采用抗制动工具有效进行硬岩层钻井

2010-10-13编译张素霞胜利石油管理局黄河钻井公司

石油石化节能 2010年6期

关键词：钻柱钻头扭矩

编译:张素霞 (胜利石油管理局黄河钻井公司)

审校:温林荣 (胜利石油管理局钻井工艺研究院)

采用抗制动工具有效进行硬岩层钻井

编译:张素霞 (胜利石油管理局黄河钻井公司)

审校:温林荣 (胜利石油管理局钻井工艺研究院)

抗制动技术 (AST)是一种以实时自动调整钻进扭矩为目的的井下机械方法。最初,由 Tomax AS研发的这种工具是用于连续管的,已证明,它除了可以提高机械钻速和单只钻头进尺 (Dagestad, V2006)外,还具有成功降低振动、马达制动、设备失效和一般磨损的能力。根据旋转钻井解决类似问题的需要,对该工具进行了进一步的开发,目的是消除在难钻地层中由切削齿诱导的扭矩振动和钻柱制动以及由此带来的有害作用。已定型的工具尺寸范围为63/4～81/4in。工具研制成功后,首先在试验井上试用。除了两次受控试验外,共进行了25次的现场应用,应用地区主要是挪威大陆架。所用工具具有各种不同的结构特点。从理论和现场应用两个方面详细讨论了是如何大幅降低由钻头诱导的扭矩波动从而提高机械钻速,以及为了提高单趟钻工作时间是如何避免井底钻具组合 (BHA)损坏的。

硬岩层钻井 PDC钻头AST工具扭矩制动

1 引言

随着20世纪80年代镶齿钻头PDC技术的引进和开发,钻井工业对更为复杂的钻井和地层评价系统的应用一直处于持续发展状态,BHA中仪器部分所包含的电子元件的数量也不断增加,这些先进的井下钻井系统使钻井的速度进一步加快、井眼轨迹控制更加准确、单只钻头进尺更高。但由于其设计复杂,它们往往由于井下振动和高能量冲击导致早期破坏。尽管PDC钻头效率很高,但已证明它产生的动力和能量冲击的程度足以使其自身、BHA中的仪器部分和钻柱连接扣遭到破坏 (Fear, M.J.,1997)。面对这一难题,钻井业不得不研发带有测量和监控各种井下动力学参数的更为坚固的井下工具,从而在钻井过程中可根据这些信息实施控制 (Robnett,E.W.,1999)。AST技术的理念是通过转移钻井过程的能量提供实时井下破岩过程控制,防止动力产生破坏,从而保护钻柱部件,优化破岩效率。以现代赛车发动机技术为例,实时平衡地把能量传输到各个车轮可以提高整车的稳定性,从而可获得良好的性能和耐久性。

2 AST的工作原理

AST工具包括下列机械零件 (图1):

◇内部预压载弹簧a;

◇带内螺旋花键的工具上主体b;

◇带外螺旋花键的与上主体配合的伸缩式工具下主体c;

◇上下主体之间的压力密封d;

◇限制伸缩的止推台阶e;

◇密封底部的抛光面f。

AST工具的工作原理是,当转矩大到足以克服预压载弹簧的程度,将导致带内螺旋花键的工具上主体在与之匹配的下主体上转动;当上主体和下主体以这种方式上紧时,工具收缩,钻柱变短,因此钻头被逐渐提离井底直至恢复到全转速状态;当作用于工具上的转矩降低时,工具将相应地伸长,钻头就可平稳地钻进。

图1 原型AST工具的剖面图

AST工具应该安置在尽量靠近钻头的位置,现已经做了工具安置在MWD之上和MWD之下的试验。由于旋转导向系统 (RSS)数据馈通的需要以及地层传感器应靠近钻头的需要,常常将工具连接在MWD之上,这种配置没有不良的情况记录。当与扩眼器联用时,接在扩眼器之上。

3 理论背景

抗制动技术的发展目标是找到一种预防来自钻柱累积的过高扭转能量的办法,并将该能量用于切削破岩过程以降低钻头发生制动的风险。通过吸收高的扭转载荷并将其用于钻头运动轨迹的控制, AST的研发人员声称,该专利技术将在三个方向减少卡-滑效应和破坏性载荷出现的几率:

◇轴向

◇径向

◇扭转

3.1 轴向

轴向过载的发生通常是由与斜井和浮式钻井装置有关的质量传递问题造成的,钻柱通常对这类载荷采取机械抵抗响应,但是轴向冲击会给钻头切削齿施加过高的钻压并且诱发卡-滑运动,而且会导致径向振动。研究人员声称,AST工具不仅可以减少轴向振动,而且能够降低卡-滑效应,从而降低轴向上破坏性载荷的风险。

3.2 径向

径向力和径向振动通常是由涡旋效应造成的,此时钻头围绕井眼中心线旋转,由此产生的振动破坏性极强,并且一旦出现就很难被吸收掉。一种好的解决办法是将旋转速度 (RPM)严格控制在钻头制造商规定的范围之内。然而,在一些研磨性强、岩性变化大的难钻地层中,由于在井下RPM产生的高强度振动下切削齿倾向于进入卡-滑状态,在此情况下,单靠控制RPM是不够的。研究人员声明,AST工具可降低卡-滑效应,从而稳定旋转速度,使消除钻头涡动成为可能。

3.3 扭转

大部分的丝扣连接破坏来自钻柱制动时出现的扭矩峰值。研究人员声称,AST工具将高效地限制制动和过度紧扣,具体如下:

◇钻头发生制动时,钻柱中累积的扭矩将平稳地使AST工具动作,给钻头卸载并使钻头重新获得“自由”。

◇工具收缩后,将逐渐释放累积的扭转能量,使转速恢复到平稳状态。

4 受控试验

在一项称为“硬岩层钻井”的内部技术项目中,挪威作业者Statoil与AST的研发人员联合研制了一种基于上述声明和在火成岩中钻深探井所需的工具以提高该过程的运行质量。121/4in(1 in= 25.4 mm)井段的工具外径为 81/4in,内径为21/2in。由于AST技术比较容易实现,又研制了另外的外径为63/4in的工具以更好地提供现场试验的灵活性。表1给出了这些原型工具的技术规范。进行了两次受控试验以确定工具表现与理论预期的一致性,以及工具在全尺寸现场试验中应用的安全性。

4.1 1号试验

在第一次受控试验中,81/4in AST工具直接接在挪威斯塔万格国际研究院 (IRIS)的旋转钻具组合的PDC钻头上。IRIS的Ullrig试验钻机将钻的地层会产生严重的卡-滑并损坏PDC钻头,这对试验AST比较理想。在保持钻井参数一致的前提下使用了两只相同的钻头,地层是各向同性的具有大约8%孔隙度的千枚岩,钻井数据采用的记录频率为50 Hz。第一趟钻为不带AST工具的参考钻,钻压每5 min增加一次,为了确保科学的定量比较,使地层变化的干扰达到最小化程度,钻进的进尺保持尽量地短,参考钻完成后,起出钻头并下入带AST工具的钻具。

表1

钻井数据显示,采用AST工具后扭矩波动下降非常明显,非常接近于理论计算;同时还观察到,在低钻压下钻头具有产生高机械钻速的能力。试验结束后对钻头进行了仔细检查,钻速差异的原因相当清楚:参考钻用过的钻头在整个冠部都有破碎齿存在,采用AST工具的钻头则具有完整的切削结构。扭矩比较也显示出很大的差异,BHA中采用AST工具的情况波动更小。图2显示了这些数据,图3则给出了用过的钻头的照片。

4.2 2号试验

第二次试验是由Statoil和Norsk Hydro两家作业公司联合进行的,目的在于进一步确定AST工具的机械完整性和它在扩眼作业中的表现。工具直接接在扩眼器上,提供的扩眼器是三个刀片的PDC液压扩眼工具,采用的钻头与1号试验相同。钻机、全部的试验程序和数据采集设备也都和第一次试验相同。在下入下一只钻头和AST工具之前同样下了一趟参考钻。

图2

图3

试验证明了AST工具的机械完整性,这是试验的主要目的。同时还发现,工具可以防止扩眼器产生波动扭矩,允许对扩眼器施加更大的钻压而不致使工具的扭转振动达到临界程度。

5 现场应用

受控试验最终证明,抗制动技术具有预防钻头齿制动钻柱的能力,从而实现能量的安全传递。此外,有明显迹象支持这样一个理论,即通过将转动能量转换成切削作用而实现的扭矩稳定可以改善效率,从而可望得到更佳的钻进效果。

