超短半徑柔性井下動力鉆具

1.目的

現有的井下動力鉆具長度較長、剛性較大，無法通過曲率半徑小于5 m的超短半徑井眼。為了實現超短半徑鉆進及井斜控制，筆者研發(fā)了一種具有柔性特征的井下動力鉆具，可以通過超短半徑高曲率井眼，同時，還可以為鉆頭造斜鉆進提供側向動力。此外，該鉆具還具有較高的輸出扭矩和轉速，能為鉆頭破巖提供足夠能量，從而實現高效鉆進。

2.方法

為符合超短半徑鉆井曲率要求，超短半徑井下動力鉆具在柔性結構設計中大幅縮短了長度，通過多節(jié)馬達串聯的方式，提高了鉆具的彎曲能力，能順利實現超短半徑鉆井作業(yè)。

該鉆具由鉆具接頭、首級馬達、串聯馬達、軸承節(jié)4個主要部分組成，單節(jié)長度為0.4 m，相鄰兩節(jié)之間的扭轉角度為5°，可滿足曲率半徑小于5 m的超短半徑定向鉆井要求。鉆具接頭上部通過螺紋與鉆桿或其他鉆具連接，接頭下部通過球鉸依次與首級馬達、串聯馬達和軸承節(jié)連接。其中，串聯馬達可通過球鉸實現多組串聯。首級馬達和串聯馬達采用水力馬達的原理，將各級馬達產生的轉速和扭矩通過多個萬向聯軸器逐級向下傳遞，從而使鉆井液的水力能轉化為鉆頭旋轉破巖的機械能。串聯馬達的數量可以根據地層破巖功率進行靈活調整。軸承節(jié)內置推力軸承，末端與鉆頭連接，承擔鉆頭破巖鉆進產生的振動和沖擊力。內置軸承采用PDC止推結構，大幅縮短了鉆具總體長度，提高了工作壽命。

3.作用和效果

基于柔性井下動力鉆具方案試制Ф127 mm規(guī)格鉆具并進行室內測試（圖1）。經室內試驗測試，Ф127 mm柔性井下動力鉆具相鄰兩節(jié)之間扭轉角度為5°，與設計一致，可以順利通過直徑為Ф152 mm、曲率半徑為5 m的井眼；鉆具在不同扭轉角度情況下輸出參數穩(wěn)定，單節(jié)馬達輸出制動扭矩高于25 N·m。基于試驗結果，采用40節(jié)馬達串聯結構的鉆具總長為16 m，制動扭矩高于1 000 N·m，輸出性能滿足破巖鉆進需要。該鉆具曲率半徑小、造斜率高、中靶率高、施工周期短、成本低、儲層鉆遇率高，可大幅提高單井產量和采收率，在油氣、海域天然氣水合物等能源資源鉆采領域有巨大的應用空間和廣闊的發(fā)展前景。

圖1 超短半徑柔性井下動力鉆具性能測試實驗