長壽命減扭防磨工具的研制與現(xiàn)場應(yīng)用

楊曉勇， 郭 鳴， 李東林， 駱勁羽， 呂 雙， 劉 洋， 成 琪

1中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程技術(shù)研究院 2中國石油集團(tuán)渤海鉆探油氣合作開發(fā)分公司

0 引言

大位移井、大斜度井等復(fù)雜井鉆井周期長，鉆柱承受的摩擦阻力大，鉆壓與驅(qū)動扭矩有效傳遞效果差，甚至扭矩超過鉆柱承受能力會發(fā)生鉆具失效導(dǎo)致無法鉆進(jìn)[1- 6]。同時，鉆桿接頭會與套管內(nèi)壁在側(cè)向力和軸向力的耦合作用下形成間歇式的滾動摩擦副，鉆桿和套管間在長時間摩擦作用下將會嚴(yán)重磨損，造成套管整體強(qiáng)度下降，易過早破漏或被擠毀從而影響油氣井壽命和開采效益[7- 10]。鉆桿嚴(yán)重磨損后會導(dǎo)致報廢或降級處理[2]。減扭防磨工具可以將鉆桿與套管間的摩擦轉(zhuǎn)化為工具本體與其旋轉(zhuǎn)外套間的摩擦，有效傳遞施工扭矩、降低套管磨損達(dá)到減小施工扭矩和保護(hù)套管的目的。

國外對減扭防磨工具的研究較早，相對成熟，如美國WWT能源公司的NRPS減阻防磨套和Weatherford公司的LOTAD防磨減扭工具現(xiàn)場應(yīng)用效果較好[11]，但其昂貴服務(wù)費用很難被現(xiàn)場接受，國內(nèi)很難得到廣泛的推廣。國內(nèi)常用的減扭防磨工具主要有鋼套式、橡膠式和滾動軸承式等3種，但均存在使用壽命不長、減扭防磨效果不理想等的問題[ 10- 15]。為此，研發(fā)一種長壽命、高效、低成本的減扭防磨工具是當(dāng)務(wù)之急。

本文在國內(nèi)外減扭防磨工具結(jié)構(gòu)特點及現(xiàn)場應(yīng)用情況分析的基礎(chǔ)上研制了一種由旋轉(zhuǎn)外套、芯軸、硬質(zhì)合金耐磨條、硬質(zhì)合金耐磨柱、擋環(huán)組成的全金屬減扭防磨工具，本工具可與鉆桿連接使用，金屬外套外徑比鉆桿接頭外徑大，鉆進(jìn)過程中工具金屬外套與套管內(nèi)壁接觸，可將鉆桿與套管間的摩擦轉(zhuǎn)化為鑲嵌在工具中的一對硬質(zhì)合金摩擦副間的摩擦，有效地降低了摩阻系數(shù)，提高了鉆壓和驅(qū)動扭矩的傳遞效率，降低了套管與鉆桿間的摩擦磨損，對套管和鉆桿具有很好的保護(hù)作用。該工具在大港油田、華北油田應(yīng)用4口井，累計工作壽命達(dá)到1 200 h以上，同一井深減扭防磨工具應(yīng)用前后施工實測扭矩最高降低29%，提高了工具的使用壽命及減扭效率，滿足了現(xiàn)場對長壽命、高效減扭防磨工具的需求。

1 減扭防磨工具結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文研制的減扭防磨工具結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由工具芯軸、上擋環(huán)、工具外套、下?lián)醐h(huán)組成。減扭防磨工具技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 減扭防磨工具技術(shù)參數(shù)

1.工具芯軸;2.上擋環(huán)；3.擋環(huán)側(cè)壁硬質(zhì)合金條；4.外套側(cè)壁硬質(zhì)合金條；5.外套內(nèi)壁硬質(zhì)合金條；6.工具外套；7.本體硬質(zhì)合金柱；8.下?lián)醐h(huán)；9.銷釘。

