自適應(yīng)鉆頭與井下動(dòng)力鉆具研究進(jìn)展*

中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院 北京 100101

1 存在的問(wèn)題

隨著深井、超深井勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入,所面臨的地質(zhì)復(fù)雜性不斷提高,鉆進(jìn)過(guò)程中鉆具出現(xiàn)粘滑振動(dòng)、跳鉆、突然回轉(zhuǎn)等問(wèn)題,導(dǎo)致鉆頭崩齒、鉆具扭轉(zhuǎn)變形。以上問(wèn)題嚴(yán)重影響了鉆井效率和鉆具壽命,造成鉆井周期延長(zhǎng)、成本大幅增加。目前,金剛石復(fù)合片鉆頭已成為石油鉆井的主力鉆頭,對(duì)于中硬以上及高研磨性的地層,金剛石復(fù)合片鉆頭的應(yīng)用存在部分制約因素,如粘滑現(xiàn)象嚴(yán)重、吃入深度不足。若為了增大鉆頭吃入深度而施加高鉆壓,則會(huì)造成鉆頭切削片崩齒,導(dǎo)致鉆頭失效。常規(guī)鉆井過(guò)程中,當(dāng)鉆頭鉆遇軟硬交錯(cuò)地層、非均質(zhì)性較強(qiáng)地層和塑性較強(qiáng)地層時(shí),鉆具振動(dòng)劇烈,跳鉆現(xiàn)象嚴(yán)重,鉆頭受到較強(qiáng)的軸向沖擊力,同樣會(huì)造成崩齒、掉齒和鉆具疲勞受損。鉆頭與動(dòng)力鉆具如圖1所示,針對(duì)復(fù)雜地層開(kāi)展耐磨、耐沖擊鉆頭和高效動(dòng)力鉆具的應(yīng)用研究,成為鉆井提速的有效解決方法[1-3]。筆者對(duì)自適應(yīng)鉆頭和井下動(dòng)力鉆具的研究進(jìn)展進(jìn)行介紹。

圖1 鉆頭與動(dòng)力鉆具

2 自適應(yīng)鉆頭

鉆井過(guò)程中,鉆頭通常會(huì)鉆遇不同地層,每個(gè)地層的類型各異,鉆頭一次旋轉(zhuǎn)過(guò)程中鉆齒咬入地層的軸向距離用DOC表示。目前,金剛石復(fù)合片鉆頭采用固定的DOC參數(shù),導(dǎo)致鉆頭僅能夠?qū)σ恍┑貙訉?shí)現(xiàn)優(yōu)化鉆進(jìn)。鉆頭在不同類型的地層過(guò)渡過(guò)程中,經(jīng)常產(chǎn)生振動(dòng),導(dǎo)致粘滑效應(yīng),因此固定DOC參數(shù)的鉆頭在某些地層能夠平滑鉆進(jìn),但在其它地層中的表現(xiàn)則不夠穩(wěn)定,并且低效。當(dāng)?shù)撞裤@具發(fā)生粘滯時(shí),鉆頭停止轉(zhuǎn)動(dòng),上部鉆具繼續(xù)扭轉(zhuǎn)且積累到能夠克服鉆頭與地層之間的摩擦轉(zhuǎn)矩時(shí),鉆頭加速旋轉(zhuǎn),造成底部鉆具及鉆頭劇烈振蕩。深井鉆井時(shí),井下巖性多變,鉆頭受到的阻力增大,間斷性憋跳鉆和鉆具振動(dòng)更加頻繁。因此,通過(guò)控制DOC參數(shù)消除或減小鉆頭的粘滑振動(dòng),成為鉆頭優(yōu)化的重要方法。

2.1 TerrAdapt鉆頭

貝克休斯公司為提高鉆頭的適應(yīng)性能,研發(fā)了TerrAdap鉆頭,結(jié)構(gòu)如圖2所示,DOC參數(shù)調(diào)節(jié)原理如圖3所示。這一鉆頭增加了自調(diào)整切割深度控制元件,能夠根據(jù)正在鉆進(jìn)的地層情況主動(dòng)調(diào)節(jié)切削結(jié)構(gòu),優(yōu)化切削深度,避免粘滑現(xiàn)象發(fā)生,從而減小振動(dòng)、粘滑效應(yīng)和沖擊荷載,使鉆頭更快、更平穩(wěn)地鉆進(jìn),延長(zhǎng)工具壽命[4]。

