BH-VDT 垂直鉆井系統(tǒng)導(dǎo)向塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

康建濤 汝大軍 馬哲 魏慶振 黃峰 郭賢偉

渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院

BH-VDT5000 垂直鉆井系統(tǒng)［1-3］曾在克深603 井?558.8 mm 井眼和克深 15 井?444.5 mm 井眼垂直鉆井施工中出現(xiàn)導(dǎo)向塊落井事故，延誤了鉆井周期，增加了鉆井成本。為了避免導(dǎo)向塊落井事故再次發(fā)生，針對(duì)“單駝峰”導(dǎo)向塊的結(jié)構(gòu)及受力進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)導(dǎo)向塊處于壓縮狀態(tài)時(shí)彈簧銷受力磨損較大，大大影響了工具安全性能，也降低了工具使用壽命。針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題對(duì)導(dǎo)向塊及彈簧銷進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的導(dǎo)向塊大幅度增加了工具在井下安全使用時(shí)間，達(dá)到了預(yù)期的目的。

1 導(dǎo)向塊落井過程描述

1.1 克深603 井導(dǎo)向塊落井過程

BH-VDT5000 垂直鉆井系統(tǒng)于 2014年12月21日 13：30 入井，2014年12月25日 11：00 出井，起出發(fā)現(xiàn)4 個(gè)導(dǎo)向塊全部落井。鉆進(jìn)井段2 122～2 258 m，單趟鉆進(jìn)尺136 m，工具入井93.5 h，鉆進(jìn)中鉆壓140～280 kN，轉(zhuǎn)速120 r/min，扭矩12～20 kN · m，排量63 L/s。

1.2 克深15 井導(dǎo)向塊落井過程

BH-VDT5000 垂直鉆井系統(tǒng)于 2015年3月19日 3：30 入井，2015年3月24日 4：00 出井。經(jīng)檢查相對(duì)應(yīng)的2 個(gè)導(dǎo)向塊落井。鉆進(jìn)井段1 774～1 865 m，單趟鉆進(jìn)尺91 m，工具入井120.5 h，鉆進(jìn)中鉆壓140～180 kN，轉(zhuǎn)速100～120 r/min，扭矩6～15 kN · m，排量60 L/s。

2 導(dǎo)向塊落井原因分析

(1)從現(xiàn)場(chǎng)打撈和工具殘存的彈簧銷碎片看，彈性銷為磨損斷裂。

(2)防導(dǎo)向塊脫落的方式單一，僅彈簧銷具有防導(dǎo)向塊脫落的功能。

(3)單駝峰導(dǎo)向塊設(shè)計(jì)的缺陷導(dǎo)致導(dǎo)向塊腰孔與彈簧銷接觸摩擦，致使彈簧銷發(fā)生疲勞斷裂，造成導(dǎo)向塊落井。

3 導(dǎo)向塊改進(jìn)技術(shù)方案

3.1 導(dǎo)向塊受力分析

導(dǎo)向塊由嵌入導(dǎo)向塊腰孔和工具本體連接孔的彈簧銷連接固定在工具本體上，以常用的?444.5 mm井眼為例，導(dǎo)向塊工作外徑最小438 mm，最大452 mm。通常只有在自由形態(tài)下導(dǎo)向塊完全伸出時(shí)導(dǎo)向塊腰孔頂部才會(huì)接觸彈簧銷，產(chǎn)生摩擦(如圖1)，當(dāng)工具入井后鉆頭尺寸只有?444.5mm，正常情況下，導(dǎo)向塊處于壓縮狀態(tài)，所以彈簧銷不會(huì)受力(不同尺寸導(dǎo)向塊設(shè)計(jì)原理相同)(如圖2)。

圖1 導(dǎo)向塊自由狀態(tài)受力圖Fig.1 Force applied on the guide block in the free state

圖2 導(dǎo)向塊井下受力圖Fig.2 Force applied on the guide block under the downhole condition

