可旋轉(zhuǎn)鉆柱定向鉆進工具設(shè)計及測試

鄭德帥

（1. 中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 102206；2. 頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 102206）

隨著低滲透、非常規(guī)油氣資源的不斷開發(fā)，長水平段水平井應(yīng)用越來越廣泛。鉆水平井時，通常采用螺桿鉆具進行滑動定向鉆進，來控制井眼軌跡，但滑動定向鉆進時，鉆柱摩阻扭矩大，易出現(xiàn)托壓現(xiàn)象，導(dǎo)致機械鉆速降低[1-3]。通常情況下，滑動鉆進時的機械鉆速為復(fù)合鉆進時的1/3～1/2[4]。

為了解決滑動鉆進時的托壓問題，提高滑動鉆進機械鉆速，國內(nèi)外學(xué)者研究并提出了各種降阻技術(shù)方法，并進行了應(yīng)用，取得了良好的效果，但同時也具有各自的局限性[5-16]。提高復(fù)合鉆進比例，降低滑動鉆進比例，可大幅度提高鉆井速度，但復(fù)合鉆進時井眼軌跡控制能力降低[5]。目前，水力振蕩器應(yīng)用范圍較廣，并且取得了一定的效果，但影響范圍小、降阻效果不明顯，并且水力壓耗大[6-8]。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)克服了滑動導(dǎo)向技術(shù)的不足，機械鉆速高，但其使用及維護成本高，不利于降低鉆井成本[9-12]。鉆柱旋轉(zhuǎn)可大幅度降低軸向摩阻，避免托壓現(xiàn)象[13-14]。螺桿鉆具已應(yīng)用成熟且成本低，但進行定向鉆進時不能旋轉(zhuǎn)鉆柱。為解決使用螺桿鉆具定向鉆進時不能旋轉(zhuǎn)鉆柱的問題，基于鉆柱旋轉(zhuǎn)降阻提速原理，筆者設(shè)計了可旋轉(zhuǎn)鉆柱滑動鉆進工具（rotary slide drilling，RSD）。該工具既能保證螺桿鉆具滑動定向鉆進，又能旋轉(zhuǎn)RSD以上的大部分鉆柱。

1 RSD的降阻功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計

RSD與螺桿鉆具配合使用，安放在螺桿鉆具和無磁鉆鋌以上的位置，如圖1所示。為在滑動定向鉆進時實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆柱的功能，RSD需要產(chǎn)生可以抵消螺桿鉆具反扭矩的扭矩，來保持工具面穩(wěn)定，實現(xiàn)降低螺桿鉆具滑動定向鉆進時摩阻的目的。

圖1 RSD的安放位置示意Fig.1 The position of RSD tool

采用鉆具組合φ215.9 mm鉆頭+φ165.1 mm螺桿鉆 具+φ165.1 mm無磁鉆鋌+φ127.0 mm鉆桿×10根+φ171.5 mm RSD+φ127.0 mm鉆桿，對于相同的井身結(jié)構(gòu)和井眼軌跡，利用Landmark軟件計算水平段鉆至1 000.00 m長時的摩阻，采用常規(guī)螺桿滑動鉆進時的摩阻為250 kN，而采用RSD滑動鉆進時的摩阻只有22 kN。

根據(jù)RSD的功能要求，設(shè)計了工具結(jié)構(gòu)，如圖2所示。RSD的基本結(jié)構(gòu)由推力軸承和摩擦扭矩部件組成：推力軸承承受工作時的鉆壓及軸向拉力；摩擦扭矩部件包括彈簧和摩擦部件，可以在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生一個恒定的摩擦扭矩，利用彈簧的規(guī)格和壓縮程度調(diào)節(jié)摩擦扭矩的大小。

