液力轉(zhuǎn)向器研制與應(yīng)用

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(中國石油集團 工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102200)①

近幾年，連續(xù)管鉆井技術(shù)得到快速發(fā)展，其主要研究方向為利用連續(xù)管技術(shù)進行老井側(cè)鉆。自2013年以來，已經(jīng)進行近10口井的現(xiàn)場試驗，包括4次連續(xù)管定向鉆井現(xiàn)場試驗。連續(xù)管定向鉆井的核心技術(shù)是井下定向鉆具組合的工具面控制技術(shù)，其關(guān)鍵工具是轉(zhuǎn)向器。根據(jù)動力來源的不同，轉(zhuǎn)向器可分為電動轉(zhuǎn)向器、電液轉(zhuǎn)向器和液力轉(zhuǎn)向器等。連續(xù)管定向鉆井的鉆具組合為鉆頭+彎螺桿+MWD+轉(zhuǎn)向器+馬達頭+非旋轉(zhuǎn)接頭+連接器+連續(xù)管[1-3]。

鉆井過程中，利用MWD測得井斜、方位等工程數(shù)據(jù)并通過泥漿脈沖將信息傳遞到地面；地面操作人員根據(jù)測量的數(shù)據(jù)，通過在地面啟停泥漿泵的方式，給液力轉(zhuǎn)向器發(fā)送壓力脈沖信號，液力轉(zhuǎn)向器在壓力脈沖的驅(qū)動下發(fā)生正向轉(zhuǎn)動，同時帶動彎螺桿正向轉(zhuǎn)動，從而調(diào)整定向鉆具組合的工具面，實現(xiàn)連續(xù)管定向鉆井。與電動/電液轉(zhuǎn)向工具相比，液力轉(zhuǎn)向器為純機械式結(jié)構(gòu)，制造成本低、可靠性高，但定向時操作較為復(fù)雜。作業(yè)過程中，為了將工具面調(diào)整到設(shè)計角度，有時需多次啟停泥漿泵。此外，液力轉(zhuǎn)向器只能應(yīng)用于不可壓縮流體的作業(yè)[4-7]。

基于泥漿脈沖的液力轉(zhuǎn)向器已在大港油田進行了4口井的現(xiàn)場應(yīng)用。該工具有效解決了連續(xù)管定向鉆井的技術(shù)難題，滿足了現(xiàn)階段連續(xù)管老井側(cè)鉆的技術(shù)要求。

1 工具設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)組成

泥漿脈沖式液力轉(zhuǎn)向器主要由上接頭、節(jié)流噴嘴、活塞機構(gòu)、上部殼體、復(fù)位彈簧、中部接頭、換向機構(gòu)、下部殼體、驅(qū)動齒輪、鎖定齒輪、輸出軸等組成，如圖1所示。其中，上接頭、節(jié)流噴嘴、活塞機構(gòu)、上部殼體、復(fù)位彈簧組成了液力轉(zhuǎn)向器的動力驅(qū)動系統(tǒng)；中部接頭、換向機構(gòu)、下部殼體和驅(qū)動齒輪組成了工具的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；鎖定齒輪、輸出軸組成了工具的執(zhí)行系統(tǒng)。

1—上接頭；2—節(jié)流噴嘴；3—活塞機構(gòu)；4—上部殼體；5—復(fù)位彈簧；6—中部接頭；7—換向機構(gòu)；8—下部殼體；9—驅(qū)動齒輪；10—鎖定齒輪；11—輸出軸。

1.2 基本原理

該工具依靠泥漿壓力脈沖進行工作，操作人員每啟停泥漿泵1次，工具內(nèi)部的活塞在泥漿壓力脈沖的驅(qū)動下進行直線往復(fù)運動1次。依靠工具內(nèi)部的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可將活塞的直線往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏ蚬ぞ咻敵鲚S的正向轉(zhuǎn)動，每次可正向轉(zhuǎn)動45°。當定向鉆具組合的工具面調(diào)整到設(shè)計角度后，鎖定齒輪可以將定向鉆具的工具面鎖定在固定的角度，此時可不停泵進行正常鉆進。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

工具本體外徑95 mm，額定工作壓降3～4 MPa，額定工作排量8～10 L/s，額定輸出轉(zhuǎn)矩700～945 N·m，單次轉(zhuǎn)動角度45°，最高工作溫度150 ℃，兩端連接扣型NC31。

2 室內(nèi)試驗

液力轉(zhuǎn)向器最重要的工作參數(shù)為輸出轉(zhuǎn)矩和單次轉(zhuǎn)動角度。足夠高的輸出轉(zhuǎn)矩能夠確保液力轉(zhuǎn)向器克服定向鉆具在井底的摩擦阻力，進行工具面調(diào)整；單次轉(zhuǎn)動角度的精確性可以使地面人員更好地判斷定向鉆具轉(zhuǎn)動后所處的工具面，減少每次轉(zhuǎn)動定向鉆具后用MWD測量工具面的次數(shù)，節(jié)省作業(yè)時間。由于試驗條件所限，需分別單獨進行靜態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩試驗和轉(zhuǎn)動角度試驗。

