连续管钻井井下旋转钻进技术研究

连续管自20世纪60年代开始用于石油工业, 20世纪90年代连续管用于钻井, 随着连续管钻井技术的发展, 现已成为石油钻井的特色技术之一, 特别是在美国和加拿大, 连续管所钻井占全球的80%左右。随着侧钻井、侧钻水平井数量的增加以及小井眼钻井技术和欠平衡钻井技术的发展, 连续管技术在这些井中作业的优势越来越明显, 用途也越来越广[1]。

近年来, 我国也开始研发连续管侧钻井技术, 并进行了几口先导性现场试验, 但由于连续管尺寸小、柔性大、不旋转以及加压困难等特点, 现场试验效果并不理想。由于连续管钻井在整个钻进过程中, 一直处于滑动钻进状态, 连续管与井壁贴合, 受到静摩擦力, 且沿轴线方向, 增大了连续管屈曲状态, 进一步增加了摩阻;另外, 连续管不能旋转的特性, 预示着在处理遇阻、划眼等井下复杂情况的能力低下, 增大了井下安全风险。为此, 笔者进行了连续管钻井井下旋转钻进技术研究, 实现井下工具串在裸眼井段旋转钻进能力, 将静摩擦转变为动摩擦, 减小摩阻, 增大井眼延伸能力, 增加了井下适用性, 为科研人员提供借鉴和参考。

1 连续管钻井常用井下钻具组合

随着技术的发展, 国外很多公司已具备连续管钻井技术服务的能力, 其使用的连续管钻井工具也不尽相同, 种类繁多, 但功能基本类似。常用到有安全接头、定向工具、随钻测量工具等专用工具以及连接器、非旋转接头、单流阀等辅助工具[2]。

定向器是连续管钻井的核心工具, 放置在随钻测量工具上部, 通过旋转机构调整螺杆马达弯角方向来实现井身轨迹控制。随着定向器的发展, 根据工作原理可分为液控、电控以及电液控等类型, 但各类型的定向器也存在不同的缺点。液控式定向器通常精度差, 不易控制;电控以及电液控式定向器精度高, 可双向旋转, 但功率小, 旋转缓慢, 一般有旋转范围限制, 不能同方向连续旋转[3]。

2 新型钻具组合研究

连续管钻井过程, 整个管串贴在井壁上, 处于滑动钻进过程, 摩擦阻力大, 容易发生屈曲, 甚至自锁, 不利于钻压传递。由于连续管不能旋转, 由于弯螺杆角度固定, 在定向段时钻具一直处于造斜状态, 适应性差, 现场施工中通常难以满足井身轨迹对狗腿度的要求, 进一步加大了摩阻。同时, 在下钻遇阻时, 只能通过上下提拉和开泵循环的方式解决, 只有钻头处能够旋转, 划眼能力差, 效率低, 不易钻出新井眼。现场试验中发现, 当井斜增大到一定程度, 井眼清洁能力变差, 易出现岩屑堆积和井底重复破碎的风险。为此, 技术人员提出一种新的方案, 通过研制一种大扭矩可连续旋转的涡轮定向器, 改变井下钻具组合, 来实现工具串旋转钻进的能力。

1-连续管2-涡轮定向器3-一定长度的钻杆4-井底钻具组合

如图1所示, 在涡轮定向器下设计一定长度可旋转的钻杆, 上部为连接器、丢手接头与非旋转的连续管。旋转段由涡轮定向器驱动, 可实现井下旋转钻进的能力, 使轴向静摩擦力转换为周向动摩擦力。涡轮定向器提供克服井底钻头反扭矩及旋转段摩擦阻力的能量, 且方便控制, 要求具有高扭矩低转速的特性。同时, 需要计算旋转段钻杆长度来确定涡轮定向器的位置, 获取最大旋转段长度, 增加井眼延伸能力。

3 涡轮定向器研究

根据涡轮定向器高扭矩、低转速的需求, 笔者对定向器进行功能原理设计, 涡轮定向器按顺序应包括电路部分、涡轮动力装置、离合控制单元、行星减速机构、传动部分和输出轴六部分。