RSD的上接頭與鉆桿連接，下接頭與無磁鉆鋌和螺桿鉆具連接。當(dāng)鉆桿順時針旋轉(zhuǎn)時，RSD就會對螺桿的外殼產(chǎn)生一個順時針的扭矩，經(jīng)過調(diào)節(jié)彈簧和摩擦部件，使RSD產(chǎn)生的扭矩抵消螺桿的反扭矩，從而達到鉆柱旋轉(zhuǎn)時穩(wěn)定工具面的目的。

圖2 RSD的基本結(jié)構(gòu)Fig. 2 Basic structure of RSD tool

2 RSD的工作原理

RSD要平衡螺桿鉆具反扭矩，就必須能產(chǎn)生大小相等、方向相反的扭矩。螺桿鉆具的反扭矩隨鉆壓增大而增大，且呈現(xiàn)振動狀態(tài)，這就要求在正常鉆壓范圍內(nèi)，RSD產(chǎn)生的扭矩曲線與螺桿反扭矩曲線存在交點，因此將RSD產(chǎn)生的扭矩設(shè)計為一恒定值，不管螺桿反扭矩隨著鉆壓如何變化，都會存在一個交點，最終實現(xiàn)平衡螺桿反扭矩的目標(biāo)。

綜上分析得知，在RSD扭矩TS、螺桿鉆具反扭矩Tp及鉆柱與井壁摩擦扭矩Tf的共同作用下，可以使工具面角長時間保持穩(wěn)定，即：

式中：θ為工具面角，rad；TS為RSD扭矩，N·m；Tp為螺桿鉆具反扭矩，N·m；Tf為鉆柱與井壁的摩擦扭矩，N·m；t為時間；C為常數(shù)。

2.1 BHA井底扭轉(zhuǎn)振動模型

為了分析鉆柱在RSD扭矩和螺桿扭矩作用下的動力學(xué)特性，將RSD以下的鉆具組合簡化為一個整體（BHA），首先根據(jù)扭矩和轉(zhuǎn)動慣量計算出BHA的角加速度，對其進行積分，可得不同時間下的工具面角：

其中，BHA的摩擦扭矩Tf(t）為：

式中：mi為BHA第i個單元的質(zhì)量，kg；ri為BHA第i個質(zhì)量單元到轉(zhuǎn)軸的垂直距離，m；m為BHA的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；μ為BHA與井壁的摩擦因數(shù)，一般取0.3；R為BHA的半徑，m；vp為機械鉆速，m/s；ω(t)為BHA的角速度，rad/s。

正常鉆進時，由于鉆柱的振動及地層的非均質(zhì)性，鉆頭的破巖扭矩是劇烈變化的，難以進行理論計算，根據(jù)現(xiàn)場使用井下參數(shù)記錄儀Blackbox測得的井下數(shù)據(jù)及地面數(shù)據(jù)，反演螺桿鉆具的反扭矩（φ215.9 mmPDC鉆頭）為：

式（4）是基于φ215.9 mmPDC鉆頭正常鉆進（鉆壓60～80 kN）測得的數(shù)據(jù)反演出的，揭示了破巖扭矩的平均值、振幅及頻率等基本特征，可基本反映破巖扭矩的振動狀態(tài)，因此可以用其分析RSD正常鉆進時的工作原理。式（4）的缺點是無法反映鉆壓從零加載至正常值過程中扭矩的變化。

2.2 影響因素分析

利用上述BHA井底扭轉(zhuǎn)振動模型，可研究RSD扭矩、BHA長度及規(guī)格對工具面角的影響。下面以BHA為φ215.9 mm鉆頭×0.30 m+φ165.1 mm螺桿鉆具×8.50 m+φ165.1 mm無磁鉆鋌×18.20 m +φ171.5 mmRSD×3.00 m為例進行模擬分析。

模擬時輸入的參數(shù)：機械鉆速15 m/h，摩擦因數(shù)0.3，BHA長度30 m，BHA的平均外徑165.1 mm、平均內(nèi)徑72.0 mm，BHA平均線質(zhì)量130 kg/m。