圖2 TerrAdapt鉆頭結(jié)構(gòu)

圖3 TerrAdapt鉆頭DOC參數(shù)調(diào)節(jié)原理

TerrAdapt鉆頭設(shè)計(jì)了一種DOC參數(shù)自調(diào)整元件,通過(guò)刀翼底部切削齒周邊的液壓機(jī)械卵形元件調(diào)節(jié)DOC參數(shù)。這一元件能夠吸收突然出現(xiàn)的沖擊,減小鉆頭切削齒受到的破壞。TerrAdapt鉆頭可根據(jù)地層情況自動(dòng)延伸,形成最佳DOC參數(shù)。鉆頭鉆遇不同的巖石類型或者井段時(shí),可避免振動(dòng)和粘滑效應(yīng)產(chǎn)生。鉆過(guò)粘滑效應(yīng)高發(fā)井段后,可將液壓機(jī)械卵形元件收回,恢復(fù)到最高機(jī)械鉆速進(jìn)行鉆進(jìn)。TerrAdapt鉆頭實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)響應(yīng),并將沖擊損傷降至最低,從而延長(zhǎng)了鉆頭及井下鉆具的使用壽命,縮短了非生產(chǎn)時(shí)間。這一鉆頭規(guī)格范圍較廣,能夠滿足大部分鉆井的需求。

TerrAdapt鉆頭在美國(guó)得克薩斯進(jìn)行了應(yīng)用,使用311.15 mm鉆頭鉆遇頁(yè)巖、石灰?guī)r和鹽巖層,一趟鉆完成1 022.6 m,與鄰井常規(guī)金剛石復(fù)合片鉆頭相比,機(jī)械鉆速提高了27%,平均機(jī)械鉆速達(dá)到51.21 m/h,平均扭矩減小45%,如圖4所示。鉆頭出井后未發(fā)現(xiàn)明顯損傷,出井狀態(tài)如圖5所示。TerrAdapt鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中極大減小了粘滑效應(yīng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng),顯著提高了鉆速,使用壽命延長(zhǎng)。

2.2 Cruzer鉆頭

哈里伯頓公司推出的Cruzer鉆頭通過(guò)采用滾珠元件實(shí)現(xiàn)DOC參數(shù)調(diào)節(jié),滾珠裝配在鉆頭刀翼切削齒旁。Cruzer鉆頭結(jié)構(gòu)如圖6所示,實(shí)物如圖7所示。增加滾珠控制機(jī)構(gòu)后,Cruzer鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中能夠保持連續(xù)的切削力,并減小切削齒的磨損量,滾動(dòng)控制元件還可以減小鉆進(jìn)過(guò)程中所需的扭矩。滾珠采用金剛石和碳化物材料,具有較小的摩擦因數(shù),能夠確保小扭矩并產(chǎn)生較小的熱量。滾動(dòng)控制元件與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性相匹配,能夠提高定向鉆井工具控制的可靠性。同時(shí)滾珠具有可維護(hù)性和替換性,能夠重復(fù)使用。應(yīng)用Cruzer鉆頭,可以提高平均機(jī)械鉆速,降低鉆井成本[5]。

圖4 鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程扭矩對(duì)比

圖5 TerrAdapt鉆頭出井狀態(tài)

圖6 Cruzer鉆頭結(jié)構(gòu)

圖7 Cruzer鉆頭實(shí)物

根據(jù)2019年的數(shù)據(jù),Cruzer鉆頭在某區(qū)塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,轉(zhuǎn)速達(dá)到13 m/h,單只Cruzer鉆頭進(jìn)齒達(dá)到1 527 m,對(duì)比臨近標(biāo)準(zhǔn)鉆頭,轉(zhuǎn)速提高50%,使用時(shí)間延長(zhǎng)1倍。鉆頭機(jī)械鉆速對(duì)比如圖8所示,其中,GTD65DMU為Cruzer鉆頭,其余均為常規(guī)鉆頭。

