關(guān)于氣體鉆井定向動(dòng)力鉆具研究的新思路

鄧 虎， 李宬曉， 董仕明

(1川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心3中石油欠平衡與氣體鉆井試驗(yàn)基地)

目前油氣資源的勘探已向“非常規(guī)”轉(zhuǎn)移，特別是低產(chǎn)、低壓、低滲油氣藏所占比重逐年擴(kuò)大，開采難度與日俱增。這些區(qū)域包含了大量水敏、鹽敏、堿敏及碎屑巖地層，與鉆井濾液作用后滲透率急劇降低，用常規(guī)鉆井方法很難實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層保護(hù)或發(fā)現(xiàn)新氣藏。國內(nèi)外研究表明，利用氣體鉆井更加有利于發(fā)現(xiàn)和保護(hù)油氣層，而利用水平井可以增加泄流面積，提高單井產(chǎn)量，兩者結(jié)合能最大限度地保護(hù)儲(chǔ)層，為發(fā)現(xiàn)和合理開發(fā)“三低”油氣藏開辟新徑。

目前，由于缺乏成熟的定向動(dòng)力鉆具和無線隨鉆測(cè)量工具導(dǎo)致氣體鉆水平井技術(shù)難以應(yīng)用?，F(xiàn)在國內(nèi)自主研發(fā)的EM-MWD已獲成功，遙測(cè)垂深超過4 300 m，打破了國外長(zhǎng)期以來的技術(shù)封鎖，然而定向動(dòng)力鉆具的研制明顯滯后。在國外這方面的工作始于20世紀(jì)80年代開發(fā)的空氣螺桿，而國內(nèi)則起步于2001年由中國石油勘探開發(fā)研究院鉆井所和北京石油機(jī)械廠承擔(dān)的“伊朗欠平衡鉆井空氣螺桿鉆具研制項(xiàng)目”。近幾十年來，除了空氣螺桿，還出現(xiàn)了自轉(zhuǎn)式空氣錘等以旋轉(zhuǎn)沖擊方式破巖的定向動(dòng)力鉆具，作者有幸親歷了部分現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，總結(jié)了問題的癥結(jié)所在，創(chuàng)造性的提出了新的研究思路，并做了初步論證。

一、氣體鉆井定向動(dòng)力鉆具類型

由于沒有鉆井液的壓持效應(yīng)，氣體鉆井時(shí)井底巖石處于拉應(yīng)力狀態(tài)，而巖石的抗拉強(qiáng)度是巖石所有強(qiáng)度中最低的，采用壓碎、剪切、沖擊方式破巖均可獲得高的機(jī)械鉆速，目前可用于氣體定向鉆井的鉆具或鉆具組合有空氣螺桿、自轉(zhuǎn)式空氣錘和螺桿驅(qū)動(dòng)式空氣錘。具體特點(diǎn)如表1所示。

表1 氣體定向動(dòng)力鉆具(組合)工作特點(diǎn)

二、氣體鉆井定向動(dòng)力鉆具發(fā)展現(xiàn)狀

1.空氣螺桿

螺桿鉆具自20世紀(jì)50年代中期問世以來在定向和水平鉆井方面獲得了廣泛運(yùn)用。由于鉆井液不可壓縮，在推動(dòng)馬達(dá)做功時(shí)擁有硬的機(jī)械特性和良好的抗過載能力。自1953年空氣鉆井在美國誕生以來，人們就嘗試用氣體去驅(qū)動(dòng)螺桿，但是由于氣體的壓縮性，螺桿馬達(dá)原本具有的機(jī)械特性由“硬”變“軟”了。

目前國外空氣螺桿有NOV的PowerPlusTMDrilling Motor(頭數(shù)7 ∶8，級(jí)數(shù)2.0)，HALLIBURTON的SperryDrillTMPDM(頭數(shù)7 ∶8，級(jí)數(shù)<3.0)以及BICO的空氣螺桿(頭數(shù)7 ∶8，級(jí)數(shù)2.3～3.5)。國內(nèi)擁有空氣螺桿的有北京石油機(jī)械廠和天津立林等，北石廠空氣螺桿在白淺111H井和廣安002-H8井進(jìn)行了干氣體條件下的鉆井試驗(yàn)，在伊朗TBK油田RIG16井進(jìn)行了泡沫介質(zhì)下的應(yīng)用。立林空氣螺桿在新黑池1井進(jìn)行了干氣體條件下的試驗(yàn)，在焦頁區(qū)塊開展了泡沫鉆井試驗(yàn)。調(diào)研發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外的空氣螺桿目前多用于泡沫鉆井，但在干氣體條件下的應(yīng)用尚不成熟，存在的問題主要有：