模擬了RSD扭矩為2 800，2 858和2 900 N·m時，工具面角20 s內(nèi)的變化情況，結(jié)果見圖3。從圖3可以看出：當(dāng)RSD扭矩為2 858 N·m時，工具面角上下波動，但波峰波谷保持不變，因此處于動態(tài)平衡狀態(tài)；當(dāng)RSD扭矩為2 800 N·m時，工具面角逐漸減??；當(dāng)RSD扭矩為2 900 N·m時，工具面角逐漸增大。RSD扭矩為2 800和2 900 N·m時都處于不平衡狀態(tài)，但可以利用不平衡狀態(tài)調(diào)整工具面角。

圖3 不同RSD扭矩下工具面角隨時間的變化Fig.3 The change of toolface azimuth with time under different torque of RSD tool

當(dāng)RSD扭矩為2 858 N·m時，螺桿鉆具處于動態(tài)平衡狀態(tài)，雖然工具面角不發(fā)散，但處于左右搖擺狀態(tài)。BHA中螺桿、無磁鉆鋌的長度和規(guī)格由鉆井工藝決定，一般無法改變，但RSD的位置可調(diào)。由式（3）可知，對于相同尺寸的鉆頭、螺桿鉆具和鉆桿，RSD與螺桿鉆具間的距離越大，BHA的轉(zhuǎn)動慣量越大，與井壁的摩擦扭矩越大。

利用上節(jié)模型，模擬了RSD與螺桿鉆具之間加入不同長度鉆桿后工具面角20 s內(nèi)的變化情況，結(jié)果見圖4（圖4中，鉆具組合1為φ215.9 mm鉆頭×0.30 m+φ165.1 mm螺桿鉆具×8.50 m+φ165.1 mm無磁鉆鋌×18.20 m+φ127.0 mm鉆桿×108.00 m+φ171.5 mm RSD×3.00 m；鉆具組合2為φ215.9 mm鉆頭×0.30 m+φ165.1 mm螺桿鉆具×8.50 m+φ165.1 mm無磁鉆鋌×18.20 m+φ127.0 mm鉆桿×72.00 m +φ171.5 mm RSD×3.00 m；鉆具組合3為φ215.9 mm鉆頭×0.30 m+φ165.1 mm螺桿鉆具×8.50 m+φ165.1 mm無磁鉆鋌×18.20 m+φ127.0 mm鉆桿×36.00 m+φ171.5 mm RSD×3.00 m）。由圖4可以看出，當(dāng)RSD與螺桿鉆具間的距離由54.20 m增至126.20 m后，工具面角變化幅度由85°降為12°，表明RSD的安放位置對于工具面角的擺動具有重要影響。

圖4 RSD不同安放位置下工具面角隨時間的變化Fig.4 The chane of toolface azimuth with time at different positions of RSD tool

綜上分析，RSD要實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆柱滑動定向鉆進，需要滿足以下2個條件：

1）RSD輸出的扭矩能夠使螺桿鉆具工具面左右搖擺幅度一致。RSD輸出扭矩與螺桿鉆具的扭矩振動參數(shù)有關(guān)，可根據(jù)BHA扭轉(zhuǎn)動力學(xué)模型計算。

2）RSD安放位置要合理。RSD輸出扭矩與破巖時螺桿反扭矩差值一定時，較長的鉆具具有較大的轉(zhuǎn)動慣量和摩擦阻力，可有效減小螺桿左右搖擺的幅度。RSD的安放位置應(yīng)根據(jù)BHA扭轉(zhuǎn)動力學(xué)模型計算結(jié)果來確定。

3 RSD原理樣機測試

RSD測試的關(guān)鍵是模擬螺桿鉆具反扭矩的振動。圖5所示為RSD功能測試裝置，其模擬螺桿鉆具反扭矩振動的原理是，電動機通過與減速器、磁粉離合器配合，輸出變化且可控的轉(zhuǎn)速和扭矩。利用磁粉離合器調(diào)節(jié)扭矩，首先根據(jù)磁粉離合器的性能參數(shù)建立扭矩與電流的關(guān)系，利用井下實際扭矩的分析結(jié)果，在工控機上進行編程，通過控制電流來控制磁粉離合器輸出的扭矩。

