定向井液力耦合鉆井工具研制

許朝輝,范進(jìn)朝,房 超,林子力,田家林

(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司 鉆井工藝研究所,北京 102206;2.油氣鉆完井技術(shù)國(guó)家工程研究中心,北京 102206; 3.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,成都,610500)

隨著油田開(kāi)發(fā)難度的日益加大和鉆井技術(shù)的快速發(fā)展,利用定向井來(lái)進(jìn)行油田勘探開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。油氣開(kāi)發(fā)逐漸轉(zhuǎn)向更深地層,導(dǎo)致開(kāi)采難度加大,這對(duì)于鉆井技術(shù)提出更高要求[1-2]。特別是在四川油氣田開(kāi)發(fā)作業(yè)過(guò)程中,鉆井深度更大,并且油氣儲(chǔ)層較分散,因此研究出更加穩(wěn)定可靠和精準(zhǔn)度更高的鉆井技術(shù)極其重要[3]。在鉆探過(guò)程中,使用傾斜度和方位角來(lái)描述井眼軌跡,但在實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中,會(huì)出現(xiàn)非期望的撓度,這會(huì)導(dǎo)致井眼軌跡偏離預(yù)定方向?，F(xiàn)有的定向鉆井技術(shù)分為彎螺桿定向和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)。彎螺桿定向成本較低,但鉆柱拖壓嚴(yán)重,鉆井效率和機(jī)械鉆速低,井眼軌跡不易控制,鉆屑堆積不易排出[4-5]。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)自1955年問(wèn)世以來(lái)研究不斷深入。2015年,Schlumberger公司研發(fā)出全球首款能夠在200 °C高溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)正常導(dǎo)向鉆進(jìn)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)——超高溫PowerDrive ICE旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)[6]。2016年,Halliburton公司研發(fā)出GeoPilot Duro旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)[7],該系統(tǒng)利用偏心裝置導(dǎo)致鉆頭的驅(qū)動(dòng)軸彎曲,進(jìn)而調(diào)控鉆頭的鉆進(jìn)方向。APS Technology公司研制出SureSteer-RSS475推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)[8],能夠通過(guò)調(diào)控泵速實(shí)現(xiàn)該導(dǎo)向系統(tǒng)不同工作模式的切換和停止導(dǎo)向作業(yè)。國(guó)內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)研發(fā)最開(kāi)始于20世紀(jì)90年代,蘇義腦院士[9]及其科研技術(shù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年的不懈努力,成功研究出具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CGDS-1型近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)。近年來(lái),中海油集團(tuán)[10]開(kāi)發(fā)出Welleader旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)和Drilog隨鉆測(cè)井系統(tǒng),該導(dǎo)向系統(tǒng)符合油氣開(kāi)采鉆井作業(yè)要求,可以有效地滿足在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井作業(yè)過(guò)程中的井眼軌跡控制和測(cè)井需求,此外,該系統(tǒng)還兼具能夠顯著提速的優(yōu)點(diǎn)。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向采用旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn),鉆井效率大幅提高[11-12],但制造、使用、維護(hù)成本過(guò)高,如遇卡鉆,被埋風(fēng)險(xiǎn)高,經(jīng)濟(jì)損失大[13-14]。因此,綜合彎螺桿定向的低成本以及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向高效率的特點(diǎn),本文提出一種定向井液力耦合鉆井工具,實(shí)現(xiàn)對(duì)井眼軌跡的控制。該工具通過(guò)液力產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,平衡下部螺桿鉆具傳遞的反轉(zhuǎn)矩,定向鉆進(jìn)時(shí),鉆柱可以全程旋轉(zhuǎn),減小水平段摩阻,從而減少拖壓現(xiàn)象。該工具可提高定向井鉆井效率,降低鉆井成本。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 工具結(jié)構(gòu)

液力耦合鉆井工具主要由動(dòng)力總成和耦合總成兩部分組成,如圖1所示。動(dòng)力總成主要由驅(qū)動(dòng)軸、TC軸承、串軸承組、內(nèi)部轉(zhuǎn)換接頭、萬(wàn)向軸等組成,動(dòng)力總成連接上部鉆桿,用于將上部鉆桿的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞至下方耦合總成。

