高功率小井眼钻井系统.pdf

罾外钻井技求 小 、 一 } 毛 l 高 功 率 小 井 眼 钻 井 Jo h n ． H． C o h e n等 百 k 了 H 石油天然气工业正面临着成本的升高和 产量下降的问题 ， 因此生产商不得不降低生产 成本 。一个 比较成功的降低生产成本的方法， 就是利用小井眼进行勘探和开发。 一般认为井 径小于 1 2 0 ． 6 5 mm 4 的井眼为小井眼 ， 而 井 眼 直径 在 I Z O ． 6 5 tur n 4 和 1 6 5 ． 1 mm 6 之间的被称为“ 中井眼” 。 从 5 0年代末到 6 0年代 ， 在全世界打成 3 0 0 0 多口小井眼井。这些小井眼井使钻井成 本 降低了 2 7 ～7 5 ％， 其主要原 因是减少 了 钻机和钻具 的费用。 虽然小井眼能节省大量的 成本 ， 但是大井眼在 7 O 年代和 8 0年代还很普 遍。这是因为 1 小直径牙轮钻头寿命短； 2 小井 眼钻机 的机械钻速低 ， 3 原 油价格 高； 4 到处都需要大井眼的错误观念 。 当前正在使用的有三种基本的小井眼钻 井系统 。 钻进 4 8 4 ％ l 9 ％ 处理泥浆 5 2 ％ 扩眼 2 5 ％ 图 1 井深 大于 4 5 7 2 mm 的钻进时效 1 转 盘 钻 井 系统 。该 系 统 是 3 0 0 ～ 8 0 0 r p m 的转速 驱动小直径钻具旋转 ， 小井眼 钻杆 的扭断是该系统的主要问题 。 2 井下马达钻井系统。利用小井眼马达 驱动钻头以 8 0 0 2 0 0 0 r p m转速旋转 该系统 解决了高速钻进和钻具扭断的问题。 3 连续取心系统 。利用岩心筒来实现小 井眼连续取心， 该系统用在地质学家需要岩心 对地层构造进行解释的探区。 新的高功率小井眼马达 的发展和 P D C与 T S P钻头 已克服了小井眼钻井早期所遇 到的 问题。 这些新的马达和钻头具有使钻井费用降 低 4 0 6 0 的潜力 。 机械钻速 在钻井中， 机械钻速的重要性怎样强调都 不过分。 图 1 是天然气研究中心研究的钻井过 程时间分配结果 。研 究表明 ， 在深层气井中 ， 7 0 ％以上的时间是用于钻进和起下钻过程 。 ◎⑧ 图 2 转子与定子的配台 对所有气井钻井的时效分析得到这样一 个类似的结果 ， 即钻进和起下钻时间占整个时 间的 5 0 以上 ， 这些 图证 明了机械 钻速在钻 进过程中的重要性 。 早期小井眼钻井失败的原因之一是机械 译 撇 维普资讯 1 4 国冉蛄井技术 第十二馨l 蚋 l 誊 l I 1 期 2转于． ’ r节臣一 一 子 节 匝 一 。 、 n／ 、 ／ 、 、 ＼ 、厂 定于 节距 图 3 容积式马达定子 ／ 转子联合装置 时问 【 mm 图 4 马达转速 对定子温 度的影响 图 5 马达 压力对定子温度的影响 图 6马达穗 力台 钻速低 。为解决这一问题 ， 研制开发了能够有 效提高机械钻速的新型大功率马达， 这些动力 钻具拥有双级马达 ， 或者拥有 比普通马达更长 的 动 力 段 的 多 级 马 达。表 1表 示 一 个 1 6 5 ． 1 m m 6 串联式马达， 在加拿大的水平 井钻 井过 程 ， 比普 通 马达 机械 钻速蟪 高 了 3 3 到 1 0 0 。 、 、 这种串联式马达是配舍牙轮钻头使用的， 当高功率马达带动新型 T s P和 、 钻头使 用时 ， 其提高机械钻速的潜力更高。 