鉆機(jī)與井下工具新進(jìn)展

楊利，郭先敏

（中國(guó)石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營(yíng) 257017）

復(fù)雜斷塊油藏具有構(gòu)造系統(tǒng)復(fù)雜、斷塊斷層多、斷塊小、含油層位多、油藏類(lèi)型多等特點(diǎn)，需要利用先進(jìn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)井來(lái)適應(yīng)這類(lèi)油藏的高效開(kāi)發(fā)［1］。鉆機(jī)與井下工具的優(yōu)劣直接影響復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的鉆井速度、安全和經(jīng)濟(jì)效益［2-6］。總體來(lái)看，我國(guó)鉆井技術(shù)水平與國(guó)外先進(jìn)水平相比尚有較大差距，而制約鉆井技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素就是鉆機(jī)與井下工具的落后。為實(shí)現(xiàn)“十二五”鉆井技術(shù)發(fā)展目標(biāo)，全面了解國(guó)外鉆井裝備與工具的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，對(duì)比我國(guó)鉆井裝備與工具現(xiàn)狀，找出差距，以盡快提高我國(guó)裝備與工具水平，無(wú)疑是縮短與國(guó)外鉆井技術(shù)差距、進(jìn)一步拓展國(guó)際市場(chǎng)的必備條件。

1 陸地鉆機(jī)技術(shù)

1.1 可快速拆卸和安裝的“火箭”型鉆機(jī)

“火箭”型鉆機(jī)由美國(guó) Veristic 技術(shù)公司設(shè)計(jì)［7］，其設(shè)計(jì)理念基于“簡(jiǎn)單、高效、安全、經(jīng)濟(jì)”4原則。該鉆機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)輸時(shí)不需要拆卸。桅桿式井架的靜鉤載為3 628 kN，井架內(nèi)能排立φ127.0 mm鉆桿180柱（約5 103 m）、φ215.9 mm鉆鋌8柱。其最大特點(diǎn)為整個(gè)井架、底座和鉆臺(tái)可以在地面上水平安裝，不需要使用吊車(chē)。利用配置在鉆機(jī)底座內(nèi)、享有專(zhuān)利的提升系統(tǒng)（配有液壓絞車(chē)、滑輪和鋼繩），能把井架和鉆臺(tái)一步起升到工作高度。該鉆機(jī)的其他特點(diǎn)包括：

1）運(yùn)輸過(guò)程中，鉆臺(tái)上的機(jī)械設(shè)備保留在原位，游車(chē)和頂驅(qū)保持在井架頂部位置，內(nèi)裝的導(dǎo)軌能調(diào)整游車(chē)和頂驅(qū)（頂驅(qū)型號(hào)Varco TDS-11SA）。

2）井架的每個(gè)基座都置于鉆臺(tái)底下、鉆機(jī)底座之內(nèi)，接近地面位置，使鉆臺(tái)部位的穩(wěn)定性好，振動(dòng)小。

3）鉆臺(tái)的結(jié)構(gòu)允許用戶將鉆井設(shè)備（如轉(zhuǎn)盤(pán)、司鉆控制室及其他鉆臺(tái)設(shè)備）集成化，使鉆機(jī)的拆卸、裝配、搬運(yùn)簡(jiǎn)便易行。

4）司鉆控制室配有從美國(guó) NOV（National Oilwell Varco）公司購(gòu)置的、完全集成化的電子控制器和儀器儀表。

第一臺(tái)鉆機(jī)由Cactus鉆井公司用來(lái)在陸地平臺(tái)上鉆井?！盎鸺毙豌@機(jī)的底座可向前移動(dòng)，而把其他設(shè)備留在原處。該鉆機(jī)可立著井架從一口井滑移到另一個(gè)井位，節(jié)約了大量時(shí)間。

1.2 輕便、安全、高效的“理想”型鉆機(jī)

由NOV公司研制的“理想”型鉆機(jī)（商標(biāo)為IDEAL）是最新一代的輕便、安全、高效鉆機(jī)，總鉆井效率顯著提高。由于從運(yùn)移性、設(shè)備配置到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)的廣泛改進(jìn)，在最大程度保證安全性的同時(shí)，安裝、拆卸、運(yùn)輸鉆機(jī)所需要的時(shí)間和付出的勞動(dòng)降到最低。桅桿式井架的高度是43.3 m，額定鉤載3 402 kN，井架內(nèi)能排立φ139.7 mm鉆桿208柱、φ203.2mm鉆鋌10柱（每柱長(zhǎng)27.4 m）。該鉆機(jī)的主要特點(diǎn)包括：

