一種近鉆頭地質導向儀器耐磨彎殼體研制

楊文景，史宏江，張 勇

(北京石油機械有限公司，北京 102206)①

近年來，水平井已被各油田廣泛應用，可以增加井眼在產層中的長度和產層的泄油面積，大幅提高了單井產量。在水平井鉆井過程中，近鉆頭地質導向具有重要作用。甚至于在國內各大鉆井公司是否擁有近鉆頭地質導向儀器(以下簡稱近鉆頭儀器)作為競標的籌碼。近鉆頭儀器具有實時測量鉆頭地層特性，根據地面監測的信息實時調整和控制井眼軌道，使鉆頭“聞”著油味走，具有隨鉆識別油氣層、導向功能強等特點。儀器中實現導向功能的主要是彎殼體[1-4]。

a 示例1

b 示例2

彎接頭螺桿鉆具分為固定角度彎殼體和可調角度彎殼體2種形式。由于近鉆頭儀器一般在薄油層中穿梭，彎殼體的角度不大，通常采用結構簡單、實用性強的固定角度彎殼體。在下鉆時或在水平段鉆進時，由于自身的特點，彎殼體與井壁摩擦劇烈，導致磨損相當嚴重。當造斜率很低，達不到預期效果時，不能起到地質導向作用，必須起鉆，不僅造成鉆井成本提高，降低了鉆井速度，還增加了鉆井風險。長壽命耐磨彎殼體是近鉆頭儀器急需的技術。

1 彎殼體概述

近鉆頭儀器鉆具組合為：鉆頭+測傳馬達+無線接收系統+正脈沖無線隨鉆測量系統+鉆桿。測傳馬達從下至上包括傳動軸總成、萬向軸總成(包括彎殼體)、測量短節、螺桿馬達、旁通閥。彎殼體上端與測量短節相接，下端與傳動軸殼體相連，內部有撓軸和水帽通過，所以孔比較大，屬于殼體類零件；彎殼體一端帶有一定角度(1.0°、1.25°、1.5°等)。近鉆頭儀器一般在水平段導向鉆進，彎接頭角度較小，適合采用結構簡單的固定彎殼體，省去了可調彎結構的多個零件。

1.1 彎殼體偏磨分析

在水平井、定向井等特殊工藝井中，貼近于下井壁，彎度大于1.25°的螺桿鉆具，在旋轉過程中，彎殼體頂點處運動半徑大于扶正器中心軸到下井壁距離，經長時間的復合鉆進后，螺桿鉆具運動半徑大的部位與井壁摩擦，造成彎殼體彎點外殼頂點處偏磨嚴重，如圖1所示。

1.2 激光熔覆耐磨層分析

為了提高彎殼體的耐磨層，在彎殼體彎角外殼處上堆焊鎳基碳化鎢合金耐磨層，如圖2所示。由于受工藝條件的限制，激光熔覆耐磨層的厚度不能太厚，否則容易出現熔爆缺陷。厚度層超過熔覆臨界點，分子間的結合力下降，起不到耐磨保護的效果[5-6]。這種耐磨層在井下使用100 h左右后又需要重新追加焊層，成本增加，且耐磨效果不顯著、對彎殼體本體的力學性能有不利影響。

圖2 激光熔覆耐磨層示意

1.3 彎殼體造斜率分析

近鉆頭儀器具有實時測量鉆頭地層特性，根據地面監測的信息實時調整和控制井眼軌跡，使鉆頭“聞”著油味走，這要求彎殼體滿足造斜率要求。經過實踐摸索出來的造斜率規律：彎點越大，造斜率越高；彎曲點以上的剛度越大，造斜率越大；彎曲點至鉆頭的距離越小，造斜率越高；鉆頭的速度越小，造斜率越高[7]。此外，實際工程作業的造斜率與彎殼體的磨損情況密切相關，新殼體造斜率高于磨損后的彎殼體造斜率。

在近鉆頭儀器中，彎殼體位于螺桿馬達和測量短節的下端，傳動軸上端，距離鉆頭位置最近，彎殼體的彎角是固定的，其鉆具組合的近鉆頭儀器造斜率最大。

彎殼體在近鉆頭儀器中是關鍵零件。彎殼體在鉆進過程中，始終處于偏磨狀態，當彎殼體偏磨嚴重時其造斜能力會嚴重下降，致使地質導向工程作業受影響，需要起鉆更換新的彎殼體零件。

2 新型耐磨彎殼體研制

新型耐磨彎殼體的研制必須滿足以下要求：①彎殼體在結構上具有固定的彎角，總長不變，內部結構不變，兩端螺紋不變；②耐磨性能好，使用壽命長；③有效保證造斜率。

為了達到上述要求，設計了一種新的耐磨彎殼體。將彎殼體彎點以下直徑變大，由原來的尺寸增大到井眼允許范圍，一直擴大到彎殼體的下端，并在彎點外圓處增加耐磨處理工藝，而且在彎殼體最下端以彎點中心線為軸，作為彎殼體外徑基準；在擴大外徑的外圓加工過流面，確保泥漿正常返屑，防止局部沉沙。

