井壁深穿透電控鉆孔技術(shù)研究與現(xiàn)場試驗

劉平全， 李磊兵， 施禹岑， 韓 龍

（1.中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，遼寧盤錦 124010；2.哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院，黑龍江哈爾濱150001）

射孔完井是目前應(yīng)用最廣泛的完井技術(shù)，但其存在以下不足：1）射孔彈射入地層的深度有限，僅有 0.50～1.50 m[1–2]，不能穿透近井污染帶[3]；2）存在壓實效應(yīng)，導致壓實區(qū)域的巖石滲透率下降75%～70%[4]；3）炮彈射孔易破壞套管和環(huán)空水泥環(huán)。

為了彌補射孔完井的不足，近年來國內(nèi)外在試驗水力深穿透井壁鉆孔技術(shù)，試圖將井筒與油層有效連通；但施工時基本都采用水力驅(qū)動方式[5–6]，需要油管或連續(xù)管配合，井下工具開窗、鉆進動作切換都依靠地面泵壓水力信號，動作指令不準確，對鉆孔進尺、鉆孔速度等根據(jù)水壓波動變化情況分析、判斷，無法直接監(jiān)測，而且作業(yè)周期長、成本高，制約了深穿透鉆孔技術(shù)的應(yīng)用。

針對上述問題，筆者提出了井壁深穿透電控鉆孔的技術(shù)思路[7]。該技術(shù)不需要油管傳送，僅通過電纜下入鉆孔器到井內(nèi)油層位置，然后由地面系統(tǒng)通過電纜傳輸電能和發(fā)送控制命令，井下鉆孔器自帶電機和液壓動力系統(tǒng)，按照地面發(fā)出的指令帶動柔性鉆桿和微型鉆頭鉆入油層，鉆出長2.00 m以上、直徑20.0～30.0 mm的清潔泄油孔道。采用該技術(shù)，不產(chǎn)生壓實效應(yīng)，可使井筒與油層連通。

1 井壁深穿透電控鉆孔系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

井壁深穿透電控鉆孔系統(tǒng)主要由地面控制器、電纜和井下鉆孔器3部分組成，如圖1所示。

圖1 井壁深穿透電控鉆孔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the electrically controlled sidewall deep penetrating perforating system

地面控制器主要有3個功能：1）實現(xiàn)人機交互，工作人員通過它向井下鉆孔器發(fā)送控制信號；2）接收井下鉆孔器上傳的監(jiān)測信號并解碼顯示；3）將井場的電能轉(zhuǎn)換成儀器工作電源，通過電纜傳送至井下鉆孔器。

電纜為測井電纜，有足夠的抗拉強度、耐高溫和載流能力。

井下鉆孔器是整個系統(tǒng)的核心部分，接收地面控制信號，并按指令驅(qū)動井下電機和液壓系統(tǒng)運行，將扭矩和鉆壓施加到終端的柔性鉆桿和微型鉆頭上，微型鉆頭旋轉(zhuǎn)切削破巖，鉆入地層，形成清潔泄流孔道。

1.2 工作原理

井壁深穿透電控鉆孔系統(tǒng)作業(yè)時，通過電纜將井下鉆孔器懸吊傳送至目標層位，通過深度校定、工具錨定和地層鉆進完成施工，如圖2所示。

圖2 井壁深穿透電控鉆孔系統(tǒng)的工作原理Fig.2 Working principle of the electrically controlled sidewall deep penetrating perforating system

1）深度校定。通過井下鉆孔器自帶的測井模塊測量并校定當前深度。

2）工具錨定。完成深度校定及調(diào)整后，井下鉆孔器按照地面指令進行錨定動作，錨爪張開并卡住套管內(nèi)壁，將井下鉆孔器和套管固定，防止施工過程中井下鉆孔器發(fā)生移動，為后續(xù)施工提供穩(wěn)定的環(huán)境。

3）地層鉆進。井下鉆孔器按照地面指令，驅(qū)動柔性鉆桿和微型鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆穿套管、鉆入油層，在油層內(nèi)鉆出長于2.00 m、直徑20.0～30.0 mm的孔道，然后發(fā)出指令，將柔性鉆桿和微型鉆頭收回到工具內(nèi)，完成一個孔眼的施工。多孔眼施工時，重復上述流程。

2 關(guān)鍵工具設(shè)計

實施電控鉆孔的關(guān)鍵工具是井下鉆孔器，該工具主要由機械系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。為使該關(guān)鍵工具滿足要求，對各構(gòu)成系統(tǒng)進行了設(shè)計。

2.1 機械系統(tǒng)

