劉永旺,郭福貴,管志川,秦曉兵

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院,山東青島 266580;2.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點實驗室(中國石油大學(華東)),山東青島 266580;3.山東省深地鉆井過程控制工程技術(shù)研究中心,山東青島 266580;4.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司,新疆烏魯木齊830011)

旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)始創(chuàng)于20世紀90年代初,其技術(shù)核心為旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)(rotary steerable systems,RSS)[1]。RSS是在鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進時完成井眼軌跡控制的一種導向式鉆井系統(tǒng),其作用是為鉆頭施加側(cè)向推靠力或改變鉆頭指向從而改變井眼軌跡[2-4]。目前主流的旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)有Schlumberger研發(fā)的Power Drive系列、BakerHughes的Auto Trak、Halliburton研發(fā)的Geo-Pilot[5-10]、中海油Welleader系統(tǒng)等,近年來旋轉(zhuǎn)導向鉆井因其技術(shù)優(yōu)勢在中國被越來越廣泛地應(yīng)用[11-21],全球范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)導向服務(wù)井數(shù)量也出現(xiàn)快速增長[22],其將來有可能成為一項主流技術(shù)[23-24]。但目前旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)性軌跡控制能力、工作壽命、鉆井速度有待進一步提升[25-29]。提升所述的3項性能對其發(fā)展有重要工程意義[30-33]?，F(xiàn)有的推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)工作的基本原理是“速度杠桿”,由于原理的限制導致鉆頭所獲推力小于工具輸出推力,鉆頭轉(zhuǎn)向與工具施加推力方向相反且隨著鉆速提高軌跡控制能力下降。為了提升工具的性能,筆者基于“省力杠桿”原理,改變現(xiàn)有的推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)中導向工具與扶正器位置,使鉆頭轉(zhuǎn)向與推靠力施加方向相同,從而實現(xiàn)放大鉆頭處所獲推力的效果。為了驗證思路的可行性,筆者采用有限元分析法,分析對比“速度杠桿”與“省力杠桿”在提高工具性能上的優(yōu)勢。

1 現(xiàn)有推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)工作原理及問題

現(xiàn)有推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)包括鉆頭、推靠式旋轉(zhuǎn)導向工具、扶正器、柔性短節(jié)以及上部鉆具等,推靠式旋轉(zhuǎn)導向工具設(shè)置有導向翼肋,導向翼肋設(shè)置在靠鉆頭端,而扶正器設(shè)置在遠離鉆頭端,扶正器上端安裝柔性短節(jié)及上部鉆具。

現(xiàn)有推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)利用柔性短節(jié)來降低上部鉆具對下部系統(tǒng)的影響,扶正器以下近似簡化為“速度杠桿”,扶正器作為杠桿的支點,導向工具處的翼肋作為推力輸出單元,鉆頭作為受力單元。通過導向工具施加的推力、鉆頭受到的反作用推力、扶正器下部鉆具重力共同作用使得杠桿達到平衡狀態(tài),鉆頭在反作用推力下對井底產(chǎn)生切削,從而改變井眼軌跡。現(xiàn)有推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)受力分析如圖2所示,其鉆頭所獲推力近似計算公式為

(1)

式中，F(xiàn)c1為鉆頭所獲推力，t；Ft為導向翼肋施加的推力，t；G為鉆柱重力，t；L1為扶正器到導向翼肋距離，m；L2為導向翼肋到鉆頭距離，m;α為井斜角，(°)。

圖1 現(xiàn)有推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of existing push-against rotary guide system structure

由式(1)可知鉆頭所獲推力與導向翼肋施加的推力、鉆柱重力、扶正器到導向翼肋距離及導向翼肋到鉆頭距離有關(guān)。為了使鉆頭得到足夠大的推靠力,目前優(yōu)化方案為:增加導向翼肋施加的推力;縮短導向翼肋到鉆頭距離;延長導向翼肋到扶正器距離。