2.1 耐磨彎殼體造斜率分析

新設計的耐磨彎殼體在結構設計上很容易滿足第①條；在彎點外圓處增加耐磨處理工藝也能滿足第②條；第③條需要利用公式推導，驗證造斜率。

2.1.1 造斜率計算

對于彎外殼導向鉆具，鉆具的結構參數是影響造斜率的主要因素。采用幾何方法進行設計計算，可以比較直觀地反映出結構參數與造斜率之間的關系，突出主要因素對工具造斜率的影響，計算方法簡單，計算精度可以滿足鉆井工程的要求，是設計彎殼體導向鉆具的一種有效方法[7-10]。近鉆頭儀器屬于彎外殼導向鉆具，是單彎鉆具，如圖3所示。

圖3 單彎導向鉆具示意

單彎鉆具的造斜率K為：

(1)

其中：λ=LT(K-Kδ)/60μ，LT=L1+L2+L3，μ=L3/LS，LS=L2+L3。

式中：K為造斜率，(°)/30 m；λ為導向鉆具的結構彎角，(°)；L1為首跨長度，m；L2為第2跨度長度，m；L3為第3跨度長度，m；Kδ為由間隙所產生的造斜率，(°)/30 m；

單彎鉆具首跨長度L1為：

(2)

式中：δ為下扶正器與井壁之間的間隙，m。

當不考慮下扶正器與井壁的間隙所產生的造斜率時，即Kδ=0。

(3)

根據近鉆頭儀器的穩定器和彎殼體位置尺寸，求出造斜率(忽略下扶正器與井壁的間隙影響)。已知：L1=1 146 mm，L2=746 mm，L3=8 426 mm，λ=12.5°，則K=6.68 (°)/30 m。

改變耐磨彎殼體的結構，其結構尺寸為：L1=1 146 mm，L2=496 mm，L3=8 678 mm，λ=12.5°，求得K=6.87 (°)/30 m。造斜率比改進前增加了3%。

2.1.2 改進前后彎殼體造斜力對比

國外對造斜工具造斜能力的預測方法為帶雙扶正器的單彎殼體動力鉆具組合造斜的“三點定圓法”[11-13]，如圖4所示。由H.Karisson等提出的三點定圓法計算為：

圖4 三點定圓法示意

(4)

式中：KH為工具造斜率(BUR)，(°)/m；λ為工具的結構彎角，(°)；L4為上下兩個扶正器的中心距，m；L5為下扶正器中心至鉆頭底面的距離，m

三點圓法的優點在于計算簡單，強調了結構彎角對于工具造斜能力的影響，在一定程度上反映了扶正器位置的影響，也有不足之處，此處不再贅述。

所以，按照上述公式對比改進前和改進后的彎殼體，因為L1+L2的總值沒有變化，工具造斜率是相同的，顯然是不對的。

通過實踐得知：彎殼體造斜能力的影響因素不僅與造斜率預測計算有關，還與造斜工具的實際工作環境及在井下的工作姿態有關。影響造斜工具造斜能力的主要因素有鉆壓、井斜角、井眼曲率、井徑擴大或扶正器偏心、鉆井液密度的、扶正器安放位置、導向鉆具彎角位置、導向鉆具結構彎角大小和導向鉆具工具面角等[14-1]。

以上因素中，除了導向鉆具彎角位置、導向鉆具結構彎角大小的影響與彎殼體結構有關，其它因素與鉆井工藝有關。提高鉆頭造斜能力的有效途徑主要有2種：一種是增大彎殼體的結構彎角；另一種是縮短動力鉆具下部的長度，即把彎接頭下移。新設計的彎殼體結構彎角不變，彎點下移，造斜能力明顯提高。

3 現場應用

改進后的耐磨彎殼體經現場使用，耐磨效果顯著，造斜率提高。使用600 h后，經檢查不須更換彎殼體，可以繼續使用。

普通的彎殼體使用100 h左右，就因為磨損嚴重而報廢。采用激光熔覆的方法能延長彎殼體的壽命，但在復合鉆進時，彎殼體磨損會異常嚴重，使用后需要追焊耐磨層，不能從根本解決問題，經濟成本也很高。

改進前彎殼體使用后彎角磨損凹陷，改進后使用600 h后彎角仍然完好，如圖5所示。改進后彎殼體由于彎點下移，造斜率比原來增強，鉆頭造斜能力也增強，使鉆頭能根據地質導向信息控制井眼軌跡，大幅提高了鉆遇率及單油井產量。

圖5 彎殼體改進前后對比

4 結論

1) 近鉆頭儀器結構特征適合采用固定角度彎殼體，其結構簡單，經濟實用。

2) 在不改變彎殼體角度的條件下，使彎點下移，能提高造斜能力。

3) 堆焊耐磨帶不能從根本上解決彎殼體磨損問題。把彎點以下外徑增大到井眼允許尺寸，使殼體變厚；彎點處耐磨處理；在彎殼體最下端以彎點中心線為軸，作為彎殼體外徑基準，使彎點下移。這些改進措施使彎殼體的造斜率提高3%。

4) 新設計的彎殼體使用時間提高到600 h后，仍能繼續使用。該結構的彎殼體可推廣應用到渦輪鉆具、葉片式動力鉆具等井下動力鉆具。