(1)壽命短，一般在30～50 h以內(nèi)，而常規(guī)螺桿的壽命超過120 h。

(2)容易飛車，造成定子橡膠過早失效，甚至抽筒，可靠性不足。

2.自轉(zhuǎn)式空氣錘

沖擊鉆井和空氣錘已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)鉆探、建筑工程和石油鉆井中，是提高硬地層破巖效率的常用技術(shù)。1992年美國率先開始了定向SPADS可旋轉(zhuǎn)空氣錘的研制。在國內(nèi)2007年以來，中石油川慶鉆探、中石化西南局、西南石油大學(xué)等單位均進(jìn)行了自轉(zhuǎn)式空氣錘的研制，運(yùn)用的原理大體一致：在原有空氣錘基礎(chǔ)上增加旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使得活塞在上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)同時(shí)伴隨有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，活塞驅(qū)動(dòng)釬頭旋轉(zhuǎn)，破巖機(jī)理仍以沖擊為主。

圖1 螺旋棒和螺旋母裝置

為降低自回轉(zhuǎn)扭矩，均在活塞回程時(shí)驅(qū)動(dòng)釬頭旋轉(zhuǎn)，而在沖程時(shí)則鎖緊釬頭，這就需要一個(gè)離合器來實(shí)現(xiàn)。目前采用的離合器主要有楔塊式超越離合器和棘輪棘爪離合器兩種。驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的方式一種采用螺旋棒驅(qū)使活塞在上下運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生旋轉(zhuǎn)(圖1)，另一種采用氣體的斜射流來驅(qū)動(dòng)活塞旋轉(zhuǎn)(圖2)。大量的試驗(yàn)表明，兩種類型的自轉(zhuǎn)式空氣錘為驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)均犧牲了部分沖擊功和沖擊頻率，且輸出扭矩尚不能滿足鉆井需要，由于內(nèi)部零件所承受的載荷復(fù)雜多變，機(jī)械強(qiáng)度和可靠性還有待提高。

圖2 斜射流旋轉(zhuǎn)活塞

3. 螺桿驅(qū)動(dòng)式空氣錘

面對(duì)自轉(zhuǎn)式空氣錘的缺點(diǎn)，人們嘗試用空氣螺桿驅(qū)動(dòng)空氣錘連續(xù)旋轉(zhuǎn)，與沖擊作用互不干涉，兩種運(yùn)動(dòng)的疊加形成了回轉(zhuǎn)沖擊式破巖，保持了空氣錘的優(yōu)勢(shì)。鉆具組合為：空氣錘+空氣螺桿+減震短節(jié)+止回閥+扶正器+無線測(cè)量短節(jié)，整個(gè)組合中穩(wěn)定器數(shù)量少，摩阻大幅小于滿眼組合，空氣錘產(chǎn)生的有序振動(dòng)也改善了鉆壓傳遞效果[2-3]。

截止2010年6月該組合在美國肯塔基州和弗吉尼亞州的Berea砂巖(埋深900～1 200 m，石英含量高達(dá)80%，巖石抗壓強(qiáng)度18 MPa，可鉆性差)氣體鉆水平井中已成功應(yīng)用了37口井，在鉆井周期和成本上均有明顯改善：水平段1～2趟完鉆，每井節(jié)約起下鉆5～6趟，節(jié)約成本50%以上。鉆具組合為：?158.7 mm釬頭+?136.5 mm沖擊器+?136.5 mm空氣螺桿(頭數(shù)9/10，級(jí)數(shù)2.1，彎螺桿度數(shù)0.39°，最大扭矩6 779 N · m，氣量55 m3/min)+減震短節(jié)+回壓閥+扶正器+測(cè)量短節(jié)。該組合造斜率低，只能用于水平段穩(wěn)斜鉆進(jìn)，造斜段仍然采用泥漿或者空氣螺桿，目前國內(nèi)尚未無相關(guān)理論和試驗(yàn)研究。