機械系統(tǒng)主要由驅(qū)動液缸、液壓活塞、柔性鉆桿和微型鉆頭等組成，用來鉆進地層及收回柔性鉆桿和鉆頭，如圖3所示。工作時，液壓系統(tǒng)向加壓器無桿腔內(nèi)注入油，油壓推動活塞和活塞桿下移，并將此推力施加到扭矩傳動器，進一步傳遞到柔性鉆桿、微型鉆頭上，在此推力下，柔性鉆桿和微型鉆頭沿轉(zhuǎn)向器垂直切入地層，形成鉆壓；然后，扭矩傳動器運行，電機帶動花鍵軸以及柔性鉆桿、微型鉆頭旋轉(zhuǎn)，微型鉆頭在鉆壓和扭矩作用下垂直井壁切削鉆孔；鉆成一個孔眼后，電磁閥控制高壓油流進入加壓器的無桿腔，致使活塞桿回收上移，帶動扭矩傳動器及柔性鉆桿、微型鉆頭收回，直至微型鉆頭退回到轉(zhuǎn)向器內(nèi)，停止回收和旋轉(zhuǎn)動作。

圖3 井下鉆孔器機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.3 Mechanical system structure of downhole drilling tool

2.2 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)是井下鉆孔器的能量來源，通過對鉆進地層時所受阻力進行力矩分析，確定動力系統(tǒng)所需電機功率，選擇合適的電機，驅(qū)動柔性鉆桿實現(xiàn)井壁深穿透鉆孔。

2.2.1 鉆進阻力矩分析與電機功率確定

采用鉆孔靜摩阻力模型分析柔性鉆桿帶動鉆頭切削巖層時的阻力，模型如圖4所示（F為柔性鉆桿受到的鉆壓，N；T為柔性鉆桿受井下鉆孔器作用而產(chǎn)生的阻力扭矩，N·m；Fk為巖層孔壁在接觸點對柔性鉆桿的支撐力，N；Tb為鉆頭切削地層產(chǎn)生的阻力扭矩，N·m；Tp為柔性鉆桿和孔眼內(nèi)壁形成的阻力扭矩，N·m；藍色陰影部分代表被切削的巖層）。

圖4 鉆孔靜摩阻力模型Fig.4 Model of static friction of perforating

由圖4可知，以柔性鉆桿為研究對象進行分析，其所受阻力扭矩T=Tp+Tb。其中，Tb取決于鉆頭結(jié)構(gòu)形式、地層類型、切削深度和鉆壓，該部分是有效功耗，且占比較??；Tp是由柔性鉆桿和孔壁的接觸點形成的，對單個接觸點進行受力分析，可表示為圖5形式（圖5中，α為柔性鉆桿和孔眼的夾角，（°），取決于環(huán)形空間大?。?/p>

圖5 接觸點受力分析示意Fig.5 Analysis of force at the contact point

單個接觸點所受摩擦阻力為：

式中：Fn為單個接觸點的摩擦阻力，N；fs為接觸點的摩擦系數(shù)，取決于柔性鉆桿和地層的性質(zhì)。

則柔性鉆桿的阻力扭矩為：

式中：m為接觸點數(shù)量，取決于柔性鉆桿剛度；R為柔性鉆桿半徑，m。

分析可知，α和m是可以優(yōu)化的，方法是優(yōu)化匹配鉆頭與孔眼的間隙和提高柔性鉆桿的剛度。以滑塊柔性鉆桿為例，提高柔性鉆桿剛度，即在轉(zhuǎn)向器能順利通過的前提下，盡可能加長單節(jié)鉆桿的長度。

根據(jù)鉆進方案，取鉆頭外徑20.0 mm，柔性鉆桿外徑 17.0 mm，鉆壓 1 200 N，單節(jié)鉆桿長度 25.0 mm，柔性鉆桿和水泥摩擦系數(shù)為0.47（實測），計算得到克服靜阻力矩所需要的扭矩為34 N·m。

柔性鉆桿鉆進時的扭矩由電機提供，因此必須保證電機的輸出扭矩大于柔性鉆桿鉆進時的阻力扭矩，即電機的功率要足夠大。根據(jù)扭矩與電機功率的計算關(guān)系，有：

式中：P為電機功率，W；n為電機轉(zhuǎn)速，取 400 r/min；η為電機效率，取80%。

最后得出所需要的電機理論功率為1 780 W。

2.2.2 電機優(yōu)選與效率測試

目前井下鉆孔器基本采用2種電機：交流電機和無刷直流電機[8]。隨著無刷直流電機技術(shù)不斷成熟，越來越多的儀器改用無刷直流電機。與交流電機相比，無刷直流電機具有以下優(yōu)點：