l 1 0 l 、 ＼ ＼ 7 0 ＼ 产 、 3 0 ＼ ＼ 一 _ 上 最 图 7 小井眼马达速度 曲线 { I l0 ／ 不同泵压 【 l瑚 圈 8 小井眼马达 扭矩 曲线 立方件 长方件 六边 形 叠| B 圈 g 大尺 寸 T S P切削齿 、 马达原 理 容积式马达是一种把 泥浆泵送入的钻井 液液能转换为使钻头旋转的机械能的装置。 容积式马达定子 比转子多一个叶片， 如图 2所示 。 维普资讯 国外王 占 井挠木 1 5 毫 制 譬 图 1 0 大切削齿 T S P钻头的机械钻速与钻 压 兰 簟 功军 t iv 图 机桃钻速与功率 转子和定子 的节距之 比与转子和定子的 瓣数之比相同。如图 3是 1 2容积式马达的 定子和转子节距示意图。 对于一个给定的转子／ 定子马达， 其转速 是与排量成 比例的 ， 多头马达 比单头叶片马达 1 2 具有较高的容积 ， 因此输出较高的扭 矩且转速低 。 马达压降 P可按下式计算 P ri p, 1 式 1表明， 增加马达的级数 n ， 或增加单 级 压 降 P s均 可增加 马达 的压降 即 输出功 率 ， 增加压力能 ， 增 加扭矩 ， 但不能改变转速。 表 2 说 明了容积式马达 的转速 、 扭矩和输 出功率是怎样 随排量和马达长度的增加 以及 节距的减少而增加的。 状态 1 中所有参数是基 准数据。 表 2表明， 双泵排量 状态 2 或 1 ／ z节距 状态 3 将会得到 2倍的转速和输出功率 马达长度增加一倍 即双级马达 而节距 和排量保持不变 状态 4 ， 输 出扭矩和功率将 增加一倍 。 衰 I 单敏和串联马达的机慷钻 遗的比较 钻头 井鞭 起始 结束 进l尺 时问 帖建 钻建 马进 } 己 寸 探度 探度 f t h r f t ／ h r 噌加 类 型 L Ⅱ h h F 3 7 D 6 9 4 0 3 9 8 6 5 4 6 2 4 7 ． 0 9 8 3 单缓 F 3 7 D 6 9 8 6 5 1 0 ． 2 8 E 4 2 0 2 7 ． 7 5 1 5 1 4 5 4 串联 F 3 7 D 6 1 0 ． 2 8 ￡ 1 0 ． 8 2 5 3 5 4 0 7 5 l 3 ． 1 2 3 4 串联 F 3 7 D 6 1 0 8 2 1 1 6 7 8 5 3 4 6 2 5 1 8 4 4 8 8 串联 F 3 7 D 6 t 1． 6 7 ．- l 1 8 2 2 0 1 1 ． 2 5 l 9 ， 5 6 9 9 串联 衰 2 标准马选 的特性 设计参敦 马达实际情况 状态 全长 节臣长 泵排量 转遵 扭矩 功率因京 1 l l 1 l 1 2 l 1 2 2 3 1 0 ． 5 l 2 1 2 4 2 1 1 2 2 l 2 2 2 4 6 2 2 4 2 8 马达长度和 排量增加 一倍， 而 节距不变 状态 5 ， 将会得到 2倍的扭矩 和转速 以及 4 倍的辖 出功率。 马达长度和排量增加一倍 ， 而节距减步一 半 状态 6 ， 将会得到 2 倍 的扭矩 、 4倍的转速 和 8倍的输出功率 。 这些例子 状态 说 明要提高马达输 出功 率有几种选择 ， 要得到最优的设计 ， 常常要改 变 3 个设计参数 。 马达设计 设计一个小井眼马达 ， 需要权衡很多设计 参数 。试验马达的实验室研 究表明， 马达的转 速极大地影响定子橡胶产生的热量 图 4 。 高 温会降低定子橡胶的强度和寿命。 相反 ， 提高马达压降对定子橡胶的温度影 响小， 如图 5所示。 高功率小井眼钻井系统的井下马达动力 维普资讯 1 6 罾弭钻 井技术 第十二拳 i ’ 年第l 期 段是用特殊工艺把两个商业上通用的定子焊 接在一起制成一个定子 。 加工一根 由9 段节距 组成的特殊转子与这个特长的定子 配合 。 