圖5 RSD功能測試裝置Fig.5 Function test of RSD tool

模擬螺桿反扭矩的波動范圍為0～200 N·m，振動頻率為1 Hz。RSD原理樣機產(chǎn)生75 N·m的扭矩，模擬螺桿反扭矩在70～90和60～90 N·m振動，振動狀態(tài)為鋸齒狀。

當(dāng)螺桿反扭矩在70～90 N·m振動時，其平均值為80 N·m，高于RSD原理樣機產(chǎn)生的扭矩（75 N·m），此時RSD原理樣機的外殼（相當(dāng)于實鉆過程中的螺桿鉆具外殼）出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，工具面角隨時間增長逐漸減?。ㄈ鐖D6（a）所示），工具面角平均值從20°降至-40°左右。

圖6 不同反扭矩條件下工具面角的變化Fig.6 The change of toolface azimuth under different antitorque

當(dāng)螺桿反扭矩在60～90 N·m振動時，其平均值為75 N·m，與RSD原理樣機產(chǎn)生的扭矩大小相等、方向相反。因此RSD原理樣機的外殼出現(xiàn)了左右振動幅度相當(dāng)?shù)恼駝?，雖然振動很激烈，但工具面角基本在0°～60°范圍波動（如圖6（b）所示），工具面角隨著時間增長保持相對穩(wěn)定，說明RSD可以保持工具面動態(tài)穩(wěn)定。

4 現(xiàn)場測試

RSD工程樣機在中海石油的試驗井進行了測試，測試時長48 h。該試驗井井深539.25 m，井斜角28.7°。測試鉆具組合按理論分析組裝：φ215.9 mm鉆頭+φ165.1mm螺桿鉆具+φ165.1 mm無磁鉆鋌（MWD）+φ127.0 mm鉆桿×10根+φ171.5 mm RSD+φ127.0 mm鉆桿。鉆井參數(shù)：鉆壓10～80 kN，轉(zhuǎn)速10 r/min，排量15～25 L/s。

測試過程中，RSD的強度滿足要求，其潤滑系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常。根據(jù)MWD的測量結(jié)果，繪制了工具面角與鉆壓的關(guān)系曲線，見圖7。從圖7可以看出：鉆壓在10～30 kN范圍內(nèi)，隨著鉆壓增大，工具面角增大，說明RSD產(chǎn)生的扭矩高于螺桿反扭矩；鉆壓在30～60 kN范圍內(nèi)，工具面穩(wěn)定，說明RSD產(chǎn)生的扭矩與螺桿反扭矩大小近似相等；鉆壓在70～80 kN范圍內(nèi)，隨著鉆壓增大，工具面角逐漸減小，說明RSD產(chǎn)生的扭矩小于螺桿反扭矩。由此可知，在特定鉆壓范圍內(nèi)，RSD可實現(xiàn)鉆柱旋轉(zhuǎn)、螺桿定向的功能，初步達到了設(shè)計目標(biāo)。

圖7 鉆壓對工具面角的影響Fig.7 Effect of weight on bit（WOB） on toolface azimuth

5 結(jié)論與建議

1）定向鉆進可旋轉(zhuǎn)鉆柱降阻工具利用旋轉(zhuǎn)鉆柱減小軸向摩擦力，是一種用于解決鉆壓傳遞、提高機械鉆速的工具。

2）基于BHA的扭轉(zhuǎn)動力學(xué)模型分析得知，RSD實現(xiàn)降阻功能的必要條件為平衡螺桿反扭矩和安放位置合理。

3）室內(nèi)及現(xiàn)場測試證明，利用RSD可以在旋轉(zhuǎn)鉆柱條件下穩(wěn)定螺桿工具面。

4）定向鉆進可旋轉(zhuǎn)鉆柱降阻工具目前還處于探索階段，需要繼續(xù)對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以提高其性能、延長其使用壽命。