1-驅(qū)動(dòng)軸;2-TC軸承;3-串軸承組;4-內(nèi)部轉(zhuǎn)換接頭;5-萬(wàn)向軸;6-萬(wàn)向軸殼體;7-流道轉(zhuǎn)換接頭;8-上連接軸;9-馬達(dá);10-下連接外殼;11-壓差控制器;12-下芯軸。圖1 液力耦合鉆井工具結(jié)構(gòu)示意圖

耦合總成連接在動(dòng)力總成下端,在下連接外殼,主要由馬達(dá)、壓差控制器、下芯軸組成,壓差控制器內(nèi)部安裝壓力噴嘴,如圖2所示。動(dòng)力總成將鉆桿的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞至耦合總成的馬達(dá)轉(zhuǎn)子,帶動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中部分鉆井液進(jìn)入定轉(zhuǎn)子環(huán)空,在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中升壓,升壓后的鉆井液經(jīng)壓差控制器后到達(dá)耦合總成出口與下連接外殼的鉆井液重新匯合。

1-馬達(dá);2-壓差控制器;3-下芯軸。圖2 耦合總成示意圖

液力耦合鉆井工具是在常規(guī)螺桿鉆具基礎(chǔ)上的創(chuàng)新,無(wú)論是在復(fù)合鉆進(jìn)階段還是在定向鉆進(jìn)階段,都能確保液力耦合鉆井工具之上的鉆桿連續(xù)旋轉(zhuǎn),有效地解決了傳統(tǒng)滑動(dòng)定向鉆井過(guò)程中由于摩阻過(guò)大導(dǎo)致的托壓等問(wèn)題,能夠有效節(jié)省鉆井時(shí)間并提升水平段長(zhǎng)度。同時(shí)無(wú)需附加另外的電子裝置,相較于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具能夠有效降低成本且操作簡(jiǎn)單。在作業(yè)過(guò)程中,定向井工程師僅通過(guò)控制頂驅(qū)轉(zhuǎn)速和螺桿工作壓差,以使液力耦合鉆井工具平穩(wěn)控制定向鉆進(jìn)時(shí)的定向工具面。

1.2 工作原理

當(dāng)上部鉆具以某一轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),會(huì)有一定量的泥漿通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸空腔到達(dá)轉(zhuǎn)子上端被吸入轉(zhuǎn)子和定子間的密封腔,通過(guò)壓差控制器后與耦合單元和下連接外殼環(huán)空的泥漿匯流。從而在液力耦合鉆井工具的動(dòng)力端和泥漿匯合短節(jié)之間產(chǎn)生一定的壓差。該壓差可因上部鉆具的轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,這個(gè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩用以平衡下部螺桿鉆具鉆進(jìn)的反轉(zhuǎn)矩。當(dāng)液力耦合器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于下部鉆具傳遞的反轉(zhuǎn)矩與摩擦轉(zhuǎn)矩之和時(shí),工具與下部鉆具組合一起旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn),此時(shí)為“合”狀態(tài),井眼軌跡為線性段。當(dāng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩等于或略小于反轉(zhuǎn)矩與摩擦轉(zhuǎn)矩之和時(shí),工具殼體與下部鉆具保持相對(duì)靜止,實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn),工具面穩(wěn)定,此時(shí)為“離”狀態(tài),井眼軌跡為非線性段。

液力耦合鉆井工具產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩等于下部螺桿鉆具反轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)速度。不同的地層,鉆井液產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩不同,可在地面選好壓差控制器的壓力噴嘴以產(chǎn)生期望的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,從而設(shè)置靜態(tài)驅(qū)動(dòng)速度。

液力耦合工具工作時(shí),螺桿部分起泵的作用。由于兩端壓差,螺桿部分會(huì)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。半周期內(nèi)轉(zhuǎn)子中心的受力示意圖如圖3所示。轉(zhuǎn)矩差為:

(1)

式中:M1為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,kN·m;Δp為泵進(jìn)出口壓差,Pa;e為轉(zhuǎn)子偏心距,mm;D為轉(zhuǎn)子直徑,m;α為轉(zhuǎn)子受力與偏心距e間的角度,(°);Llst為定子長(zhǎng)度,mm。

圖3 液力耦合鉆井工具結(jié)構(gòu)示意圖

為了得到整個(gè)周期長(zhǎng)度的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,對(duì)式(1)從0到π積分,則:

(2)

求解式(2)可得:

(3)

