)工具面角為24.19°，設(shè)計(jì)值為29.31°，由式(7)得|Δωi|=5.12°>δ。該偏差是由于CTD過程中地層反扭矩作用造成的工具面角偏差累積引起的，工具面角隨井深增量的變化如圖8所示。按式(13)—式(28)及時(shí)調(diào)整工具面角，已知當(dāng)前滑動(dòng)螺母位移xui=-38.1 mm，調(diào)整到設(shè)計(jì)值時(shí)滑動(dòng)螺母位移為xvi=-39.6 mm，滑動(dòng)螺母需向左移動(dòng)，逆時(shí)針調(diào)整工具面，滑動(dòng)螺母位移變化如圖9所示。

表1 部分工具面調(diào)整數(shù)據(jù)

Table 1 Partial adjustment data of tool face

目標(biāo)點(diǎn)井深增量/m井斜角/(°)方位角/(°)工具面角/(°)滑動(dòng)螺母位移/mm設(shè)計(jì)值實(shí)測(cè)值設(shè)計(jì)值實(shí)測(cè)值設(shè)計(jì)值實(shí)測(cè)值差值調(diào)整前調(diào)整后滑動(dòng)螺母移動(dòng)方向工具面旋轉(zhuǎn)方向1087.4087.43343.04343.1529.3629.27-0.09-38.100√√√5.0087.4387.50344.47344.6129.3327.02-2.31-38.100√√√10.0087.4787.53345.90346.0429.3124.19-5.12-38.100-39.630左逆時(shí)針25.0087.5987.66350.19350.3329.2428.90-0.34-39.630√√√30.0087.6387.71351.63351.7729.23358.40-30.83-39.630-48.870左逆時(shí)針40.0087.7287.76354.49354.6329.1928.96-0.23-48.870√√√????????????80.0088.1388.285.946.1329.1222.58-6.54-52.14053.766右順時(shí)針????????????2215.0089.9689.9944.5344.7829.9929.90-0.0936.516√√√????????????430.0092.6193.62106.02105.43158.2430.56-127.6010.686-27.570左逆時(shí)針3435.0092.5592.78106.08105.48158.05157.96-0.09-27.570√√√????????????660.0089.9790.13108.81109.32149.91144.14-5.7741.09852.718右順時(shí)針4665.0089.9190.07108.87109.43149.83148.53-0.6041.098√√√

注：“√”表示實(shí)測(cè)工具面角度與設(shè)計(jì)工具面角度在偏差設(shè)定范圍內(nèi)，無需調(diào)整。

圖8 工具面角隨井深增量的變化Fig.8 Changes of the tool surface angles with well depths

3.2 試驗(yàn)2

井深增量為30.00 m處進(jìn)行鉆壓與鉆速關(guān)系試驗(yàn)，在短時(shí)間內(nèi)將鉆壓從15 kN增大至30 kN，工具面角發(fā)生較大變動(dòng)(見圖8)，實(shí)測(cè)值為358.40°，而設(shè)計(jì)值為29.23°，由式(7)得|Δωi|=30.83°>δ，滑動(dòng)螺母運(yùn)動(dòng)之后位移為-48.87 mm，滑動(dòng)螺母需向左移動(dòng)，逆時(shí)針調(diào)整工具面，滑動(dòng)螺母位移變化如圖9所示。試驗(yàn)結(jié)束后，鉆壓恢復(fù)至15 kN。

圖9 液壓缸滑動(dòng)螺母位移隨井深增量的變化Fig.9 Changes of the hydraulic cylinder piston displacements with well depths

3.3 試驗(yàn)3

根據(jù)上述工具面調(diào)整方法，得出連續(xù)管鉆水平段過程中隨井深增量變化的滑動(dòng)螺母位移曲線(見圖9)；同時(shí)按設(shè)計(jì)井眼軌道實(shí)時(shí)調(diào)整工具面角得到的實(shí)鉆井眼軌跡如圖10中虛線所示，結(jié)果顯示水平段實(shí)鉆井眼軌跡與設(shè)計(jì)井眼軌道接近，均在設(shè)計(jì)窗口內(nèi)，在各目標(biāo)點(diǎn)處均命中靶區(qū)，滿足連續(xù)管鉆井精確定向的要求。

圖10 多目標(biāo)段設(shè)計(jì)軌道Fig.10 Designed wellbore trajectory in interval with multiple targets

4 結(jié) 論

1) 應(yīng)用空間圓弧軌跡的矢量描述方法，建立了連續(xù)管鉆井工具面角計(jì)算模型，并通過分析電液定向裝置雙級(jí)螺旋機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工具面角調(diào)整規(guī)律，得到了滑動(dòng)螺母運(yùn)動(dòng)位移與工具面角調(diào)整量、調(diào)整方向的函數(shù)。

2) 在連續(xù)管鉆井過程中，應(yīng)用設(shè)計(jì)的電液定向裝置及其工具面調(diào)整方法可實(shí)時(shí)連續(xù)雙向調(diào)整工具面，有助于提高連續(xù)管鉆井效率，利于國(guó)內(nèi)連續(xù)管鉆井技術(shù)的實(shí)施。

3) 電液定向裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工具面角調(diào)整方法，為開發(fā)連續(xù)管鉆井過程中電液定向裝置的電液控程序奠定了基礎(chǔ)。

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[編輯 令文學(xué)]

Tool Face Orientation by Using an Electric-Hydraulic Orienter during Coiled Tubing Drilling

LI Meng1,2, HE Huiqun2, XIN Yongan2, LOU Erbiao3, ZHANG Yunfei2

(1.SchoolofPetroleumEngineering,ChongqingUniversityofScience&Technology,Chongqing, 401331,China; 2.CNPCDrillingResearchInstitute,Beijing, 102206,China; 3.CNPCTarimOilFieldOilandGasEngineeringInstitute,Korla,Xinjiang,841000,China)

To adjust tool face of BHA during coiled tubing drilling (CTD), an electric-hydraulic orienter (EHO) was designed after analyzing the method and principle of such adjustment. With a vector description of the space circular arc wellbore trajectory and with a consideration of structures of the orienter and the relevant adjustment techniques, the method of adjustment was established. In addition, the function model for displacement of the sliding nut and orientation of the tool surface was constructed. By using the newly developed adjustment method, the tool face angle could be adjusted precisely between 0°to 360° by controlling the reciprocating movement of the piston in one trip (0-110 mm). Research results showed that with the tool face angle modified between 0° and 360 °, the movement displacement of the sliding nut and the adjustment of tool face angle was in a “broken line” relationship. In each “l(fā)ine” of the two inclined straight line segments, the movement displacement of the sliding nut increases linearly with the change of the tool face angle adjustment. The tool face adjustment method of the new EHO was determined to be feasible. The newly developed EHO could effectively enhance drilling efficiency of CTD. In addition, the EHO with the tool face adjustment method would meet the requirements for CTD and would contribute to development of CTD in China.

coiled tubing drilling; electric-hydraulic orienter; tool face angle; mathematical model

2016-01-29；改回日期：2016-08-05。

李猛(1986—)，男，山東章丘人，2010年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程專業(yè)，2013年獲中國(guó)石油大學(xué)(華東)油氣井工程專業(yè)碩士學(xué)位，2016年獲中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院油氣井工程專業(yè)博士學(xué)位，主要從事連續(xù)管鉆井井眼軌跡控制方面的研究工作。E-mail：limengti06@126.com。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“連續(xù)管裝備與應(yīng)用技術(shù)”(編號(hào)：2011ZX05036-006)資助。

10.11911/syztjs.201606008

TE242

A

1001-0890(2016)06-0048-07