BH-VDT5000 垂直鉆井系統(tǒng)導(dǎo)向塊與井壁接觸面積較大，為減少導(dǎo)向塊與井壁接觸面積，減少工具產(chǎn)生托壓的可能性，2015年之前采用了“單駝峰”設(shè)計(jì)，在導(dǎo)向塊推靠以外部分均切削8 mm 的設(shè)計(jì)方式(如圖3)，但這卻違背了“保證導(dǎo)向塊平行移動(dòng)，確保導(dǎo)向塊腰孔與彈簧銷無接觸”的設(shè)計(jì)初衷，由于導(dǎo)向塊肩部沒有接觸井壁，加上受到彈簧片壓縮變形反彈力的作用，導(dǎo)致導(dǎo)向塊腰孔與彈簧銷產(chǎn)生了接觸摩擦，因此加劇了彈簧銷的磨損速度(如圖4)。

圖3 “單駝峰”導(dǎo)向塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.3 Structure design of “single-lump” guide block

圖4 “單駝峰”導(dǎo)向塊彈簧銷磨損實(shí)物圖Fig.4 Wear of spring pin of “single-lump” guide block

3.2 導(dǎo)向塊的改進(jìn)

為了避免彈簧銷受力受到磨損，導(dǎo)向塊由之前的“單駝峰”結(jié)構(gòu)改為“雙駝峰”結(jié)構(gòu)(如圖5)，新結(jié)構(gòu)一方面減少了與井壁的接觸面積，降低了托壓的可能性；另一方面，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了導(dǎo)向塊在井下的安全，在井眼軌跡規(guī)則和不擴(kuò)大的情況下彈簧銷始終處于導(dǎo)向塊腰孔中間位置，不影響彈簧銷不受力的設(shè)計(jì)初衷。

圖5 “雙駝峰”導(dǎo)向塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.5 Structure design of “double-lump” guide block

3.3 加強(qiáng)彈簧銷組合方式

由于空心彈簧銷在井下磨損后易破裂，進(jìn)行了實(shí)體銷與空心銷組合的設(shè)計(jì)，相同直徑的實(shí)心銷其抗剪切強(qiáng)度為彈簧銷的2 倍以上，再加上空心彈簧銷的預(yù)緊力，增強(qiáng)了組合彈簧銷(如圖6)的抗耐磨強(qiáng)度，提高了井下安全系數(shù)。

圖6 組合彈簧銷實(shí)物圖Fig.6 Combined spring pin

3.4 擋板組合彈簧銷防退設(shè)計(jì)

雖然采用了組合彈簧銷方式提高了抗剪切耐磨能力，但實(shí)際鉆進(jìn)中，導(dǎo)向塊受力極其復(fù)雜，組合彈簧銷與腰孔之間仍然存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，存在將彈簧銷組合直徑磨小的問題，直徑磨小后的彈簧銷組合易被帶出本體導(dǎo)致脫落，因此，進(jìn)行了組合彈簧銷防退擋板設(shè)計(jì)(如圖7)，有效地防止彈簧銷因位移產(chǎn)生的磨損而造成的強(qiáng)度破壞。

圖7 設(shè)計(jì)組合彈簧銷防退擋板Fig.7 Back-off damper of combined spring pin

4 改進(jìn)導(dǎo)向塊在克深1102 井的應(yīng)用

4.1 克深 1102 井身結(jié)構(gòu)

克深1102 井是庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶克深11 號(hào)構(gòu)造的一口評(píng)價(jià)井，設(shè)計(jì)井深6 960 m，采用五開井身結(jié)構(gòu)完井。一開設(shè)計(jì)鉆頭直徑?558.8 mm，井段0～300 m，二開設(shè)計(jì)鉆頭直徑?431.8 mm，井段300～2 722 m。地質(zhì)資料表明，該地區(qū)地層傾角在60°左右，鉆進(jìn)防斜問題比較突出，要求應(yīng)用垂直鉆井技術(shù)打直一開二開井眼。

4.2 施工難點(diǎn)

(1)一開?558.8 mm 大尺寸鉆頭開鉆，鉆進(jìn)破巖量較大，要求鉆井液攜巖能力好，井眼清潔性能強(qiáng)，大排量下對(duì)工具的抗沖蝕性提出更高要求。