減扭防磨工具采用開式鉆井液潤滑，軸承式結(jié)構(gòu)設(shè)計。基于工具的使用壽命及安全性考慮，工具芯軸、擋環(huán)、外套均采用高強(qiáng)度的37CrMnMo材料制成。工具芯軸采用整體式設(shè)計，下?lián)醐h(huán)通過銷釘與本體連接，裝配、保養(yǎng)方便。上下?lián)醐h(huán)與工具外套接觸的側(cè)壁鑲嵌硬質(zhì)合金條，工具芯軸與外套接觸部分的兩端均鑲嵌硬質(zhì)合金柱，這樣就能保證在工具旋轉(zhuǎn)過程中工具外套與芯軸及上下?lián)醐h(huán)間接觸的均為高硬度硬質(zhì)合金材料，既增強(qiáng)了工具的耐磨性從而延長了工具的使用壽命,又降低了工具外套與芯軸間旋轉(zhuǎn)時的摩阻，滿足了現(xiàn)場對減扭防磨工具長壽命、高效的需求。

2 減扭防磨工具工作原理

根據(jù)井下工況設(shè)計最優(yōu)的工具安放數(shù)量、位置連接在鉆柱中，工具兩端用于與鉆桿連接，工具外套的外徑尺寸大于鉆桿接頭外徑，在鉆進(jìn)過程中工具外套與套管內(nèi)壁接觸，工具芯軸隨鉆桿旋轉(zhuǎn)進(jìn)而與外套發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，將原來鉆桿與套管內(nèi)壁的摩擦轉(zhuǎn)換為工具芯軸與外套間的摩擦，可有效降低扭矩傳遞損失，提高鉆進(jìn)效率。

3 減扭防磨工具性能測試

減扭防磨工具的抗拉、抗扭強(qiáng)度是保證其井下順利應(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)，本文以BH-JN- 202 減扭防磨工具抗拉、抗扭強(qiáng)度性能檢測為例闡述該工具性能測試過程。

3.1 測試目標(biāo)參數(shù)的制定

BH-JN- 202 減扭防磨工具在應(yīng)用過程中與?139.7 mm鉆桿連接使用，為了保證工具使用過程的安全性，BH-JN- 202 減扭防磨工具的抗拉、抗扭強(qiáng)度要高于?139.7 mm鉆桿的抗拉、抗扭強(qiáng)度。API標(biāo)準(zhǔn)(API SPEC- 5DP)中常規(guī)?139.7 mm鉆桿的抗拉、抗扭強(qiáng)度參數(shù)如表2所示。BH-JN- 202 減扭防磨工具性能檢測目標(biāo)值為：抗拉強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度 。

表2 ?139.7 mm鉆桿的抗拉抗扭性能參數(shù)

3.2 測試過程及結(jié)果

BH-JN- 202減扭防磨工具抗拉強(qiáng)度測試在LY- 5MN 拉壓測試裝置上進(jìn)行，工具兩端分別連接到設(shè)備測試接頭兩端，減扭防磨工具抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果如圖2所示，在施加拉力3 550 kN時,工具未發(fā)生塑性形變，工具保持完好，實驗結(jié)果表明BH-JN- 202 減扭防磨工具抗拉強(qiáng)度優(yōu)于API標(biāo)準(zhǔn)中對135(S)級?139.7 mm鉆桿的抗拉強(qiáng)度的規(guī)定。

圖2 減扭防磨工具抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果

抗扭強(qiáng)度測試在DYNJ- 380/200 液壓擰扣機(jī)進(jìn)行，工具放入測試設(shè)備中，設(shè)備一端鉗口固定，另一端鉗口扭轉(zhuǎn)，測試結(jié)果如圖3所示。在設(shè)備施加125 kN·m扭矩時，工具未發(fā)生屈服，保持完好。實驗結(jié)果表明BH-JN- 202 減扭防磨工具抗扭強(qiáng)度優(yōu)于API標(biāo)準(zhǔn)中對135(S)級?139.7 mm鉆桿的抗扭強(qiáng)度的規(guī)定。

圖3 減扭防磨工具抗扭強(qiáng)度測試結(jié)果

4 減扭防磨工具現(xiàn)場應(yīng)用

截止目前，本文研制的長壽命減扭防磨工具在大港油田大位移井、大斜度井共計應(yīng)用4口井，最大井深5 789 m, 最大水平位移4 291.26 m。4口井同一井深范圍應(yīng)用工具后鉆進(jìn)扭矩的實測值與不用工具的模擬值相比平均降低了約18%(如表3)，工具累計使用時間達(dá)到1 280 h。

