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海洋钻井工具陆地用? 可没有动动手指那么简单

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旋转导向系统(RSS)在海上定向钻井作业中早已占据主导地位,但陆地钻井市场仍然被传统的定向钻井工具所占领。本文介绍了一种专门为陆地钻井作业设计的新型RSS。该RSS结构设计较短,内部两个相对运动的偏心轴,以实现15°/ 100英尺的造斜率。

当前存在的问题石油圈原创www.oilsns.com

定向钻井成功与否关键在于在钻进的过程中操作人员能否获取工具定向的实时信息,只有获得了足够的信息,操作人员才能及时调整钻井方向,钻达目标储层。通常情况下,实时信息的获取可以通过安装在钻头后的随钻测井(MWD)工具实现,有些情况下,MWD测得的数据还需近钻头倾斜率来补充。可以通过在靠近钻头附近添加测量井斜与方位的工具,同时集成到钻井工具的定向响应之上,从而使其能够实现精确钻井而不需要频繁设计、纠正滞后于钻井工具的MWD数据。本文将介绍RSS采用的这种新方法。

大多数情况下,井下容积式马达与旋转导向系统同步工作,提高机械钻速(ROP),并可将钻杆旋转度最小化而降低套管磨损。本文所描述的RSS系统是由顶部驱动器或井下动力钻具直接驱动的。

目前,已初步研发出三种新型旋转导向系统并开展了测试。第一种系统(A)成功证明了15°/ 100英尺狗腿弯曲度的可行性;第二种系统(B)的设计目的在于在侧负载显著增大时评估所选齿轮电机在偏心轴移动方面的效率;第三种系统(C)是一个完整的旋转导向工具,以此验证了本次设计的各个方面,并最终在混凝土块上实现了定向钻孔。本文介绍了三种系统(C)的发展历程、设计理念、制造流程并在混凝土块上测试了其在狗腿度为15°/ 100英尺的钻进性能,还包括为了进行现场试验对设计进行的改进,以及为现场测试设计的环境、耐久性试验。

研究背景石油圈原创www.oilsns.com

本文所述旋转导向系统依据推靠式方法来调节井眼轨迹的方向,钻头方向由近钻头稳定器实时控制,近钻头稳定器固定在两个偏心钎套上。两个钎套的偏心量完相同,当它们处在相对位置时,净偏移为零,此时钻头不受侧向力的作用而达到钻进直孔的目的。当两个钎套之间发生相对旋转时,钻头将发生偏移,改变钻进方向。总之,该系统能够连续改变偏移量,平稳控制钻杆方向和造斜率。

然而,由于地层强度的变化对本文所述系统的转向作用影响甚小,因此该旋转导向系统采用一刚性、非旋转性稳定器控制钻头的位置,而不是通过外在部件对井壁施加的侧向力,并以此达到改变底部钻具组合几何方位的目的。该系统中用于计算弯曲动力速率的三点几何模型是是基于钻具重力所产生的钻压与侧向力所合成的力矢量,导致该系统对于钻压与地层强度的大小比值并不是十分敏感。同时,侧应力的产生并不依赖于钻井液,因此该设备一般都在相对易冲洗的软地层进行作业。特别指出,此刚性旋转稳定器还有另一个优点:没有任何移动部件暴露于井筒内,并且有效侧应力的产生不依赖于这些部件。

发展历程石油圈原创www.oilsns.com

系统A是针对8.5英寸的钻头设计的,根据A的测试结果,建立了系统的功能规格参数。还在样品B的测试和C的研发过程中对该规格参数进行了修正。此外,在系统C的测试工作以及后续的设计审查中获取了很多经验,对系统D的出现启到了一定推动的作用。

系统A:由快速交货的马达和齿轮组成,以验证旋转概念、测量转向力。

系统B:包含一个新的转向头,其可为钻头转向提供所需的动力,并承载井下钻井环境中的负荷。该系统由一个专门设计的空心电动机和传动装置组成。

系统C:显著特点是适应7.5英寸钻头的设计。该系统对样品B进行了进一步改善,将马达/齿轮和稳定器导向部分分为两个独立模块,使转向稳定器的钻井负荷几乎全部转移到该工具的一个单独部分成为可能。系统C为一个完整系统,目的在于证明该工具能够实现在钻井过程中的可预测性和运转方式可控的理念。

系统D:样品D是该产品的转折点,是在C的基础上设计的现场测试类型。为了满足生产的简化安装和操作需要,样品D经过重新设计。D的成型也得意于电机齿轮效率的提高,同时系统D保留了系统C的整体外形设计。

系统的测试石油圈原创www.oilsns.com

旋转导向系统的测试过程中模拟真实的钻井环境是一大挑战。本次测试的主要目的是保证现场测试的工具都可以正常工作,保证测试顺利。

一些设备的检测结果是比较明显的,例如用于电子线路板测试的烘箱和振动试验台;还有一些设备的检测结果并不是很明显,例如电机和齿轮测试设备、水平钻机、耐久性试验台以及组件震荡测试设备等。

电机测试装置通过对功率和扭矩输入输出的连续测量进行对电机及电机/变速箱组合效率的检验。同时,此测试装置是对使用中的轴承与齿轮箱配置改进的关键所在。

水平钻机主要用于控制施加钻压并监控机械钻速,其与一个900马力的标准泥浆泵和常规泥浆马达联用,则该系统的冲程可达10英尺,两气缸提供的钻压高达7吨,并可根据情况安装钻铤实现进一步钻进。石油圈原创www.oilsns.com

水平钻机试验以200转/分的速度运转,提供循环流体(速率最高达400加仑/分,为轴承提供动力、启到冷却作用),利用钻压与横向弯曲负荷每转可产生两次50G的轴向冲击力,同时还可向非旋转稳定器施加侧向力和阻力。该钻机是在初次钻进测试之后设计出来的,并通过了水泥钻进测试,运行平稳,几乎不存在冲击和振动现象。该钻机的设计目标是在整个系统测试期间为其提供长时间的可控冲击与钻进载荷。

在测试中使用重量为50公斤单轴冲击设备可产生高达200G/秒的冲击力。同时,冲击的幅度和持久性可通过改进组件下降时接触的材料和操作臂高度来调节,而其所产生的冲击速率由安装在测试组件的加速计来测量。

应用前景石油圈原创www.oilsns.com

新型RSS工具的出现有可能从本质上改变美国本土非常规油气的钻井市场现状,该工具结构紧凑,并具有高机动性,还可实现连续调节,临近钻头(钻头后6英尺)安装有方向传感器,能够实现钻头钻进方向的精确控制。同时,由于RSS的特殊外形设计,其应用范围更广,可以实现短半径井眼轨迹的(最大狗腿度15°/ 100英尺)钻进,成为该行业的佼佼者。

工具的测试、研发是一个渐进的过程,从最初简单、全面的概念发展成为具有多功能的机器原型需要大量的钻井与持久性测试。

随着试验的不断进行和完善,这四种系统也逐渐变得精细,但是只靠高智能、高机动性的钻井工具完成钻井是不够的,其必须还同时拥有非常高的可靠性和持久性。

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柠檬
石油圈认证作者
毕业于中国石油大学(华东),油气井工程硕士,长期聚焦国内外石油行业前沿技术装备信息,具有数十万字技术文献翻译经验。如需获取更多技术资料,请联系我们。

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