2.1 靜態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩試驗

將液力轉(zhuǎn)向器按試驗設(shè)計方案(如圖2)，在地面連接好并固定，轉(zhuǎn)向器輸出軸后面連接轉(zhuǎn)矩傳感器，二者不能相對轉(zhuǎn)動。開啟泥漿泵，排量由0逐漸增加至10 L/s，同時壓力也不斷增加，分別記錄不同壓力對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值(如表1)。根據(jù)試驗記錄，該工具在8 L/s對應(yīng)的壓力為3 MPa。在不同井底條件下，定向鉆具組合在井底所受的摩擦轉(zhuǎn)矩為380～530 N·m，而液力轉(zhuǎn)向器在額定工作排量下的額定輸出轉(zhuǎn)矩為700～945 N·m，因此，液力轉(zhuǎn)向器的設(shè)計轉(zhuǎn)矩能夠滿足連續(xù)管定向鉆井的技術(shù)要求。

圖2 輸出轉(zhuǎn)矩試驗臺設(shè)計方案

2.2 轉(zhuǎn)動角度試驗

將液力轉(zhuǎn)向器按試驗設(shè)計方案(如圖3)在地面連接好并固定，液力轉(zhuǎn)向器下部殼體處于固定狀態(tài)，輸出軸處于自由狀態(tài)，二者可以相對轉(zhuǎn)動。用粉筆分別在下部殼體和輸出軸上做好標記，以測量二者間相對轉(zhuǎn)動的距離。開啟泥漿泵，排量增加至10 L/s，觀察輸出軸相對下部殼體發(fā)生轉(zhuǎn)動，停泵。用軟尺測量出輸出軸轉(zhuǎn)動距離l，則單次轉(zhuǎn)動角度α=1 80l/πd≈45°(d為工具外徑)。重復(fù)試驗8次，通過觀察原始標記，輸出軸剛好轉(zhuǎn)動一圈回到原位，驗證了工具性能達到了設(shè)計目標。

表1 靜態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩試驗數(shù)據(jù)

圖3 轉(zhuǎn)動角度試驗臺設(shè)計方案

3 現(xiàn)場應(yīng)用

近10 a來，在世界范圍內(nèi)連續(xù)管鉆井的數(shù)量在逐步增加，從2004年起，平均每年完鉆井數(shù)達到900～1 000口。但由于利用電動/電液轉(zhuǎn)向工具進行連續(xù)管定向鉆井使用成本較高，在一定程度上限制了連續(xù)管鉆井技術(shù)的應(yīng)用[8-10]。利用液力轉(zhuǎn)向器進行連續(xù)管定向鉆井極大地降低了連續(xù)管鉆井的成本，自2015年以來，連續(xù)管液力轉(zhuǎn)向器先后在大港油田進行了4口井的現(xiàn)場應(yīng)用，工具定向鉆進總長度達到1 110 m。通過現(xiàn)場試驗證明，利用液力轉(zhuǎn)向器能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)管定向鉆井，與電動/電液轉(zhuǎn)向工具相比，其使用成本較低，現(xiàn)場維護方便。

3.1 官142-xx井

該井位于大港油田王官屯油田官xxx斷塊，1988年完鉆，此次施工進行老井側(cè)鉆。鉆井設(shè)計在139.7 mm套管內(nèi)1 510 m處開窗，目的層為孔店組孔一段油組，完鉆井深1 909 m，造斜率4(°)/ 30m，最大井斜角25.93°，井底水平位移130.24 m，靶心距范圍小于20 m。

2015-05-28正式開始作業(yè)，利用連續(xù)管開窗并穩(wěn)斜鉆進至1 515 m(井斜2.50°，方位189.25°)，此時，使用液力轉(zhuǎn)向器進行增斜、扭方位鉆進至設(shè)計井深1 714 m(井斜25.02°，方位161.51°)；最后采用PDC鉆頭穩(wěn)斜鉆進至完鉆井深1 909 m。連續(xù)管定向鉆井施工過程中，每鉆進10 m，鉆具提離井底，測量井斜、工具面，并利用液力轉(zhuǎn)向器及時調(diào)整工具面。全井累計連續(xù)管鉆井進尺403 m，平均機械鉆速3.30 m/h；其中，定向段進尺199 m，平均機械鉆速2.75 m/h。實鉆靶心距6.51 m，實現(xiàn)地質(zhì)目標安全中靶。

3.2 港539-xx井

該井位于大港油田唐家河油田xxx斷塊，2007年完鉆，此次施工進行老井側(cè)鉆。鉆井設(shè)計在139.7 mm套管內(nèi)1 406 m處開窗，目的層為館陶組，設(shè)計垂深2 120 m。井口至靶點方位92.81°，水平位移338.81 m，靶心距范圍小于20 m。

2016-11-02該井自1 406 m開窗至1 410 m，起鉆換鉆具后利用液力轉(zhuǎn)向器進行定向鉆進。定向鉆進時每10 m測量井斜、方位，及時進行工具面的調(diào)整，自井深1 410 m(井斜0.86°，方位179.02°)進行增斜、扭方位鉆進至設(shè)計井深1 768 m(井斜16.86°，方位150.52°)，定向進尺350 m。定向鉆井作業(yè)達到了鉆井設(shè)計要求，成功完成了此次連續(xù)管定向鉆井試驗。

4 結(jié)論

1) 現(xiàn)場試驗證明，液力轉(zhuǎn)向器在調(diào)整工具面時工作可靠，工具額定輸出轉(zhuǎn)矩能夠克服井底摩擦阻力，單次轉(zhuǎn)動角度精確，能夠有效滿足連續(xù)管定向鉆井的技術(shù)要求。

2) 連續(xù)管鉆井定向時操作較為復(fù)雜。作業(yè)過程中，為了將工具面調(diào)整到設(shè)計角度，有時需多次啟停泥漿泵。

3) 液力轉(zhuǎn)向器依靠泥漿的壓力脈沖進行工作，因此不適用于連續(xù)管氣體鉆井，具有一定的局限性。