其中:4eDLlst為每轉(zhuǎn)的排量q,又q=8eDT,則驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為:

(4)

式中:T為定子導(dǎo)程,m。

螺桿部分定轉(zhuǎn)子為過(guò)盈配合,摩擦力作用在轉(zhuǎn)子上會(huì)造成一定的摩擦轉(zhuǎn)矩,根據(jù)作用力與反作用力,定子會(huì)受到同值反向的轉(zhuǎn)矩。定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦轉(zhuǎn)矩為[15-16]:

Mb=91.3δ+n0.45+46.5

(5)

式中:Mb為摩擦扭矩,kN·m;n為鉆柱轉(zhuǎn)速,r/min;δ為定轉(zhuǎn)子之間的初始過(guò)盈值,mm。

根據(jù)以上分析,當(dāng)轉(zhuǎn)子以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),并通過(guò)高壓泥漿時(shí),轉(zhuǎn)子會(huì)對(duì)定子施加一定的轉(zhuǎn)矩。則驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與摩擦轉(zhuǎn)矩的矢量和為工具總驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩:

M=Mb+M1

(6)

2 關(guān)鍵部件強(qiáng)度分析

使用有限元仿真軟件ABAQUS對(duì)液力耦合鉆井工具的關(guān)鍵零件進(jìn)行強(qiáng)度校核仿真分析。運(yùn)用Solidworks繪制三維模型并形成裝配體,然后將分析對(duì)象分別導(dǎo)入ABAQUS軟件中,設(shè)置對(duì)應(yīng)工況下的邊界條件,添加對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)載荷和邊界條件,利用軟件的計(jì)算功能對(duì)該工具進(jìn)行仿真分析。

在仿真時(shí),液力耦合鉆井工具的關(guān)鍵零件采用42CrMo材料,主要邊界條件參數(shù)如表1所示。

表1 主要邊界條件參數(shù)

串軸承的滾球材料選用55SiMoVA,串軸承的內(nèi)圈和外圈材料使用10CrNi3Mo,串軸承內(nèi)、外圈滾道的截面為桃型,軸系零件材料在材料庫(kù)中選擇Steel中的42CrMo[17-18]。材料力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

表2 材料的力學(xué)性能參數(shù)

在導(dǎo)入模型后,根據(jù)實(shí)際工況,對(duì)液力耦合器關(guān)鍵零件施加對(duì)應(yīng)的邊界條件和載荷,對(duì)軸系零件的一段施加固定約束,對(duì)另一端施加鉆壓和轉(zhuǎn)矩,選擇集中力和彎矩。部分模型網(wǎng)格圖如圖4～5所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)軸網(wǎng)格模型

圖5 串軸承網(wǎng)格劃分

經(jīng)過(guò)有限元軟件計(jì)算仿真可得,串軸承的整體應(yīng)力云圖如圖6所示。由圖6可得,整個(gè)串軸承最大等效應(yīng)力為353.72 MPa。

圖6 串軸承應(yīng)力云圖

圖7為串軸承上下排滾球等效應(yīng)力云圖,設(shè)上排為第1層,下排為第2層。 從圖7a和圖7b可以發(fā)現(xiàn),串軸承的第1層最大等效應(yīng)力為109 MPa,第2層最大等效應(yīng)力為222.46 MPa。

圖7 串軸承滾球應(yīng)力云圖

圖8為串軸承內(nèi)外圈應(yīng)力云圖,觀察可得,內(nèi)外環(huán)應(yīng)力最大發(fā)生在與滾球接觸的點(diǎn),串軸承上內(nèi)圈的最大等效應(yīng)力為353.72 MPa,遠(yuǎn)小于內(nèi)外圈材料的強(qiáng)度,滿足強(qiáng)度要求,串軸承中間內(nèi)圈的最大等效應(yīng)力最小,上內(nèi)圈和下外圈的應(yīng)力相對(duì)其他部件較大,中間內(nèi)外圈的應(yīng)力較小。

圖8 串軸承全部?jī)?nèi)外圈應(yīng)力云圖

圖9為驅(qū)動(dòng)軸應(yīng)力云圖,觀察可得,應(yīng)力最大發(fā)生在退刀槽處,最大等效應(yīng)力353.8 MPa,遠(yuǎn)小驅(qū)動(dòng)軸材料的強(qiáng)度,其余部分應(yīng)力在29.49 ～206.4 MPa,故驅(qū)動(dòng)軸滿足強(qiáng)度要求。