上述3種方案各自存在的問題:①增加導向翼肋施加的推力可以增加鉆頭處獲得的推力,但更高的推力造成導向翼肋的磨損,影響工具的使用壽命,并且過大的推力在軟地層等造斜時,導向翼肋存在卡入井壁的風險,即使不完全卡入井壁也會增加送鉆阻力,影響鉆井速度;②縮短導向翼肋到鉆頭距離,該方法也可以增加鉆頭處獲得推靠力,但該方案推靠力提升空間有限,NeoSteerCLxat-bit定向?qū)Ｓ肞DC鉆頭(圖3)已經(jīng)把導向翼肋安裝在鉆頭上,但推靠力無法進一步提升,且該方法造成近鉆鉆頭處沒有足夠空間去安裝提速裝置,導致軌跡控制能力的提高與機械鉆速的提升相矛盾;③延長導向翼肋到扶正器距離,原理上能夠提高鉆頭所獲推力,但隨著導向翼肋到扶正器距離增加,其剛度變小,導向翼肋的推靠力作用會難以施加到鉆頭上而被鉆具變形抵消。

綜上所述,針對現(xiàn)有推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)相關(guān)性能有待提升的問題,目前采取的解決方法雖然有一定的提升,但是沒有較大的突破。故提出基于“省力杠桿”原理的新型旋轉(zhuǎn)導向方法,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖2 現(xiàn)有推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)受力分析Fig.2 Force analysis diagram of existing push-against rotary steering system

圖3 NeoSteerCLxat-bit定向?qū)Ｓ肞DC鉆頭Fig.3 NeoSteerCLx at-bit steerable PDC bit

2 新旋轉(zhuǎn)導向方法的實現(xiàn)機構(gòu)和原理

“速度杠杠”動力點在支點和阻力點之間,物理學稱為第三類杠桿,這類杠桿也被稱為費力杠桿,即動力點輸出力大于阻力點獲得力,且無法實現(xiàn)力的放大。這是現(xiàn)有推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)軌跡控制能力有限的根源,若能夠?qū)崿F(xiàn)推靠式旋轉(zhuǎn)導向工具施加給鉆頭的推靠力放大,則推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)軌跡控制能力將會再次得到大幅提升。

“省力杠桿”是指支點在動力點和阻力點的中間,該杠桿也被稱為第一類杠桿,其是否能夠?qū)崿F(xiàn)力的放大由支點的位置決定,或者說由臂的長度決定。基于該杠桿原理,筆者提出基于“省力杠桿”原理的新型旋轉(zhuǎn)導向方法[34]。該方法將扶正器和常規(guī)旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)導向翼肋的位置調(diào)換一下,即導向翼肋遠離鉆頭端設(shè)計,扶正器靠近鉆頭端設(shè)置,如圖4所示,圖4中的扶正器為滿眼扶正器。在導向鉆井工作時,新旋轉(zhuǎn)導向方法的實現(xiàn)機構(gòu)能夠自動測量井斜和方位角并與設(shè)計值進行對比,根據(jù)測量值與設(shè)計值差異控制導向翼肋伸縮輸出推靠力實現(xiàn)為鉆頭施加推力的目標,需要增斜時,導向翼肋施加向下推靠力;需要降斜時,導向翼肋施加向上推靠力;需要增方位時,導向翼肋施加逆時針推靠力;需要降方位時,導向翼肋施加向順時針推靠力。該推靠力在“省力杠桿”支點(扶正器)的作用下,放大施加給鉆頭,從而使鉆頭獲得數(shù)倍于新旋轉(zhuǎn)導向方法的實現(xiàn)機構(gòu)輸出的推靠力,另外實現(xiàn)機構(gòu)輸出推靠力的同時,還會改變鉆頭的指向,從而達到協(xié)同鉆頭推靠與指向作用控制井眼軌跡的目標。增斜過程系統(tǒng)在井眼內(nèi)的狀態(tài)如圖5所示。

圖4 新型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of new rotary steering drilling system

圖5 新型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)導向過程示意圖Fig.5 Schematic diagram of steering process of new rotary steering drilling system