1）效率高。井溫120～150 ℃條件下，無刷直流電機效率可達80%以上，而交流電機只能達到60%左右，即輸出功率相同時，無刷直流電機所需輸入功率更低，采用無刷直流電機的儀器總供電電流更小，有利于通過幾千米電纜向井下傳輸電能。

2）功率密度大。同樣功率條件下，無刷直流電機的體積僅為交流電機的1/3～1/2，更適用于井下鉆孔器。

因此，選用無刷直流電機作為井下鉆孔器的電機，并對該電機進行了效率測試，結(jié)果見表1。

表1 無刷直流電機效率測試結(jié)果Table 1 Efficiency tests of brushless DC motors

由表1可知，無刷直流電機的效率可達90%以上，高于理論計算時所選取的電機效率80%，足以保證鉆進地層所需。

2.2.3 柔性鉆桿殼體傳動設(shè)計

井壁深穿透電控鉆孔時，柔性鉆桿和微型鉆頭通過轉(zhuǎn)向器從垂直方向轉(zhuǎn)到垂直井壁的水平方向，進而鉆穿套管和鉆入地層。柔性鉆桿由多節(jié)滑塊殼體依次相連而成，前后相鄰2節(jié)滑塊殼體之間可以存在軸向夾角，以便適應(yīng)轉(zhuǎn)向器軌跡曲率變化，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，如圖6所示。但在試驗中，容易出現(xiàn)柔性鉆桿扭斷現(xiàn)象，這也是柔性鉆桿容易損壞的主要原因。為解決這一重要問題，對柔性鉆桿殼體（見圖7）進行了理論分析[9]：取單組殼體進行分析，假設(shè)所取相鄰2節(jié)滑塊殼體受導向器軌跡限制，形成夾角β（如圖8所示），在導向器內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，會出現(xiàn)2種極限狀態(tài)（如圖9所示）。圖8、圖9中：va為a點的運動速度，m/s；vb為b點的運動速度，m/s；ωi為輸入軸的角速度，rad/s；ωo為輸出軸的角速度，rad/s；L為連桿長度，m；β為輸出軸和輸入軸角度差，（°）。

圖6 柔性鉆桿示意Fig.6 Schematic diagram of the flexible drill pipe

圖7 柔性鉆桿殼體Fig.7 Shell of the flexible drill pipe

圖8 柔性鉆桿殼體運動示意Fig.8 Schematic diagram of shell motion of the flexible drill pipe

當柔性鉆桿處于圖9（a）所示狀態(tài)時，a點速度與b點速度相等，即：

圖9 柔性鉆桿殼體運動分析Fig.9 Shell motion analysis of the flexible drill pipe

則由式（4）—式（6）可得：

單節(jié)柔性鉆桿旋轉(zhuǎn)90°后到達圖9（b）所示狀態(tài)，此時：

b點與輸入軸i的垂直距離是Lcosβ，即：

最后得出：

以上分析可知，由于輸入節(jié)和輸出節(jié)不同軸，當輸入節(jié)以恒定的角速度ωi轉(zhuǎn)動時，輸出節(jié)的速度不是定值，而是在ωicosβ與ωi/cosβ之間周期性變化，且變換周期為90°。電機勻速帶動柔性鉆桿轉(zhuǎn)動，切削地層時，柔性鉆桿輸出端實際為變速運動，切削過程中為交變載荷，故鉆桿的破壞是由交變應(yīng)力引起的疲勞破壞，且易發(fā)生在兩軸夾角β較大處，這與試驗所得的損壞結(jié)果是一致的。

依據(jù)理論計算結(jié)果，進行以下改進：1）優(yōu)化轉(zhuǎn)向器軌跡，盡可能縮小β角；2）選擇柔性鉆桿的材料及熱處理方式時，以抗疲勞破壞為主要目的。優(yōu)化改進后，可以解決柔性鉆桿疲勞損壞的問題[10]。

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)

利用水力深穿透鉆孔技術(shù)鉆孔時，只能根據(jù)注水量和水壓的變化情況來判斷進尺和鉆速等參數(shù)，無法直接監(jiān)測，因此效率和準確率低[11]。為此，在井壁深穿透電控鉆孔系統(tǒng)的井下鉆孔器中設(shè)計了一種監(jiān)測系統(tǒng)，以實時有效地監(jiān)測進尺、鉆速等參數(shù)，以便對井下工況做出及時準確的判斷。