1）鉆機(jī)控制自動(dòng)化。鉆機(jī)控制系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)型，配有IDEAL自動(dòng)鉆進(jìn)與剎車(chē)控制系統(tǒng)（IABC），用單個(gè)操縱桿即可控制盤(pán)式剎車(chē)和輔助剎車(chē)。該系統(tǒng)具備N(xiāo)OV公司市場(chǎng)領(lǐng)先的動(dòng)能監(jiān)控系統(tǒng)（KEMS）的所有安全功能，以限制游車(chē)的行程和速度，避免與鉆臺(tái)和天車(chē)碰撞。一體化自動(dòng)鉆進(jìn)系統(tǒng)以機(jī)械鉆速方式或鉆壓方式工作，能顯著提高鉆井效率。

2）起升操作安全。井架的液壓提升系統(tǒng)采用遙控操作，不需要發(fā)電機(jī)提供的動(dòng)力，使操作人員處于安全區(qū)域。

3）環(huán)境作業(yè)靈活。采用標(biāo)準(zhǔn)的DC/SCR（直流/可控硅）電源或可選擇的DC電源及其控制系統(tǒng)；大容積鉆井泵可擴(kuò)展到用2臺(tái)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，以提高泵送能力。

4）搬家簡(jiǎn)化高效。減少了設(shè)備運(yùn)輸?shù)募?shù)，簡(jiǎn)化了組裝程序；鉆機(jī)模塊或鉆井液循環(huán)系統(tǒng)的組裝不需要吊車(chē)；在運(yùn)輸和組裝時(shí)，游車(chē)、轉(zhuǎn)盤(pán)、頂驅(qū)保持在井架和底座內(nèi)；模塊化鉆井液循環(huán)系統(tǒng)減少了運(yùn)輸及安裝、拆卸時(shí)間。

1.3 適用于頁(yè)巖鉆井的新型移動(dòng)式鉆機(jī)

近年來(lái)，美國(guó)的頁(yè)巖油氣藏鉆井活動(dòng)日益活躍，鉆井承包商或?qū)︺@機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，或建造專(zhuān)門(mén)的移動(dòng)式鉆機(jī)［8-9］，以最大限度減少鉆井周期，降低鉆井成本，從而促進(jìn)了頁(yè)巖油氣藏的開(kāi)發(fā)。

1.3.1 改進(jìn)的UNIT鉆機(jī)

UNIT鉆井公司對(duì)旗下的122臺(tái)鉆機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，使其適用于頁(yè)巖鉆井。鉆機(jī)的應(yīng)用范圍幾乎涉及美國(guó)所有的頁(yè)巖儲(chǔ)層。

改進(jìn)后的鉆機(jī)均配備了頂驅(qū)和大功率鉆井泵，并使用了性能優(yōu)良的鉆井液體系，以滿足高速水平鉆井?dāng)y巖的需要，同時(shí)均具有撬裝能力。專(zhuān)門(mén)的防噴器移動(dòng)系統(tǒng)可以將防噴器組整體從一個(gè)井口提起，鉆機(jī)移動(dòng)時(shí)將其懸掛在鉆機(jī)底座下，然后使用液壓絞車(chē)將其下放至下一口井。

1.3.2 FlexRigs鉆機(jī)

2011年，Helmerich&Payne公司擁有 200臺(tái)FlexRigs鉆機(jī)，大多用于頁(yè)巖鉆井。該鉆機(jī)是一種交流變頻驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)，可以高效應(yīng)用于復(fù)雜的定向井和水平井。

FlexRigs鉆機(jī)的設(shè)計(jì)理念是更加安全和高效。該鉆機(jī)在下套管作業(yè)、防噴器操作、起下管柱及鉆機(jī)搬家等方面均有改善，此外還能利用鉆井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)完成高性能鉆進(jìn)。大多數(shù)FlexRigs鉆機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)在多井井場(chǎng)的整體滑動(dòng)移位，其滑移系統(tǒng)由公司自行生產(chǎn)。2006年，在Corolado的Piceace盆地首次使用了FlexRigs鉆機(jī)，通過(guò)整體滑移，鉆井22口。

1.3.3 八向移動(dòng)鉆機(jī)