3 新型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)性能分析

3.1 研究模型及方法

為了驗證新型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的性能,利用ABAQUS有限元軟件對兩種旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的性能進行分析對比,現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為現(xiàn)場鉆井工程使用參數(shù)(圖6(a)),新型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)相同(圖6(b)),兩者的差異僅是導向翼肋與扶正器的位置發(fā)生交換。圖6中，Dci和Dii分別為導向系統(tǒng)某段的外徑和內(nèi)徑。

利用ABAQUS有限元軟件把旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)底部鉆具組合簡化為線性梁問題進行分析,假設(shè):

(1)底部鉆具組合各單元均可發(fā)生彈性形變。

(2)鉆頭為滿眼鉆頭,鉆頭與地層無力偶作用。

(3)扶正器為近似滿眼扶正器,扶正器中心低于鉆頭中心。

(4)鉆具與井壁切點以上的鉆鋌平躺在下井壁。

(5)井眼為圓形,對導向翼肋、扶正器和鉆頭3個接觸點為剛性接觸。

(6)井壁為剛性體,井眼尺寸不隨時間變化。

(7)扶正器、鉆頭和導向翼肋與井壁為點接觸。

對整個系統(tǒng)進行分段定義單元,共分為切點到柔性短節(jié)、柔性短節(jié)、柔性短節(jié)到導向翼肋、導向翼肋到扶正器、扶正器到鉆頭5個單元,如圖7所示。導向翼肋、扶正器、鉆頭均簡化為點接觸。

圖6 導向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖Fig.6 Structural optimization diagram of guide system

圖7 模型簡化及單元劃分Fig.7 Model simplification and unit division

假設(shè)系統(tǒng)上部與井壁下端連續(xù)接觸,其中進行定義單元中鉆鋌切點的位置是鉆鋌正好離開井壁的分界點,此分界點的位置依靠模擬不斷調(diào)整獲得。

3.2 模擬結(jié)果對比

3.2.1 導向翼肋施加相同推力下系統(tǒng)軌跡控制能力對比

為了分析系統(tǒng)軌跡控制能力,模擬計算井斜角為0°、45°及90°情況下,兩種旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)導向翼肋施加相同的推力1.5 t時鉆頭推靠力以及轉(zhuǎn)角,并計算得到鉆進趨勢角[35]，結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出:導向工具輸出相同推靠力前提下,新型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)鉆頭處獲得推靠力較現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)有大幅度提高,且提高幅度隨著井斜角增加而增加。0°、45°及90°情況下,鉆頭推靠力分別提高了3.7、4和5.3倍;新型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)鉆頭傾角為正值,即該鉆頭傾角與鉆頭推靠力方向一致,其作用為增斜?，F(xiàn)有旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)鉆頭傾角為負數(shù),即鉆頭傾角與鉆頭推靠力方向相反,其作用為降斜;導向工具輸出相同推靠力前提下,新型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)鉆進趨勢角較常規(guī)旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)有大幅度提高,且提高幅度隨著井斜角增加而增加。0°、45°及90°情況下,鉆進趨勢角分別提高了5.5、4.7和6.5倍;新型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)鉆頭推靠力與鉆頭傾角方向相同,二者協(xié)同控制井眼軌跡;現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)鉆頭推靠力與鉆頭傾角方向相反,即軌跡控制過程,二者作用矛盾。