表3 減扭防磨工具在大港油田現(xiàn)場實驗結(jié)果

4.1 XⅠ井基本情況

XⅠ井是一口在埕海油田埕海2- 2人工島實施的四開三段制定向井，設(shè)計井深5 789 m，設(shè)計最大井斜53.41°，設(shè)計水平位移4 281.16 m，實鉆井身結(jié)構(gòu)如表4所示。本井三開施工期間鉆井扭矩迅速增高，三開鉆進(jìn)至2 868 m時鉆井扭矩達(dá)到34.33 kN·m，鉆進(jìn)至4 007 m時鉆井扭矩達(dá)到38.25 kN·m，施工期間頂驅(qū)經(jīng)常維修，延誤了作業(yè)周期。為了保證后續(xù)施工順利進(jìn)行，提高生產(chǎn)時效，鉆井公司決定使用長壽命減扭防磨工具，以緩解高扭矩可能造成的事故復(fù)雜及設(shè)備損壞問題。

表4 XⅠ井實鉆井身結(jié)構(gòu)

4.2 應(yīng)用效果分析

XⅠ井減鈕防磨工具應(yīng)用井段為三開4 007～4 457 m、四開4 457～5 779 m?；贚andmark 軟件對安放減扭防磨工具位置、數(shù)量的效果分析，減扭防磨工具在造斜段一個鉆井立柱接入一支，穩(wěn)斜段、直井段兩個鉆井立柱接入一支的原則進(jìn)行安放。應(yīng)用減扭防磨工具井段及數(shù)量情況如表5所示。

表5 減扭防磨工具應(yīng)用情況

在減扭防磨工具應(yīng)用過程中，三開井深4 007～4 457 m，一趟鉆完成，應(yīng)用減扭防磨工具44支，共計入井時間155 h。四開井深4 457～5 779 m,由于其它配套工具的原因，共分4趟鉆完成，應(yīng)用減扭防磨工具53支，共計入井時間1 125 h，該井應(yīng)用的減扭防磨工具累計最長入井時間達(dá)到1 280 h。在井深4 007 m時安放減扭防磨工具前后鉆井實測扭矩如圖4所示。在三開井深4 007～4 457 m和四開井深4 457～5 779 m應(yīng)用減扭防磨工具扭矩的實測值與未加減扭防磨工具扭矩的模擬值對比分析如圖5、圖6所示。

圖4 XⅠ井同井深未加與加減扭防磨工具扭矩實測對比

圖5 XⅠ井三開預(yù)測扭矩與實測扭矩對比

圖6 XⅠ井四開預(yù)測扭矩與實測扭矩對比

由圖4可知，在井深4 007 m時應(yīng)用減扭防磨工具前后扭矩的實測值由41.5 kN·m降到32.15 kN·m，扭矩降低29%。由圖5、圖6可知，安裝減扭防磨工具扭矩的實測值與未安裝減扭防磨工具扭矩的模擬值相比，扭矩平均降低了18%。通過應(yīng)用減扭防磨工具，實鉆扭矩明顯降低，效果明顯。

5 結(jié)論

(1)長壽命減扭防磨工具室內(nèi)測試結(jié)果表明,該工具抗拉強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度優(yōu)于API標(biāo)準(zhǔn)中同扣型135(S)級鉆桿相應(yīng)性能參數(shù)值，工具安全，可靠性較好。

(2)本文研制的減扭防磨工具單井累計應(yīng)用時間達(dá)到1 280 h無故障，無需保養(yǎng)，性能穩(wěn)定，無破損，大幅度延長了減扭防磨工具的使用壽命，避免了因減扭防磨工具壽命短造成起鉆次數(shù)增加從而影響鉆井效率的不利因素，對鉆井效率的提升具有重要意義。

(3)現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，本文研制的減扭防磨工具減扭效果明顯，解決了現(xiàn)場因鉆井扭矩過大造成的各種復(fù)雜事故甚至停鉆的危險，為提高大斜度井、大位移井鉆壓與驅(qū)動扭矩傳遞效率的提升提供了有效的技術(shù)手段，具有很好的市場推廣價值。