連續(xù)管鉆井井下旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)研究

董浩尹方雷喬詩(shī)涵單祥斌(.中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探公司工程技術(shù)研究院， 遼寧 盤錦 400;.冷家油田開發(fā)公司工藝研究所，遼寧 盤錦 400;.金海采油廠集輸大隊(duì)， 遼寧 盤錦 400)

技術(shù)與信息

連續(xù)管鉆井井下旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)研究

董浩1尹方雷1喬詩(shī)涵2單祥斌3(1.中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探公司工程技術(shù)研究院， 遼寧 盤錦 124010;2.冷家油田開發(fā)公司工藝研究所，遼寧 盤錦 124010;3.金海采油廠集輸大隊(duì)， 遼寧 盤錦 124010)

連續(xù)管鉆井技術(shù)經(jīng)過近幾年的發(fā)展，已逐步進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段。本文針對(duì)連續(xù)管鉆井中存在的難點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中遇到的問題進(jìn)行了分析研究，提出一種連續(xù)管鉆井井下旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方案，通過研制大扭矩可連續(xù)旋轉(zhuǎn)的渦輪定向器，改變井下鉆具組合，來實(shí)現(xiàn)工具串旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的能力。

連續(xù)管鉆井；旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；鉆具組合；定向器

連續(xù)管自20世紀(jì)60年代開始用于石油工業(yè)，20世紀(jì)90年代連續(xù)管用于鉆井，隨著連續(xù)管鉆井技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已成為石油鉆井的特色技術(shù)之一，特別是在美國(guó)和加拿大，連續(xù)管所鉆井占全球的80%左右。隨著側(cè)鉆井、側(cè)鉆水平井?dāng)?shù)量的增加以及小井眼鉆井技術(shù)和欠平衡鉆井技術(shù)的發(fā)展，連續(xù)管技術(shù)在這些井中作業(yè)的優(yōu)勢(shì)越來越明顯，用途也越來越廣[1]。

近年來，我國(guó)也開始研發(fā)連續(xù)管側(cè)鉆井技術(shù)，并進(jìn)行了幾口先導(dǎo)性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，但由于連續(xù)管尺寸小、柔性大、不旋轉(zhuǎn)以及加壓困難等特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果并不理想。由于連續(xù)管鉆井在整個(gè)鉆進(jìn)過程中，一直處于滑動(dòng)鉆進(jìn)狀態(tài)，連續(xù)管與井壁貼合，受到靜摩擦力，且沿軸線方向，增大了連續(xù)管屈曲狀態(tài)，進(jìn)一步增加了摩阻；另外，連續(xù)管不能旋轉(zhuǎn)的特性，預(yù)示著在處理遇阻、劃眼等井下復(fù)雜情況的能力低下，增大了井下安全風(fēng)險(xiǎn)。為此，筆者進(jìn)行了連續(xù)管鉆井井下旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)井下工具串在裸眼井段旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)能力，將靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦，減小摩阻，增大井眼延伸能力，增加了井下適用性，為科研人員提供借鑒和參考。

1 連續(xù)管鉆井常用井下鉆具組合

隨著技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外很多公司已具備連續(xù)管鉆井技術(shù)服務(wù)的能力，其使用的連續(xù)管鉆井工具也不盡相同，種類繁多，但功能基本類似。常用到有安全接頭、定向工具、隨鉆測(cè)量工具等專用工具以及連接器、非旋轉(zhuǎn)接頭、單流閥等輔助工具[2]。

定向器是連續(xù)管鉆井的核心工具，放置在隨鉆測(cè)量工具上部，通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)調(diào)整螺桿馬達(dá)彎角方向來實(shí)現(xiàn)井身軌跡控制。隨著定向器的發(fā)展，根據(jù)工作原理可分為液控、電控以及電液控等類型，但各類型的定向器也存在不同的缺點(diǎn)。液控式定向器通常精度差，不易控制；電控以及電液控式定向器精度高，可雙向旋轉(zhuǎn)，但功率小，旋轉(zhuǎn)緩慢，一般有旋轉(zhuǎn)范圍限制，不能同方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)[3]。

2 新型鉆具組合研究

連續(xù)管鉆井過程，整個(gè)管串貼在井壁上，處于滑動(dòng)鉆進(jìn)過程，摩擦阻力大，容易發(fā)生屈曲，甚至自鎖，不利于鉆壓傳遞。由于連續(xù)管不能旋轉(zhuǎn)，由于彎螺桿角度固定，在定向段時(shí)鉆具一直處于造斜狀態(tài)，適應(yīng)性差，現(xiàn)場(chǎng)施工中通常難以滿足井身軌跡對(duì)狗腿度的要求，進(jìn)一步加大了摩阻。同時(shí)，在下鉆遇阻時(shí)，只能通過上下提拉和開泵循環(huán)的方式解決，只有鉆頭處能夠旋轉(zhuǎn)，劃眼能力差，效率低，不易鉆出新井眼?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)井斜增大到一定程度，井眼清潔能力變差，易出現(xiàn)巖屑堆積和井底重復(fù)破碎的風(fēng)險(xiǎn)。為此，技術(shù)人員提出一種新的方案，通過研制一種大扭矩可連續(xù)旋轉(zhuǎn)的渦輪定向器，改變井下鉆具組合，來實(shí)現(xiàn)工具串旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的能力。