監(jiān)測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖10所示，其工作原理是：在電機驅(qū)動下，傳動軸旋轉(zhuǎn)，并沿著其軸線方向伸出，將扭矩和鉆壓依次傳遞到導錐、聯(lián)軸節(jié)和柔性鉆桿上，最終由柔性鉆桿帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)[12]，鉆入油層。其中，滑環(huán)是一個環(huán)形金屬部件，安裝在聯(lián)軸節(jié)的軸頸上，其內(nèi)徑大于聯(lián)軸節(jié)軸頸，可以自由旋轉(zhuǎn)，左右兩側(cè)分別被導錐端面和聯(lián)軸節(jié)的軸肩限位，軸向移動速度和傳動軸的伸出速度一致?；h(huán)通過螺釘和一條細長形滑塊固定連接，滑塊上等距離安裝有一組磁柱，工作時滑塊隨滑環(huán)移動，當滑塊上的磁柱經(jīng)過霍爾傳感器[13]時，霍爾傳感器會產(chǎn)生脈沖電信號，并將該信號傳入實時監(jiān)測電路[14]，通過識別和累計脈沖信號，可計算出進尺。

圖10 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of the monitoring system

2.4 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)的作用是建立油壓，為鉆孔和錨定提供液壓動力，其工作原理如圖11所示：電機驅(qū)動液壓泵運行，建立油壓，經(jīng)溢流閥形成7～10 MPa油壓，一支油路經(jīng)電磁換向閥進入鉆孔機構(gòu)，實現(xiàn)地層鉆孔的推進和復位；另一支油路經(jīng)電磁換向閥進入錨定機構(gòu)，控制錨定和解封。

圖11 液壓系統(tǒng)工作原理Fig.11 Working principle of the hydraulic system

2.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是井下鉆孔器的“大腦”，通過接受地面指令控制各電機、液壓泵、電磁閥運行，實施校深、錨定、地層鉆進和解封等作業(yè)。此外，控制系統(tǒng)接收傳感器發(fā)送的壓力、溫度、進尺等的信號，進行處理后反饋到地面，其工作原理如圖12所示。

圖12 控制系統(tǒng)工作原理示意Fig.12 Flow chart of the control system

3 現(xiàn)場試驗

2019—2020 年，井壁深穿透電控鉆孔技術(shù)在遼河油田某地熱井改造區(qū)塊2口井進行了現(xiàn)場試驗。其中，J31井鉆孔18個，J20井鉆孔12個，最大穿深大于2.00 m，直徑 20.0～30.0 mm?，F(xiàn)場試驗后，與 2 口采用其他完井措施的鄰井進行了效果對比，結(jié)果見表2。

表2 試驗井與鄰井完井效果對比Table 2 Comparison between completion results of test wells and adjacent wells

由表2可知：J31井和J20井的單位厚度產(chǎn)量分別是鄰井J-W1-02井的2.2倍和2.6倍，是鄰井J2-9-12井的2.1倍和2.5倍，可見效果非常顯著。這說明，井壁深穿透電控鉆孔技術(shù)為近井地層改造提供了一種新的技術(shù)途徑[15]，且增產(chǎn)效果明顯，值得推廣應(yīng)用。

4 結(jié)論與建議

1）通過設(shè)計井下鉆孔器驅(qū)動液缸、液壓活塞等部件，實現(xiàn)了柔性鉆桿與鉆頭的平穩(wěn)安全伸出和回收；通過分析鉆進地層時所受阻力扭矩，確定了井下鉆孔器所需電機功率，優(yōu)選出了合適的直流電機，實現(xiàn)了機械、液壓等系統(tǒng)的高效驅(qū)動；采用電纜懸吊傳送鉆孔儀器入井，能夠提高井壁深穿透電控鉆孔作業(yè)效率。

2）研制的專用監(jiān)測系統(tǒng)，可在施工時對鉆進長度、鉆進深度等參數(shù)進行實時監(jiān)測，解決了傳統(tǒng)水力鉆孔技術(shù)效率低、施工過程中監(jiān)測不及時、不準確等問題。設(shè)計了帶有2條油路的液壓系統(tǒng)，可以建立7～10 MPa油壓，為地層鉆進和錨定、解封提供液壓動力。

3）研制了井下鉆孔器的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過接受地面指令，可以控制各電機、液壓泵、電磁閥正常運行，實現(xiàn)校深、錨定、地層鉆進和解封等作業(yè)。

4）采用機電液一體化的井壁深穿透電控鉆孔技術(shù)，可成功鉆入地層2.00 m以上，形成直徑20.0～30.0 mm的孔道，實現(xiàn)儲層增產(chǎn)。該技術(shù)為近井地層溝通改造提供了一種新途徑，建議進一步加強井壁深穿透電控鉆孔技術(shù)的試驗、完善和配套研究，為推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。