圖9 驅(qū)動(dòng)軸應(yīng)力云圖

圖10為下芯軸應(yīng)力云圖,觀察可得,最大等效應(yīng)力262.5 MPa,下芯軸應(yīng)力分布較均勻且下芯軸下部應(yīng)力集中分布在43.75 MPa。這是由于液力耦合器鉆壓和扭矩均靠外殼傳遞,下芯軸處近乎空載,所以應(yīng)力較小。最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度,下芯軸滿足強(qiáng)度要求。

圖10 下芯軸應(yīng)力云圖

圖11為上連接軸應(yīng)力云圖,觀察可得,應(yīng)力最大發(fā)生在與轉(zhuǎn)子連接處,最大等效應(yīng)力551.0 MPa,上連接軸中間區(qū)域應(yīng)力分布為45.92 ～91 MPa。下部應(yīng)力與上部相差不大。這是由于上連接軸上部與轉(zhuǎn)子連接,承受壓力及扭矩較大,下部與耐磨套旋轉(zhuǎn),存在摩擦扭矩,故兩端應(yīng)力較大,但最大應(yīng)力小于上連接軸材料的強(qiáng)度,故上連接軸滿足強(qiáng)度要求。

圖11 上連接軸應(yīng)力云圖

圖12為萬(wàn)向軸殼體應(yīng)力云圖,萬(wàn)向軸殼體為液力耦合器較薄殼體。觀察可得,應(yīng)力最大發(fā)生在公扣螺紋處,最大等效應(yīng)力250.3 MPa,萬(wàn)向軸殼體需要傳遞鉆壓與扭矩,應(yīng)力分布在83.33 ～157.6 MPa,遠(yuǎn)小于萬(wàn)向軸殼體材料的強(qiáng)度,故萬(wàn)向軸殼體滿足強(qiáng)度要求。

圖12 萬(wàn)向軸殼體應(yīng)力云圖

3 室內(nèi)試驗(yàn)

為驗(yàn)證定向井液力耦合鉆井工具的性能,開(kāi)發(fā)了針對(duì)性的綜合測(cè)試臺(tái)架。綜合測(cè)試臺(tái)架主要包括:水箱、柱塞泵、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、磁粉制動(dòng)器、流量計(jì)、進(jìn)出口壓力傳感器、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和功率傳感器等部分,如圖13～14所示。

圖13 定向井液力耦合鉆井工具的綜合測(cè)試系統(tǒng)原理

圖14 綜合測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)架

測(cè)試過(guò)程中首先將液力耦合鉆井工具安裝至綜合測(cè)試臺(tái)架,其上端與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接,尾端與磁粉制動(dòng)器連接。試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定磁粉制動(dòng)器的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,啟動(dòng)柱塞泵建立流體循環(huán),通過(guò)流量計(jì)和進(jìn)出口壓力傳感器分別監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中的流量和進(jìn)出口壓力。驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)耦合鉆井工具的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速,記錄不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下液力耦合鉆井工具的輸出轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。設(shè)定柱塞泵的流量為30 L/s,試驗(yàn)得到的輸出轉(zhuǎn)矩如圖15所示。結(jié)果顯示輸出轉(zhuǎn)矩隨定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差增加而增大,驗(yàn)證了液力耦合鉆井工具的工作原理正確。后續(xù)將開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

圖15 液力耦合工具輸出轉(zhuǎn)矩與定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差關(guān)系曲線

4 結(jié)論

1) 研發(fā)了一種新型定向井液力耦合鉆井工具。介紹了該工具的工作原理,并提出了其輸出轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型。該工具實(shí)現(xiàn)了定向鉆進(jìn)過(guò)程中上方鉆柱持續(xù)旋轉(zhuǎn),能夠有效降低托壓對(duì)定向鉆進(jìn)效率的影響。

2) 使用有限元軟件完成了關(guān)鍵零件的強(qiáng)度分析,計(jì)算結(jié)果表明,液力耦合鉆井工具的各關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

3) 開(kāi)發(fā)了綜合測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)架,該臺(tái)架能夠滿足液力耦合鉆井工具的室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試要求。室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示增加定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速差能夠增加液力耦合鉆井工具的輸出轉(zhuǎn)矩。