三、氣液耦合驅(qū)動(dòng)方式的提出及可行性分析

由于氣體可壓縮導(dǎo)致空氣螺桿、自轉(zhuǎn)式空氣錘等動(dòng)力鉆具的機(jī)械特性較差，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，但這是驅(qū)動(dòng)方式的“先天缺陷”造成的，不可能完全避免。作者受此啟發(fā)創(chuàng)新性的提出了“氣液耦合驅(qū)動(dòng)方式”來克服氣體直接驅(qū)動(dòng)容積式馬達(dá)的不足，采用液壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣-液能量轉(zhuǎn)換，在結(jié)構(gòu)上由氣動(dòng)執(zhí)行器、往復(fù)式液壓泵和液壓馬達(dá)組成。工作原理是壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行器活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并將力傳遞給往復(fù)式液壓泵柱塞；柱塞運(yùn)動(dòng)使得泵腔內(nèi)封閉容積連續(xù)變化，借助于單向閥實(shí)現(xiàn)配流，完成吸油和排油；往復(fù)泵排出的高壓油驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，液壓馬達(dá)排油流回鉆具內(nèi)部封閉容腔，形成閉式循環(huán)。

圖3 氣動(dòng)執(zhí)行器活塞動(dòng)能變化曲線(供氣壓力1.0 MPa)

為論證原理可行性，作者聯(lián)合吉林大學(xué)國家深部探測(cè)裝備研制課題組利用SimulationX軟件構(gòu)建了氣液耦合井底馬達(dá)虛擬樣機(jī)，開展了各部件獨(dú)立和聯(lián)合工作特性測(cè)試。結(jié)果表明，在1.0 MPa注氣壓力條件下，氣動(dòng)執(zhí)行器活塞獲得最高末速時(shí)動(dòng)能接近40 kW(圖3)。由于氣體鉆井井底巖石呈拉應(yīng)力狀態(tài)，破巖扭矩遠(yuǎn)低于鉆井液鉆井，一般為1 000～2 000 N · m，破巖功率約25 kW。所以從能量轉(zhuǎn)換的角度來看，該方式是可行的，關(guān)鍵在于如何提高能量轉(zhuǎn)換效率。

此外還對(duì)轉(zhuǎn)速特性進(jìn)行了研究，將液壓馬達(dá)出口壓力調(diào)定為10.0 MPa，供氣壓力分別調(diào)定為2.0 MPa、3.0 MPa，考察馬達(dá)加載后的轉(zhuǎn)速特性，結(jié)果如圖4、圖5所示。在馬達(dá)啟動(dòng)瞬間存在較大的速度波動(dòng)，而后逐漸平穩(wěn)至20 r/min附近，其轉(zhuǎn)速受供氣壓力變化影響不大，由于液壓馬達(dá)是剛性驅(qū)動(dòng)，所以轉(zhuǎn)速受載荷的影響程度較理想，但具體情況需結(jié)合臺(tái)架實(shí)驗(yàn)做進(jìn)一步測(cè)試。

圖4 供氣壓力2.0 MPa時(shí)的馬達(dá)轉(zhuǎn)速特性

圖5 供氣壓力3.0 MPa時(shí)的馬達(dá)轉(zhuǎn)速特性

通過初步的仿真分析得出，氣液耦合驅(qū)動(dòng)原理可行，氣動(dòng)執(zhí)行器、往復(fù)式液壓泵和液壓馬達(dá)和行星減速機(jī)可以構(gòu)成能實(shí)際應(yīng)用的井下動(dòng)力鉆具，并具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和扭矩。但是供氣壓力、氣動(dòng)執(zhí)行器活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律、液壓系統(tǒng)參數(shù)之間存在最佳匹配值，需要建立實(shí)驗(yàn)臺(tái)架深入研究氣液耦合動(dòng)力學(xué)特性。目前川慶鉆探鉆采工程技術(shù)研究院已搭建完實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，正在開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

四、結(jié)論

現(xiàn)有空氣螺桿、自轉(zhuǎn)式空氣錘無法滿足氣體定向鉆井要求，在原理上存在先天缺陷，需要破除思維定勢(shì)，另辟蹊徑。氣液耦合驅(qū)動(dòng)方式通過仿真測(cè)試初步驗(yàn)證了原理可行，但工具研制難度較大。首先需構(gòu)建原理實(shí)物模型，開展原理驗(yàn)證和關(guān)鍵元器件評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中挖掘更加準(zhǔn)確的內(nèi)在規(guī)律和最優(yōu)匹配參數(shù)，最終形成樣機(jī)方案。

[1]Pratt C A. Modification to and Experience With Air-percussion Drilling. SPE 16166.

[2]Whiteley M C. Air Drilling Operations by Percussion bit/Hammer tool tandem. SPE 13429.

[3]Johns R P. Hammer Bits Control Deviation in Crooked Hole Country. SPE 18659.

[4]Reindvold. Diamond-Enhanced Hammer Bits Reduce Cost per Foot in the Arkoma and Application Basins. SPE 17185.

[5]李宬曉. 氣體鉆井井下動(dòng)力鉆具.中國專利:ZL201410426679.0, 20160817.