八向移動(dòng)鉆機(jī)由全球能源服務(wù)公司2010年推出。該鉆機(jī)綜合了該公司QuickSilver和Pioneer Class鉆機(jī)的主要特點(diǎn)，鉆臺(tái)高7.92 m，井架內(nèi)排立鉆桿5 940 m，同時(shí)具有獨(dú)特的4軸移動(dòng)鉆機(jī)設(shè)計(jì)，使鉆機(jī)可以在8個(gè)方向移動(dòng)，移動(dòng)速度最高可以達(dá)到12 m/h，省去了拆解鉆機(jī)和下口井重新組裝的時(shí)間，同時(shí)還減少了鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)的磨損。鉆機(jī)裝卸不需起重機(jī)，在地面上應(yīng)用液壓缸組裝和拆卸鉆機(jī)，提高了安全性。

1.3.4 PACE鉆機(jī)

Nabors鉆井公司專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了B系列PACE鉆機(jī)。為了提高在滑道上的快速移動(dòng)能力，鉆機(jī)配備了哥倫比亞工業(yè)公司的移動(dòng)系統(tǒng)，在滑道區(qū)域內(nèi)可以鉆8～32口井，極大節(jié)省了移動(dòng)鉆機(jī)的時(shí)間和成本。鉆機(jī)還配備了CanRig公司的技術(shù)，如自動(dòng)貓道、扭矩自動(dòng)調(diào)整扳手、配備軟扭矩軟件以緩解卡滑及井下振動(dòng)的頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)，以及在水平井鉆井期間旋轉(zhuǎn)鉆柱、減少井下摩擦的Rockit系統(tǒng)。

2 井下工具

2.1 新型防憋鉆工具（AST）

新型防憋鉆工具（AST）由挪威Tomax AS公司2008年研制［10］，其主要理念是提供一種能通過(guò)轉(zhuǎn)換鉆井過(guò)程中的能量而主動(dòng)控制巖石切削過(guò)程的裝置，并利用它來(lái)防止井下動(dòng)態(tài)力達(dá)到具有破壞性的級(jí)別，進(jìn)而保護(hù)鉆柱的各個(gè)組件、優(yōu)化巖石切削效率。

AST工具的機(jī)械部件較少，如圖1所示：①為預(yù)加載內(nèi)彈簧；②為上部主工具體，內(nèi)置一母螺旋花鍵；③為伸縮式的下部主工具體，配有一公螺旋花鍵與上部工具體的母螺旋花鍵配合；④為上部和下部主工具體之間的壓力密封；⑤為限制伸縮式延伸的止動(dòng)臺(tái)階；⑥為密封底部的拋光面。

圖1 AST工具樣機(jī)的截面

AST工具的工作原理：克服壓縮彈簧的扭力，使配有內(nèi)置母螺旋花鍵的上部主工具體以旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)入與之配對(duì)的下部主工具體；以伸縮方式收縮，且鉆柱變短，結(jié)果是鉆頭被逐漸從井底上提，直到在全轉(zhuǎn)速下返回；隨著施加到工具上的扭力減小，彈簧按比例伸長(zhǎng)，鉆頭則將穩(wěn)定鉆進(jìn)。

在挪威斯塔萬(wàn)格國(guó)際研究院（IRIS）進(jìn)行了2輪室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，AST工具作為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)+PDC鉆頭鉆具組合的一部分，首次在挪威Oseberg南部油田的Hydro F-27井使用。該鉆具組合要進(jìn)入一口水平井，同時(shí)將井眼用裝有PDC切削齒的擴(kuò)眼器擴(kuò)大到φ241.3 mm。盡管井深超過(guò)3 000 m，井斜90°，但AST工具工作性能良好，使鉆井扭矩保持穩(wěn)定，并提高了機(jī)械鉆速。

2.2 扭轉(zhuǎn)沖擊輔助破巖工具

PDC鉆頭在井下的運(yùn)動(dòng)極其無(wú)序，包括橫向、縱向和扭向的振動(dòng)以及這幾種振動(dòng)的組合，而井下振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致單個(gè)PDC切削齒損壞，縮短鉆頭壽命，并產(chǎn)生不規(guī)則井眼，降低井身質(zhì)量［11］。扭轉(zhuǎn)沖擊輔助破巖工具利用鉆井液驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生一定頻率的扭轉(zhuǎn)沖擊，并直接作用在PDC鉆頭上，給鉆頭施加一個(gè)額外的高頻沖擊能量，輔助鉆頭破巖，解決了PDC鉆頭的卡滑問(wèn)題，提高了難鉆地層的機(jī)械鉆速，同時(shí)減少鉆柱的扭轉(zhuǎn)振蕩，使鉆進(jìn)過(guò)程更趨于平穩(wěn)，延長(zhǎng)了鉆頭等鉆具的使用壽命。

