連續管鉆井井下旋轉鉆進技術研究

2017-10-13 08:30:09董浩尹方雷喬詩涵單祥斌中國石油長城鉆探公司工程技術研究院遼寧盤錦400冷家油田開發公司工藝研究所遼寧盤錦400金海采油廠集輸大隊遼寧盤錦400

化工管理 2017年28期

董浩尹方雷喬詩涵單祥斌(.中國石油長城鉆探公司工程技術研究院，遼寧盤錦 400;.冷家油田開發公司工藝研究所，遼寧盤錦 400;.金海采油廠集輸大隊，遼寧盤錦 400)

技術與信息

連續管鉆井井下旋轉鉆進技術研究

董浩1尹方雷1喬詩涵2單祥斌3(1.中國石油長城鉆探公司工程技術研究院，遼寧盤錦 124010;2.冷家油田開發公司工藝研究所，遼寧盤錦 124010;3.金海采油廠集輸大隊，遼寧盤錦 124010)

連續管鉆井技術經過近幾年的發展，已逐步進入現場試驗階段。本文針對連續管鉆井中存在的難點及現場試驗中遇到的問題進行了分析研究，提出一種連續管鉆井井下旋轉鉆進方案，通過研制大扭矩可連續旋轉的渦輪定向器，改變井下鉆具組合，來實現工具串旋轉鉆進的能力。

連續管鉆井；旋轉鉆進；鉆具組合；定向器

連續管自20世紀60年代開始用于石油工業，20世紀90年代連續管用于鉆井，隨著連續管鉆井技術的發展，現已成為石油鉆井的特色技術之一，特別是在美國和加拿大，連續管所鉆井占全球的80%左右。隨著側鉆井、側鉆水平井數量的增加以及小井眼鉆井技術和欠平衡鉆井技術的發展，連續管技術在這些井中作業的優勢越來越明顯，用途也越來越廣[1]。

近年來，我國也開始研發連續管側鉆井技術，并進行了幾口先導性現場試驗，但由于連續管尺寸小、柔性大、不旋轉以及加壓困難等特點，現場試驗效果并不理想。由于連續管鉆井在整個鉆進過程中，一直處于滑動鉆進狀態，連續管與井壁貼合，受到靜摩擦力，且沿軸線方向，增大了連續管屈曲狀態，進一步增加了摩阻；另外，連續管不能旋轉的特性，預示著在處理遇阻、劃眼等井下復雜情況的能力低下，增大了井下安全風險。為此，筆者進行了連續管鉆井井下旋轉鉆進技術研究，實現井下工具串在裸眼井段旋轉鉆進能力，將靜摩擦轉變為動摩擦，減小摩阻，增大井眼延伸能力，增加了井下適用性，為科研人員提供借鑒和參考。

1 連續管鉆井常用井下鉆具組合

隨著技術的發展，國外很多公司已具備連續管鉆井技術服務的能力，其使用的連續管鉆井工具也不盡相同，種類繁多，但功能基本類似。常用到有安全接頭、定向工具、隨鉆測量工具等專用工具以及連接器、非旋轉接頭、單流閥等輔助工具[2]。

定向器是連續管鉆井的核心工具，放置在隨鉆測量工具上部，通過旋轉機構調整螺桿馬達彎角方向來實現井身軌跡控制。隨著定向器的發展，根據工作原理可分為液控、電控以及電液控等類型，但各類型的定向器也存在不同的缺點。液控式定向器通常精度差，不易控制；電控以及電液控式定向器精度高，可雙向旋轉，但功率小，旋轉緩慢，一般有旋轉范圍限制，不能同方向連續旋轉[3]。

2 新型鉆具組合研究

連續管鉆井過程，整個管串貼在井壁上，處于滑動鉆進過程，摩擦阻力大，容易發生屈曲，甚至自鎖，不利于鉆壓傳遞。由于連續管不能旋轉，由于彎螺桿角度固定，在定向段時鉆具一直處于造斜狀態，適應性差，現場施工中通常難以滿足井身軌跡對狗腿度的要求，進一步加大了摩阻。同時，在下鉆遇阻時，只能通過上下提拉和開泵循環的方式解決，只有鉆頭處能夠旋轉，劃眼能力差，效率低，不易鉆出新井眼。現場試驗中發現，當井斜增大到一定程度，井眼清潔能力變差，易出現巖屑堆積和井底重復破碎的風險。為此，技術人員提出一種新的方案，通過研制一種大扭矩可連續旋轉的渦輪定向器，改變井下鉆具組合，來實現工具串旋轉鉆進的能力。

圖1 連續管鉆井鉆具組合研究

如圖1所示，在渦輪定向器下設計一定長度可旋轉的鉆桿，上部為連接器、丟手接頭與非旋轉的連續管。旋轉段由渦輪定向器驅動，可實現井下旋轉鉆進的能力，使軸向靜摩擦力轉換為周向動摩擦力。渦輪定向器提供克服井底鉆頭反扭矩及旋轉段摩擦阻力的能量，且方便控制，要求具有高扭矩低轉速的特性。同時，需要計算旋轉段鉆桿長度來確定渦輪定向器的位置，獲取最大旋轉段長度，增加井眼延伸能力。

3 渦輪定向器研究

根據渦輪定向器高扭矩、低轉速的需求，筆者對定向器進行功能原理設計，渦輪定向器按順序應包括電路部分、渦輪動力裝置、離合控制單元、行星減速機構、傳動部分和輸出軸六部分。

電路部分可以識別地面發送的指令信號，并對離合器進行控制；渦輪動力裝置通過多級渦輪，為下部旋轉段提供工作能量；離合控制單元受電路部分控制，可控制渦輪與下部結構的“離合”；行星減速機構可將高速渦輪旋轉轉化為高扭低速的動力；傳動部分實現能量的輸出，同時具有反向自鎖功能，在定向作業時使井底反扭矩作用到工具本體，防止產生內部扭轉，造成工具面失控。