圖8 Cruzer鉆頭與常規(guī)鉆頭機(jī)械鉆速對(duì)比

2.3 Tektonic鉆頭

國(guó)民油井華高公司推出了Tektonic鉆頭,可以根據(jù)具體區(qū)塊應(yīng)用要求進(jìn)行定制與優(yōu)化。這一鉆頭采用ION系列電鋸切削齒,能夠鉆穿多種類型的地層。切削齒采用新型幾何結(jié)構(gòu),提高了破碎中硬地層的能力。由于切削齒具有鑿形邊緣,因此向地層施加的點(diǎn)載荷會(huì)精準(zhǔn)傳遞至表面,從而在地下產(chǎn)生裂縫,有助于更快鉆穿巖石,并且不會(huì)縮短鉆頭的使用壽命。電鋸切削齒結(jié)構(gòu)將ION 3D切削齒與圓形切削齒結(jié)合在一起,可以獲得最高的破巖效率。ION 3D切削齒可以提供切割頁(yè)巖所需的剪切、壓碎切割功能,采用光面設(shè)計(jì),減小了齒面上的巖屑摩擦,提高了整體鉆井效率。通過(guò)新的排列方式將兩種切削齒布置在鉆頭上,擴(kuò)展了鉆頭的有效應(yīng)用范圍,實(shí)現(xiàn)了ION 3D切削齒與圓形切削齒之間的性能平衡。

Tektonic鉆頭在美國(guó)得克薩斯進(jìn)行了應(yīng)用,效果明顯。鉆頭需鉆穿砂巖、石灰?guī)r、粉砂巖與泥巖的互層,同時(shí)還需保持穩(wěn)定性。應(yīng)用具有電鋸切削齒結(jié)構(gòu)的222.25 mm鉆頭,平均機(jī)械鉆速提高10%。鉆至完鉆井深后,Tektonic鉆頭的磨損較少。同一地區(qū)另一口井應(yīng)用具有電鋸切削齒結(jié)構(gòu)的247.65 mm鉆頭,機(jī)械鉆速達(dá)到7.13 m/h,超過(guò)了常規(guī)鉆頭的機(jī)械鉆速平均值。電鋸切削齒結(jié)構(gòu)如圖9所示,前傾刀翼形狀可以幫助鉆頭更好地匹配所受鉆壓,優(yōu)化的螺旋刀翼結(jié)構(gòu)有助于減小切削齒與巖石之間的局部約束壓力。

圖9 電鋸切削齒結(jié)構(gòu)

3 井下動(dòng)力鉆具

井下動(dòng)力鉆具又稱井底馬達(dá),包括單螺桿鉆具、渦輪鉆具、電動(dòng)鉆具等,可以將鉆井液的能量轉(zhuǎn)換為鉆井破巖動(dòng)力[6-7]。井下動(dòng)力鉆具具有高轉(zhuǎn)速,可以顯著提高機(jī)械鉆速,與金剛石復(fù)合片鉆頭配合使用,將大大提高鉆井速度。當(dāng)前,提高井下動(dòng)力鉆具的性能成為鉆井提速的關(guān)鍵。

3.1 Navi-Drill馬達(dá)

貝克休斯推出的Navi-Drill馬達(dá),可以為鉆頭提供更高的功率,實(shí)現(xiàn)更高的機(jī)械鉆速,其結(jié)構(gòu)如圖10所示。作為高性能容積式馬達(dá),Navi-Drill馬達(dá)連接鉆頭至彎頭段的結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化,連接距離更短,可以提供更高的造斜率、鉆壓和耐用性,能夠使輸出扭矩增大15%。Navi-Drill馬達(dá)能夠承受更大的泵速范圍,使鉆頭的功率提高40%,并且可以在小壓差下作業(yè),同時(shí)還能獲得理想的機(jī)械鉆速。Navi-Drill馬達(dá)為大位移井的鉆進(jìn)作業(yè)提供了高可靠性與高耐用性,單趟鉆即可完成造斜段與水平段作業(yè)。Navi-Drill馬達(dá)可以承受高鉆壓與高泵速,能夠輸出更高的功率、更大的扭矩,進(jìn)而提高機(jī)械鉆速[8]。