2012年2月，在勝利油田樊55井3 198～3 430 m和高946井3 265～3 515 m井段，使用了勝利油田鉆井院研發(fā)的扭轉(zhuǎn)沖擊輔助破巖工具+PDC鉆頭，平均機(jī)械鉆速分別為5.68，5.75 m/h，分別是鄰井相同地層單純使用PDC鉆頭時(shí)的2.27，1.99倍。

2.3 軸向振蕩工具（AGT）

2009年NOV公司研發(fā)出軸向振蕩工具［12］，可以周期性、溫和地振蕩鉆柱，減少滑動(dòng)鉆進(jìn)和旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)井壁與鉆桿之間的摩擦，改善鉆壓傳遞，拓寬?cǎi)R達(dá)導(dǎo)向系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，極大地改善了滑動(dòng)鉆進(jìn)及連續(xù)管作業(yè)性能。軸向振蕩工具在工作狀態(tài)下產(chǎn)生的振動(dòng)不會(huì)損壞MWD，LWD工具，或干擾信號(hào)傳遞。

軸向振蕩工具由動(dòng)力系統(tǒng)、脈沖系統(tǒng)和振蕩系統(tǒng)3部分組成：動(dòng)力系統(tǒng)是1個(gè)1∶2的正容積式鉆井液馬達(dá)，脈沖系統(tǒng)是由動(dòng)力部分驅(qū)動(dòng)的一系列閥組，振蕩系統(tǒng)是1個(gè)碟狀彈簧驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)工具。

脈沖系統(tǒng)包含1個(gè)振蕩閥組和1個(gè)固定閥組，振蕩閥組與正容積式鉆井液馬達(dá)的轉(zhuǎn)子相連，固定閥組固定在接頭的底部。由于1∶2的定轉(zhuǎn)子比配置，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，振蕩閥組作所謂的章動(dòng)，即近線性的前后掃動(dòng)，振蕩閥組在固定盤(pán)上方掃動(dòng)的過(guò)程中會(huì)周期性地對(duì)流道產(chǎn)生限制，總的流道面積將在最大與最小之間變化，從而在鉆柱內(nèi)產(chǎn)生希望的壓力脈沖（見(jiàn)圖2）。

圖2 轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)與閥組示意

軸向振蕩工具可以接在MWD工具上方或下方。在一次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，軸向振蕩工具連接到馬達(dá)導(dǎo)向底部鉆具組合中下入井內(nèi)，距離鉆頭262.13 m。工具使用井段對(duì)應(yīng)的井眼剖面為從15°的穩(wěn)斜段非常緩慢地降斜到垂直井眼，“S”井眼剖面在穩(wěn)斜段后期與降斜井段采用滑動(dòng)鉆進(jìn)模式，通常會(huì)遭遇摩阻較大的問(wèn)題。

第1趟鉆沒(méi)有使用軸向振蕩工具，采用滑動(dòng)與旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)模式，成功地從869.90 m鉆至1 209.44 m。在井深1 209.44 m起鉆至262.74 m，接上軸向振蕩工具，下鉆到底，繼續(xù)鉆進(jìn)到井深1 948.89 m?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，使用軸向振蕩工具時(shí)，只需要施加不帶軸向振蕩工具時(shí)大約63%的地面鉆壓，便可獲得與不帶軸向振蕩工具相當(dāng)?shù)臋C(jī)械鉆速。

迄今為止，軸向振蕩工具已經(jīng)下井使用5 000多次，可以使作業(yè)者以更高的機(jī)械鉆速鉆出更長(zhǎng)的水平井段。

2.4 主動(dòng)減振器（AVD）

主動(dòng)減振器（AVD）由美國(guó) APS技術(shù)公司開(kāi)發(fā)［13］，可監(jiān)測(cè)底部鉆具組合內(nèi)的振動(dòng)，并調(diào)整工具的阻尼系數(shù)以減小振動(dòng)。