(2)一開二開井段鉆遇新近系庫車組、康村組、吉迪克組、古近系蘇維依、庫姆格列木群上泥巖段，地層巖性復(fù)雜，泥巖、礫巖、砂礫巖等軟硬巖性交變互層，工具在井下要經(jīng)受蹩跳、大扭矩的考驗(yàn)，對(duì)導(dǎo)向塊懸掛的穩(wěn)固性提出了更高的要求。

(3)地層傾角大，垂直鉆井工具導(dǎo)向塊單邊受力時(shí)間長(zhǎng)，工具側(cè)向力大，直接影響工具工作壽命。

4.3 施工技術(shù)措施

4.3.1 優(yōu)化鉆具組合

一開鉆具組合：?558.8 mmPDC+BH-VDT5000垂鉆工具+浮閥+?228.6 mm DC×1+轉(zhuǎn)接頭+?558.8 mm 扶正器+轉(zhuǎn)接頭+?228.6 mm DC×2+轉(zhuǎn)接頭+?203.2 mm DC×15+轉(zhuǎn)接頭+?139.7 mm HWDP×15+?149.2 mm DP。

二開鉆具組合：?431.8 mm PDC+BH-VDT5000垂鉆工具+浮閥+?228.6 mm DC×1+轉(zhuǎn)接頭+?431.8 mm 扶正器+轉(zhuǎn)接頭+?228.6 mm DC×2+轉(zhuǎn)接頭+?203.2 mm DC×15+轉(zhuǎn)接頭+?139.7 mm HWDP×15+?149.2 mm DP。

克深1102 井一開二開均采用單扶組合，只有1 個(gè)扶正器，本身為強(qiáng)降斜組合，其優(yōu)點(diǎn)是鐘擺側(cè)向力大、降斜率高，缺點(diǎn)是井眼方位穩(wěn)定性差且不能承受大鉆壓。當(dāng)BH-VDT5000 工具工作時(shí)，相當(dāng)于在近鉆頭處增加了1 個(gè)變徑扶正器，整個(gè)鉆具調(diào)整為弱降斜組合，鉆進(jìn)時(shí)既能承受較大鉆壓又能平滑降斜率；同時(shí)BH-VDT5000 工具時(shí)刻推靠井壁高邊的特性使鉆頭能保持垂直方向前進(jìn)，可以達(dá)到穩(wěn)定降斜的目的，符合克深1102 井實(shí)際需求，最終現(xiàn)場(chǎng)采用這種組合實(shí)施控斜鉆進(jìn)［4-8］。

4.3.2 鉆井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

鉆壓優(yōu)選：因一開井淺，鉆壓設(shè)計(jì) 0～50 kN；二開井較深，地層成巖性好，需要大一些的鉆壓，并且使用的是PDC 鉆頭，因此鉆壓設(shè)計(jì)80～180 kN。

轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)：一開井眼較大，BH-VDT5000 懸掛?558.8 mm 導(dǎo)向塊，肩部無支撐，組合彈簧容易受到磨損，轉(zhuǎn)速不宜過快，設(shè)計(jì)最大轉(zhuǎn)速90 r/min；二開是BH-VDT5000 垂直鉆井工具適用井眼，轉(zhuǎn)速可以適當(dāng)提高，設(shè)計(jì)最大轉(zhuǎn)速為120 r/min。

排量設(shè)計(jì)：排量的設(shè)計(jì)以滿足攜巖基本要求為依據(jù)，設(shè)計(jì)最大排量60 L/s。

扭矩優(yōu)化：雖然工具的最大設(shè)計(jì)扭矩為30 kN · m，但為了保障工具的安全性和長(zhǎng)壽命，通過計(jì)算，在這2 種尺寸井眼中最大安全扭矩設(shè)置為20 kN · m。

4.3.3 優(yōu)選鉆頭

優(yōu)選適用泥巖、砂礫巖和礫巖的PDC 鉆頭，減少跳鉆的可能性，保證平穩(wěn)鉆進(jìn)，優(yōu)選的PDC 鉆頭類型：一開為T1955AB；二開為BEST TS1953 和STS915K。

4.3.4 使用改進(jìn)的導(dǎo)向塊設(shè)計(jì)

使用“雙駝峰”導(dǎo)向塊、組合式彈簧銷以及彈簧銷防退設(shè)計(jì)，確保垂直鉆井系統(tǒng)在復(fù)雜受力狀態(tài)下的穩(wěn)定性和長(zhǎng)壽命。