3.2.2 鉆頭獲得相同推靠力下導向翼肋輸出推靠力對比

導向翼肋輸出推靠力是其本身使用壽命的關(guān)鍵影響因素,也是影響鉆壓傳遞效率的因素。為了對比鉆頭獲得相同推靠力情況下兩種導向系統(tǒng)導向翼肋施加的推力,通過不斷修改導向翼肋施加的推力,使兩種導向系統(tǒng)鉆頭推靠力均得到29 400 N(3 t)的力,得到了3種不同井斜角度下兩種導向系統(tǒng)導向翼肋需施加推力,如圖9所示。從圖9中可以看出,新型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)在3種不同井斜角度下導向翼肋施加的推力相比現(xiàn)有的導向系統(tǒng)降低幅度非常明顯,新型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)分別為常規(guī)導向系統(tǒng)的0.23、0.1和0.05倍,且隨著井斜角的增加,翼肋處施加的推力更小。摩擦學實踐表明,兩個接觸面磨損壽命與面之間摩擦因數(shù)、相對運動速度及相互作用力有關(guān),摩擦因數(shù)、相對運動速度及相互作用力越大,磨損越快。即旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)導向翼肋輸出的推力越大,其壽命越短。在鉆頭獲得同等推靠力下,由于新型導向系統(tǒng)的導向翼肋相比現(xiàn)有導向系統(tǒng)的導向翼肋僅需要輸出很小的推力,意味著新型導向系統(tǒng)工具線磨損速度更低,大大延長了工具壽命。

圖8 兩種導向系統(tǒng)軌跡控制能力對比Fig.8 Comparison of drilling trend angle between two kinds of steering systems

3.2.3 提速工具安裝對軌跡控制能力影響

為了進一步提高旋轉(zhuǎn)導向鉆井時的鉆井速度,需要在旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)內(nèi)安裝提速裝置,若將提速裝置安裝到遠離鉆頭端,則會影響推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)軌跡控制能力及本身工作壽命,現(xiàn)有推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)由于原理限制近鉆頭處沒有空間去安裝提速裝置。新型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)能否在近鉆頭安裝提速工具需要開展研究。為此,進行導向翼肋到扶正器的長度對系統(tǒng)軌跡控制能力影響模擬研究,在3個不同井斜角(0°、45°、90°)下兩種導向系統(tǒng)軌跡控制能力隨翼肋到扶正器的距離關(guān)系曲線如圖10所示。圖10中可以得出,在井斜角0°情況下(圖10(a)),新型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)鉆頭推靠力和鉆進趨勢角隨著翼肋到扶正器距離的增加而減小,直到距離延長到約5 m時,新型導向系統(tǒng)鉆進趨勢角依然高于現(xiàn)有推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)。在井斜角45°和90°情況下,隨著導向翼肋到扶正器距離的增加,新型導向系統(tǒng)的軌跡控制能力先減小后增加,但是軌跡控制能力始終高于現(xiàn)有的導向系統(tǒng)軌跡控制能力。因此在造斜率保證的情況下,新型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的導向翼肋到扶正器長度可以延長到約5 m,留出足夠的空間去安裝提速裝置,從而為實現(xiàn)進一步提高機械鉆速提供支撐。

圖9 兩種導向系統(tǒng)工具施加推力對比Fig.9 Comparison of thrust applied by two guidance system tools

圖10 導向翼肋到扶正器的距離對系統(tǒng)軌跡控制能力的影響Fig.10 Influence of distance from guide rib to centralizer on trajectory control ability of system

4 結(jié) 論

(1)基于“省力杠桿”原理的新型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)與常規(guī)導向系統(tǒng)相比,在井斜角0°、45°、90°情況下,工具輸出推靠力相同時,鉆頭獲得推靠力提高3.7、4、5.3倍,為旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)軌跡控制能力的提高提供支撐。

(2)與常規(guī)導向系統(tǒng)相比,鉆頭獲得相同推靠力情況下,新型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)僅需施加常規(guī)導向系統(tǒng)的0.23、0.1、0.05倍的推力即可實現(xiàn)相同推靠效果,這可以減少翼肋的磨損,為旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)使用壽命的延長提供保障。

(3)基于“省力杠桿”原理的新型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)在近鉆頭處約有5 m安裝提速工具、近鉆頭測量工具的空間,且安裝上不超過5 m長工具后,軌跡控制能力依然高于常規(guī)導向系統(tǒng),這為保證造斜能力前提下進一步提高鉆井速度提供條件。

(4)基于“省力杠桿”原理的新型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng),既可實現(xiàn)導向翼肋到鉆頭推靠力的放大,又能達到推靠式和指向式聯(lián)合控制軌跡的目的,對于軌跡控制能力提升具有積極作用。