AVD工具下端是常規(guī)減振裝置，帶有一個(gè)盤(pán)形彈

簧、徑向軸承及扭力軸承。上端裝有電子儀器，用于測(cè)量心軸運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)心軸運(yùn)動(dòng)改變減振裝置內(nèi)的電流大小。AVD工具中部是電磁減振裝置（見(jiàn)圖3），它被一組電磁線圈環(huán)繞的扼流圈分割成2個(gè)腔。電磁流變流體用作減振液。隨著線圈內(nèi)電流的增加，減振器內(nèi)的磁場(chǎng)會(huì)不斷增強(qiáng)，從而增加電磁流變流體的黏度，由此增加工具的動(dòng)態(tài)剛度。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，工具的有效動(dòng)態(tài)剛度在2.6～17.3 kN/mm范圍內(nèi)變化。

圖3 電磁減振裝置

2008年6月，在Teapot Dome油田的落基山油田測(cè)試中心（RMOTC）進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，AVD工具能夠監(jiān)測(cè)鉆柱振動(dòng)并對(duì)鉆柱振動(dòng)作出反應(yīng)，通過(guò)保持鉆頭和巖石面更均勻地接觸提高機(jī)械鉆速，通過(guò)消除沖擊和振動(dòng)的破壞延長(zhǎng)鉆頭壽命。機(jī)械鉆速在頁(yè)巖中提高了73%，在粉砂巖中提高了29%。

2.5 新型超高強(qiáng)度鉆桿

大位移井、超深井和深水井對(duì)鉆桿性能的要求已經(jīng)超出了常規(guī)S-135鉆桿的能力，業(yè)界正在對(duì)一些可替代材料和先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究，以滿足大位移鉆井等的需求。目前開(kāi)發(fā)了最低屈服強(qiáng)度為1 138 MPa的新型超高強(qiáng)度鋼材，并用此鋼材制造了較常規(guī)鋼鉆桿壁厚更薄、重量更輕的 UD-165 鉆桿［14］。

UD-165鉆桿的強(qiáng)度/質(zhì)量比超過(guò)鋁合金鉆桿，較S-135鉆桿提高22%，僅次于鈦合金鉆桿，但成本遠(yuǎn)低于鈦合金鉆桿。UD-165鉆桿具有內(nèi)徑大的特點(diǎn)，水力性能得到了極大地改善，這對(duì)提高大位移井和超深井的機(jī)械鉆速、井眼清潔和鉆井效率至關(guān)重要。

實(shí)驗(yàn)制造了50根壁厚為12.7 mm的φ127 mm UD-165鉆桿，與φ127 mm的NC50連接扣S-135鉆桿（29 kg/m）聯(lián)合使用，在南德克薩斯的2口井上取得了成功，該地區(qū)井深大都在2 438～3 658 m。

用于UD-165超高強(qiáng)度鉆桿的第3代雙臺(tái)階連接扣已經(jīng)研制成功，增加了雙頭螺紋，減少上/卸圈數(shù)50%，采用雙半徑扣型，降低了連接應(yīng)力峰值，并增強(qiáng)了扣的連接疲勞壽命。采用第3代雙臺(tái)階連接扣的輕型超高強(qiáng)度鉆桿，可用于大位移井、深水鉆井、超深井鉆井。

3 結(jié)束語(yǔ)

鉆井費(fèi)用在油氣勘探開(kāi)發(fā)中占有很大比例，鉆井新裝備和新工具在降本、增效等方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，為石油勘探開(kāi)發(fā)提供了強(qiáng)有力的支持。建議借鑒國(guó)外成熟經(jīng)驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)有鉆機(jī)進(jìn)行改造，或者開(kāi)發(fā)專(zhuān)用移動(dòng)式鉆機(jī)，最大限度降低頁(yè)巖油氣藏鉆井成本；積極研發(fā)新型井下工具如防憋鉆工具（AST）、軸向振蕩工具（AGT），加強(qiáng)扭轉(zhuǎn)沖擊輔助破巖工具的推廣和應(yīng)用力度，為我國(guó)鉆井提速提效工作提供全新的技術(shù)保障；加強(qiáng)基于超高強(qiáng)度鋼材的薄壁高強(qiáng)度鉆桿的研發(fā)，提早做好技術(shù)儲(chǔ)備，滿足未來(lái)深水鉆井、大位移鉆井和超深井鉆井的需求。

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