4.4 現(xiàn)場(chǎng)施工概述

一開：BH-VDT5000 垂直鉆井系統(tǒng)于 2016年10月11日 15：30 入井，入井井深 39 m，井斜 0.16°。10月13日 16：00 鉆至井深 296 m 起鉆，井底井斜0.08°，垂鉆進(jìn)尺257 m，儀器入井1 趟鉆，鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓 20～40 kN，轉(zhuǎn)速 60～80 r/min，排量 40～46 L/s，扭矩2～8 kN · m。

二開：BH-VDT5000 垂直鉆井系統(tǒng)于 2016年10月18日 12：30 入井，入井井深 319 m，井斜 0.16°。11月13日 10：00 鉆至井深 2 650 m 完成垂鉆進(jìn)尺任務(wù)，井底井斜0.14°，垂鉆進(jìn)尺2 331 m，儀器入井共4 趟鉆。鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓140～160 kN，排量52 L/s，轉(zhuǎn)速80～90 r/min，扭矩 16～20 kN · m。

克深1 102 井垂直鉆井工具總?cè)刖畷r(shí)間664 h，總垂鉆進(jìn)尺2 588 m，平均機(jī)速6.51 m/h，全井段井斜均控制在0.2°以內(nèi)，詳細(xì)施工情況見表1。全程鉆進(jìn)扭矩限定為20 kN · m，防止井下過大的扭矩對(duì)垂直鉆井工具導(dǎo)向塊懸掛機(jī)構(gòu)造成過度疲勞，相對(duì)理想的排量和轉(zhuǎn)速既滿足了鉆井液的攜砂要求和鉆進(jìn)機(jī)速，又降低了對(duì)工具的沖蝕和井下震動(dòng)，更保證了BH-VDT5000 垂直鉆井工具在井下的工作壽命，鉆井參數(shù)優(yōu)化后對(duì)工具在山前復(fù)雜地層中施工的穩(wěn)定性也有大幅提高。

4.5 改進(jìn)導(dǎo)向塊應(yīng)用效果分析

導(dǎo)向塊懸掛機(jī)構(gòu)改進(jìn)后首次在克深1102 井入井實(shí)驗(yàn)，最長(zhǎng)入井時(shí)間達(dá)到了233.5 h，工具出井檢查本體完好無損，組合彈簧銷無破裂，擋板無松動(dòng)，導(dǎo)向塊懸掛牢固可靠(如圖8)，證明這次改進(jìn)后的BH-VDT5000 垂直鉆井系統(tǒng)可滿足山前復(fù)雜井的施工要求，真正達(dá)到了防斜打快、提高機(jī)械鉆速，節(jié)約鉆井周期的目的。

5 結(jié)論及建議

(1)改進(jìn)后的BH-VDT5000 垂直鉆井工具在克深1102 井進(jìn)行了成功應(yīng)用，最長(zhǎng)入井時(shí)間達(dá)到了233.5 h，出井后導(dǎo)向塊懸掛牢固可靠，表明改進(jìn)后的垂直鉆井工具完全可滿足山前復(fù)雜井長(zhǎng)時(shí)間入井的施工要求。

表1 克深1102 井BH-VDT5000 垂直鉆井工具施工情況Table 1 Construction of Well Keshen 1102 by BH-VDT5000 vertical drilling system

圖8 工具出井實(shí)物圖Fig.8 Picture of the tool tripped out of the hole

(2)在垂直鉆井施工井段，井斜始終保持在0.2°以內(nèi)，井身質(zhì)量控制良好，表明工具測(cè)斜、糾斜性能穩(wěn)定可靠。

(3)BH-VDT5000 垂直鉆井工具在克深1102 井二開垂直鉆井服務(wù)中只用了25 d 便完成了垂直進(jìn)尺，比鉆井進(jìn)度計(jì)劃中的49 d 提前了24 d，說明工具的成熟性、穩(wěn)定性完全能夠?qū)崿F(xiàn)山前高陡構(gòu)造地區(qū)防斜打直、提高機(jī)械鉆速、縮短鉆井周期、節(jié)約鉆井成本的目的。