圖10 Navi-Drill馬達(dá)結(jié)構(gòu)

某油田應(yīng)用Navi-Drill馬達(dá)配套130.18 mm鉆頭,鉆進(jìn)2 332 m,平均機(jī)械鉆速為35 m/h。在造斜作業(yè)中,馬達(dá)保持了穩(wěn)定的造斜率。此外,1 d內(nèi)鉆進(jìn)953 m水平段,機(jī)械鉆速提高了30%,節(jié)約了3 d時(shí)間。在美國(guó)北達(dá)科他某盆地,鉆頭磨損嚴(yán)重,影響了鉆進(jìn)作業(yè)的時(shí)效。通過(guò)采用Navi-Drill馬達(dá),減小了振動(dòng),單趟鉆完成了井段鉆進(jìn)作業(yè),工期縮短了40%,機(jī)械鉆速提高了35%。應(yīng)用Navi-Drill馬達(dá)后,鉆頭機(jī)械鉆速與常規(guī)機(jī)械鉆速的對(duì)比如圖11所示。

圖11 應(yīng)用Navi-Drill馬達(dá)后鉆頭機(jī)械鉆速與常規(guī)機(jī)械鉆速對(duì)比

3.2 Rival PDM馬達(dá)

Rival公司推出了Rival PDM高性能鉆井馬達(dá),如圖12所示。Rival PDM馬達(dá)部件包括頂部接頭和轉(zhuǎn)子制動(dòng)器,頂部接頭為轉(zhuǎn)子制動(dòng)器提供閥座。轉(zhuǎn)子制動(dòng)器是一種鎖扣裝置,通過(guò)螺紋連接至頂部轉(zhuǎn)子,在外部連接斷開(kāi)的情況下,馬達(dá)部件丟失的可能性降到最低。Rival PDM馬達(dá)采用內(nèi)徑增大型螺桿鉆具襯套,能夠傳輸更大的工作扭矩,具備彎頭可調(diào)式結(jié)構(gòu),有效提高造斜速率。Rival PDM馬達(dá)的動(dòng)力單元為由轉(zhuǎn)子和定子組成的容積式馬達(dá),運(yùn)行過(guò)程中速度與扭矩兩者之間相互獨(dú)立。馬達(dá)的轉(zhuǎn)速與泥漿的排量成正比關(guān)系,排量越大,轉(zhuǎn)速越高。Rival PDM馬達(dá)傳動(dòng)軸總成的外殼上配有不同類型的穩(wěn)定器,有助于保持特定的井斜角。隨著鉆井井斜角的變化,Rival PDM馬達(dá)本體所承受的應(yīng)力也在不斷變化,穩(wěn)定器能夠有效減小應(yīng)力對(duì)工具造成的影響[9]。

圖12 Rival PDM馬達(dá)

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者介紹了TerrAdapt鉆頭、Cruzer鉆頭、Tektonic鉆頭等自適應(yīng)鉆頭,以及Navi-Drill馬達(dá)、Rival PDM馬達(dá)等井下動(dòng)力鉆具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和部分現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。這些近期研發(fā)和應(yīng)用的新技術(shù)解決了部分地層鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中所遇到的轉(zhuǎn)速低、周期長(zhǎng)、磨損嚴(yán)重等問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了鉆井提速和降本增效,并推進(jìn)了智能鉆頭和高效動(dòng)力鉆具技術(shù)的發(fā)展。以這些技術(shù)為基礎(chǔ),研究不斷完善工具結(jié)構(gòu),增強(qiáng)地層適應(yīng)性,將充分發(fā)揮出工具性能,降低油氣開(kāi)發(fā)成本,進(jìn)而提高井下工具的自動(dòng)化、智能化水平。