相 比之下 ， 串联式马达是 用万向轴把两个 动力段连在一起， 这提高了它的通用性， 因为 这些动力段可以单独使用也可以串联使用。 然 而 ， 万 向轴是一个易损件 ， 因此它是 串联式马 达的一个薄弱环节。 新的小井眼马达利用单个 长转子／ 定子取消了万向轴。 为适应功率的提高 。 对零部件的强度和万 向轴都进行 了改进 ， 允许马达在高钻压和高扭 矩情况 下工作 。为 了能承担增大的扭矩 ， 加大 了止推轴承和承载部件。 用金属径向轴承代替 常规的橡胶船用轴承 ， 以吸收较高的横 向 加 大了轴承段的液流通道 ， 因此在提高排量的情 况下不会导致轴承段过大的压力损失。 必须特别注意的是选择万向轴材料 ， 这是 容积马达的一个薄弱环节 。 为使这种马达在高 扭矩下有效运转和长期工作， 必须保证晟大的 万向轴强度 。 实验室试验 小井眼马达是在钻井研究中心马达测力 台上进行测试的 图 6 ， 在变负荷情况下对马 达进行测试 ， 并对排量 、 压降、 转速和扭矩进行 监控。 这些测试数据用来计算和绘制马达 的输 入和输出功率等性能曲线。 图 7 表明， 马达在较大的压力范围内几乎 保持恒定的速度 ， 而保持较高的输出功率会使 马达失速 。当给钻头加压时， 马达必须输出更 大的扭矩以驱动钻头旋转 马达扭矩的提高伴 随马达压降的升高， 它导致钻具的伸长和钻压 的进一步增加 。这样就可能导致普通马达失 速 ， 使马达难以转动， 尤其在大斜度定向井和 水平井中就会存在钻具粘卡的问题 。 在这种情 况下 高功率马达能够连 续工作 ， 提 高机 械钻 速 ， 并消除马达失速问题 。 图 8 表 明小井眼马达能够提供很高舳扭 矩 ， 因此允许使用 高效 的 T S P和 P D C钻 头。 高扭矩拌随高的压降， 配备普通钻井泵的钻机 限制了高功率马达的使用。 T S P钻头 马达和钻头的发展是携手并进的， 新的高 功率小井眼马达需要工作参数和寿命与之相 匹配的钻头 。 该项 目开发的高功率小井眼钻井 系统应用新型的 T S P钻买， 该 钻头使用了大 尺寸的 T S P切削齿 ， 如图 9所示 钻井研究中 tl - 进行的试验表 明， 大切削 齿 TS P钻 头 L C T S P 比普通 T S P钻头具有更长的寿命和 更高的机械钻速 。图 l 0是在巴特斯韦尔大理 岩中使用大功率单级马达实测四种试验钻头 的机械钻速与钻压的函数关系曲线。 利用大尺寸 7 mm7 mm5 mm 切削齿 制造的钻头具有较大的最优钻压范围， 这种钻 头在某一功率下也具有晟大的机械钻速 ， 如图 l 1 所示 。 大 家还 应该 注 意到 这种 7 6 ． 2 mm 2英 尺 钻头能在高达 4 5 水马力的功率下工作， 这 个值比同尺寸的普通钻头要高得多。 这些钻头 在试验中运转 良好 ， 这表明它们能 与新的高功 率马达很好地配合使用。 结 论 1 ．小井眼钻 井能够 降低钻 井费 用 4 o ～ 6 0 。 由于改善 了钻进系统， 在 7 0年代被抛弃 的小井眼钻井已让人们重新感兴趣 ， 并在很多 地区已证实小井眼可以降低钻进成本。 2 ．加长 2倍 转子和定子的新型高功率 马达 ， 能够提供 比普通马达高一倍的功率 。 3 ．新的高功率马达能提高机械 钻速 5 o ～ 1 0 0 ， 并且能够提供较好的速度控制 。 4 ．新的 TS P钻头与高功 率容积式马 达 配合使用 比较理想 。在试验室测试 中， 这些大 齿 T S P钻头能 以 l 5 2 ． 4 mm／ h r 5 0 0 f t ／ h r 的 钻速在中硬地层 中钻进。 译 自S P E 3 0 4 8 6 维普资讯