5.1 第一次现场试应用

在IRIS的第一次试验完成后不久,在南Oseberg油田的 Hydro F-27井试用了一套工具,该工具作为带PDC钻头的旋转导向系统的一个部分。为进入水平段施工,同时需要用PDC扩眼器随钻将井眼扩大到9.5 in。地层为砂岩、页岩和灰岩组合地层,工具入井后仅用一天时间就完成了进入水平段的作业。由于可观的机械钻速,作业者要求继续使用该工具,但是,为了完成用于比较意图并对受控试验钻机的数据予以确认的参考钻,当时决定不再继续下入该工具。尽管井深已达3 000 m,而且相对于受控试验的直井井斜已经到了90°,但试应用结果却在很大程度上确认了来自IRIS的发现。试用表明,当钻具带有AST工具时,钻进扭矩更加平稳,机械钻速明显提高 (图4)。

图4 63/4in的AST工具在南Oseberg第一次下井试应用的数据

5.2 第二次现场试应用

基于AST工具在海洋的应用效果,Statoil要求在西Alpha半潜式钻机施工的一口高温高压探井上应用该工具。普遍认为该井81/2in井段的硬地层和高温是相当大的作业难点,出于参照目的,第一趟钻没有使用AST工具。本井试应用再次获得了平稳的钻进扭矩。在该井中,卡-滑诊断数值由MWD系统发回,由安装在钻台上的显示屏分级显示出来:0～1级为绿色 (正常旋转);2～4级为黄色 (扭转振荡);5～6级为红色 (完全卡-滑);7级为紫色 (带有打倒车发生的极为严重的卡-滑)。当带有AST工具的钻进开始时,卡-滑级别立刻从红色降到了黄色,并且随着钻进参数的进一步控制,得到了绿色的卡-滑级别 (图5)。该井无故障钻达总井深,比计划提前了25天。为了与不带AST工具的参考钻比较,该井取心时也带了AST工具。基于在取心过程中显示出的良好的扭矩稳定性,平台取心专家推荐该井后续井段都使用该工具。

图5 第二次现场试应用卡-滑数据

所有的试验和现场第一次试应用均获得了如下相同的结果:

◇钻进扭矩稳定;

◇记录到的井下卡-滑严重程度降低;

◇无过度紧扣钻杆连接;

◇无MWD失效;

◇钻得更快。

另外,工具的操作范围难以适应钻机的钻进参数。带组合弹簧的升级工具具有覆盖所有载荷范围的能力,已制造完成并投入了正常服务。Statoil是主要的用户,挪威哈里伯顿是提供作业支持的合作方。

5.3 直井

可以观察到,刻度盘上呈现第二次现场试应用的卡-滑读数指示的扭转振荡达到黄色级别的情况经常在小斜度井内发生。对这一特殊现象的研究表明,这些井易于发生这样的振荡,振荡是由钻柱在低摩擦环境中产生的 (Richard,T2002)。由于这类振荡能量较低,它们一般不会达到引起AST工具动作的程度。

5.4 进一步改进

得到的第一次教训是与AST工具机械完整性有关的第7次入井发生的事件,工具在出现极度弯曲并逐渐发生疲劳破坏后,记录到了严重的卡-滑。基于第二次疲劳破坏事故,制造了一套可满足弯曲要求的新工具。还发生过压力密封失效造成漏油和工具内部过度磨损,该问题基于密封上动载荷的现场记录通过对密封系统的优化得到了解决。在包括两次现场试应用的首批25次下井应用中,卡-滑均被限制在了一个较低的程度,也没有过度紧扣的情况发生。总而言之,已经证明,AST工具具有提高难钻地层钻柱寿命的能力,它已应用于不同尺寸的井眼、不同的工具组合和不同的钻具组合之中。可以设想,随着对工具工作机理认识和每次特定应用效果的提高,AST技术提供给油田作业者的价值也将提高,图6给出了以第二次试应用为计量标准的前25次现场应用过程中记录到的卡-滑程度。