电路部分可以识别地面发送的指令信号, 并对离合器进行控制;涡轮动力装置通过多级涡轮, 为下部旋转段提供工作能量;离合控制单元受电路部分控制, 可控制涡轮与下部结构的“离合”;行星减速机构可将高速涡轮旋转转化为高扭低速的动力;传动部分实现能量的输出, 同时具有反向自锁功能, 在定向作业时使井底反扭矩作用到工具本体, 防止产生内部扭转, 造成工具面失控。

4 旋转段钻杆长度计算

旋转段钻杆长度主要由涡轮定向器马力、旋转段钻杆和非旋转段连续管抗扭强度来计算, 其中连续管抗扭强度最小。当钻速不变时, 旋转段越长, 受到的扭矩越大, 当旋转段达最大长度时, 所受扭矩等于安全条件下连续管所能承受的最大扭矩。

另外, 井眼的井身轨迹也会影响旋转段的长度。井身轨迹越复杂, 摩擦力越大, 扭矩越大, 旋转段长度越短。在水平井中, 通常造斜段所受单位长度摩擦力大于水平段, 定向器到达造斜点时, 旋转段受到的扭矩最大[4]。

在造斜段终点, 旋转段钻杆受到的轴向力为

式中:wp为钻杆单位长度重量;为旋转段钻杆在水平段长度;φ为井斜角;F0为井底受到的轴向力。

旋转段钻杆在造斜段受到的轴向力为

在造斜段受到的法向力总和为

对于水平段, 法向力总和为

造斜段旋转段钻杆受到的扭矩为

当涡轮定向器到达造斜点时, 旋转段钻杆在造斜段和水平段所受的扭矩之和, 等于连续管能承受的最大扭矩, 因此, 可以求得旋转段钻杆水平段长度。

式中:Ty为连续管能承受的最大扭矩;μ为摩擦系数;rp为钻杆接箍外径;ri为近钻头第i个工具本体外径;wi为第i个工具单位长度重量;li为第i个工具单位长度。旋转段钻杆总长为

5 结语

(1) 旋转段工具串可在裸眼井段进行旋转钻进, 将静摩擦转变为动摩擦, 减小摩阻, 增大井眼延伸能力。

(2) 涡轮定向器通过多级涡轮驱动, 并经过行星齿轮减速, 通过离合控制单元控制, 可调节输出转速, 为井下工具串提供高扭低速的动力。

(3) 通过地面软件控制涡轮定向器的工作模式, 可以实时切换井下工具滑动钻进和旋转钻进的状态, 使井眼轨迹更加平滑, 适应性强, 同时减少了因螺杆弯角不匹配而进行连续管起下钻作业的次数, 增加了连续管的使用寿命。

(4) 旋转段钻杆的长度, 需要根据施工井井眼状况和安全系数进行施工前设计或校核, 以避免出现井下事故, 保障施工安全。

摘要：连续管钻井技术经过近几年的发展, 已逐步进入现场试验阶段。本文针对连续管钻井中存在的难点及现场试验中遇到的问题进行了分析研究, 提出一种连续管钻井井下旋转钻进方案, 通过研制大扭矩可连续旋转的涡轮定向器, 改变井下钻具组合, 来实现工具串旋转钻进的能力。

关键词：连续管钻井,旋转钻进,钻具组合,定向器

参考文献

[1] 唐志军, 刘正中, 熊继有.连续管钻井技术综述[J].天然气工业, 2005, 25 (8) :73-75.

[2] 尹方雷.连续管钻井技术现状及发展趋势[J].内蒙古石油化工, 2012, 38 (13) :102-104.

[3] 李猛, 贺会群, 张云飞, 等.连续管钻井定向器技术现状与发展建议[J].石油机械, 2015, 43 (1) :32-37.

[4] Oyedokun, O.and Schubert J, Extending the Reach of Coiled Tubing in Directional Wells with Downhole Motors[R].SPE 168240, 2014.