圖1 連續(xù)管鉆井鉆具組合研究

如圖1所示，在渦輪定向器下設(shè)計(jì)一定長(zhǎng)度可旋轉(zhuǎn)的鉆桿，上部為連接器、丟手接頭與非旋轉(zhuǎn)的連續(xù)管。旋轉(zhuǎn)段由渦輪定向器驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)井下旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的能力，使軸向靜摩擦力轉(zhuǎn)換為周向動(dòng)摩擦力。渦輪定向器提供克服井底鉆頭反扭矩及旋轉(zhuǎn)段摩擦阻力的能量，且方便控制，要求具有高扭矩低轉(zhuǎn)速的特性。同時(shí)，需要計(jì)算旋轉(zhuǎn)段鉆桿長(zhǎng)度來確定渦輪定向器的位置，獲取最大旋轉(zhuǎn)段長(zhǎng)度，增加井眼延伸能力。

3 渦輪定向器研究

根據(jù)渦輪定向器高扭矩、低轉(zhuǎn)速的需求，筆者對(duì)定向器進(jìn)行功能原理設(shè)計(jì)，渦輪定向器按順序應(yīng)包括電路部分、渦輪動(dòng)力裝置、離合控制單元、行星減速機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)部分和輸出軸六部分。

電路部分可以識(shí)別地面發(fā)送的指令信號(hào)，并對(duì)離合器進(jìn)行控制；渦輪動(dòng)力裝置通過多級(jí)渦輪，為下部旋轉(zhuǎn)段提供工作能量；離合控制單元受電路部分控制，可控制渦輪與下部結(jié)構(gòu)的“離合”；行星減速機(jī)構(gòu)可將高速渦輪旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為高扭低速的動(dòng)力；傳動(dòng)部分實(shí)現(xiàn)能量的輸出，同時(shí)具有反向自鎖功能，在定向作業(yè)時(shí)使井底反扭矩作用到工具本體，防止產(chǎn)生內(nèi)部扭轉(zhuǎn)，造成工具面失控。

4 旋轉(zhuǎn)段鉆桿長(zhǎng)度計(jì)算

旋轉(zhuǎn)段鉆桿長(zhǎng)度主要由渦輪定向器馬力、旋轉(zhuǎn)段鉆桿和非旋轉(zhuǎn)段連續(xù)管抗扭強(qiáng)度來計(jì)算，其中連續(xù)管抗扭強(qiáng)度最小。當(dāng)鉆速不變時(shí)，旋轉(zhuǎn)段越長(zhǎng)，受到的扭矩越大，當(dāng)旋轉(zhuǎn)段達(dá)最大長(zhǎng)度時(shí)，所受扭矩等于安全條件下連續(xù)管所能承受的最大扭矩。

另外，井眼的井身軌跡也會(huì)影響旋轉(zhuǎn)段的長(zhǎng)度。井身軌跡越復(fù)雜，摩擦力越大，扭矩越大，旋轉(zhuǎn)段長(zhǎng)度越短。在水平井中，通常造斜段所受單位長(zhǎng)度摩擦力大于水平段，定向器到達(dá)造斜點(diǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)段受到的扭矩最大[4]。

圖2 旋轉(zhuǎn)段鉆桿受力示意圖

在造斜段終點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)段鉆桿受到的軸向力為式中：wp為鉆桿單位長(zhǎng)度重量；lr,l為旋轉(zhuǎn)段鉆桿在水平段長(zhǎng)

度；φ為井斜角；F0為井底受到的軸向力。

旋轉(zhuǎn)段鉆桿在造斜段受到的軸向力為

在造斜段受到的法向力總和為

對(duì)于水平段，法向力總和為

造斜段旋轉(zhuǎn)段鉆桿受到的扭矩為

當(dāng)渦輪定向器到達(dá)造斜點(diǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)段鉆桿在造斜段和水平段所受的扭矩之和，等于連續(xù)管能承受的最大扭矩，因此，可以

求得旋轉(zhuǎn)段鉆桿水平段長(zhǎng)度。

式中：Ty為連續(xù)管能承受的最大扭矩；μ為摩擦系數(shù)；rp為鉆

桿接箍外徑；ri為近鉆頭第i個(gè)工具本體外徑；wi為第i個(gè)

工具單位長(zhǎng)度重量；li為第i個(gè)工具單位長(zhǎng)度。

旋轉(zhuǎn)段鉆桿總長(zhǎng)為

5 結(jié)語

(1)旋轉(zhuǎn)段工具串可在裸眼井段進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，將靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦，減小摩阻，增大井眼延伸能力。

(2)渦輪定向器通過多級(jí)渦輪驅(qū)動(dòng)，并經(jīng)過行星齒輪減速，通過離合控制單元控制，可調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速，為井下工具串提供高扭低速的動(dòng)力。

(3)通過地面軟件控制渦輪定向器的工作模式，可以實(shí)時(shí)切換井下工具滑動(dòng)鉆進(jìn)和旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的狀態(tài)，使井眼軌跡更加平滑，適應(yīng)性強(qiáng)，同時(shí)減少了因螺桿彎角不匹配而進(jìn)行連續(xù)管起下鉆作業(yè)的次數(shù)，增加了連續(xù)管的使用壽命。

(4)旋轉(zhuǎn)段鉆桿的長(zhǎng)度，需要根據(jù)施工井井眼狀況和安全系數(shù)進(jìn)行施工前設(shè)計(jì)或校核，以避免出現(xiàn)井下事故，保障施工安全。

[1]唐志軍，劉正中，熊繼有．連續(xù)管鉆井技術(shù)綜述[J]．天然氣工業(yè)，2005，25(8)：73-75．

[2]尹方雷．連續(xù)管鉆井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]．內(nèi)蒙古石油化工，2012，38(13)：102-104．

[3]李猛，賀會(huì)群，張?jiān)骑w，等．連續(xù)管鉆井定向器技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展建議[J]．石油機(jī)械，2015，43(1)：32-37．

[4]Oyedokun,O.and Schubert J,Extending the Reach of Coiled Tubing in Directional Wells with Downhole Motors [R].SPE 168240,2014.