高强度柔性钻杆的研制与应用

孔令沪 ,程林 ,王克虎 ,满国祥 ,朱立强

(1.河北省地矿局国土资源勘查中心,石家庄 050081;2.河北石探机械制造有限责任公司,石家庄 050081)

0 引言

通用采用柔性钻具与常规钻井设备相结合的方式实现超短半径侧钻水平井,柔性钻具由数十或数百节活动短节连接组成,单节钻具长0.15～0.20 m,每节可弯曲3°～5°。活动短节的可靠性直接关系到该项技术的成败,常规柔性钻具采用的虎克十字万向节存在传动过程中不等速、造斜成功率低、承扭能力差、无法重复利用、使用成本高等问题,因此一直未能实现大范围应用。

采用柔性钻具进行超短半径定向钻井可解决“三低一高”的油气田开采难题,也可解决矿山止水成本高、效果差等径向井施工难题,但柔性钻杆强度低、使用寿命短的缺点却严重制约柔性钻杆的应用领域和应用范围。研究高强度柔性钻杆,提升柔性钻_杆抗拉、抗扭强度及耐磨性,提高柔性钻杆使用寿命,才能使柔性钻杆应用更广泛,为矿产资源开采发挥更大作用。

1 应用现状

老油田往往面临单井产量低、井网能量下降快、开采率低等问题,超短半径侧钻水平井技术用最小的投资成本,直接连通剩余油富集区域,在解决近井污染问题的同时,增大泄流面积,增加渗流通道,动用非主力油层,从而大幅提高单井产量,实现老油田的高效开发。老井开发中,通常使用注水的方式补充地层能量,但随着注水深度增加,注水压力升高,水体波及面减小,形成无效注水。超短半径侧钻水平井技术可以精确定位注水方向,精准注水,减小注水压力,扩大波及面。此外,在油井开发生产过程中,由于井下各种复杂因素造成油层附近套管变形或错断损坏,致使油井长停或者报废,超短半径侧钻水平井技术利用其超短半径的特点,定向侧钻,沟通油层,快速恢复套损井产能。

在超薄、低渗油藏的开发中,往往采用水平井组的方式开发,投资大、收效低,很难实现油藏的高效开采。使用超短半径侧钻水平井技术可以在同一层位布置多个渗流孔道,在相同投资金额条件下,将渗流孔道和泄流面积成倍增加。除了超薄低渗油藏,在边底水活跃油藏的开采中,超短半径侧钻水平井技术增大渗流通道,降低流体运动速度,有效抑制底水锥进,提高油藏采收率。埋藏深度在地表以下200～400 m 的油藏称作超浅层油藏,浅层油藏往往稠度大,使用常规技术开采困难,超短半径侧钻水平井技术可以在油层直接开窗、侧钻,并使水平分支井眼在油层中穿行,实现增产的目的。固体矿山开采前的止水作业是保障矿山安全生产的必要前提,采用超短半径侧钻水平井技术可降低止水井施工密度、提高止水效果、缩短作业时间,减少施工成本。

超短半径侧钻水平井技术由于其超短距离侧钻优点,应用领域日趋广泛,在煤层气、页岩气等钻井以及油田注水井中均有应用。

2 柔性钻杆设计

超短半径侧钻水平井技术是采用由柔性钻杆(图1)与侧钻单牙轮钻头(图2)组合成柔性钻具,配合定向装置,进行超短距离侧钻水平井施工的技术方法。在研究中,我们深入剖析常规柔性钻具的“致命伤”,创新设计了传动销柔性传动结构,从原理和机械结构上解决了原有虎克十字万向节钻杆存在的弯曲传动不等速的致命缺陷,避免了钻具末端周期性剧烈振动产生的疲劳破坏,不仅将最大承受扭距由10 k N·m 提升至15 k N·m,还将单节钻杆零部件数量由9件减少为4件,钻具的使用寿命也得到了显著提升。

图1 柔性钻杆Fig.1 Flexible drill pipe

图2 侧钻单牙轮钻头Fig.2 Single cone bit for sidetracking drilling

2.1 结构设计

柔性钻杆主要由柔性传动系统和高压传输系统两部分组成,其结构示意图如图3所示。高压传输系统包括塞管、锥套、涨紧套、高压胶管等部分,塞管、锥套、涨紧套主要起保证高压胶管的固定及连接时的密封作用,便于高压胶管更好发挥其传输功能。

图3 柔性钻杆结构图Fig.3 Structural drawing of flexible drill pipe

柔性传动系统各单节之间通过球节和连接轴由特殊螺纹组成刚性连接。每个单节包括连接轴、球节、锁紧球套、传动销4部分,其中连接轴和锁紧球套以及锁紧球套和传动销之间也是通过特殊螺纹刚性连接,连接轴、传动销和球节的连接均为柔性连接。柔性传动系统是保证柔性钻杆实现高强度和传递扭矩的关键部分,其技术参数如表1所示。柔性钻杆在起下钻时受拉伸,造斜段只承受扭矩,水平钻进时承受钻杆轴向力和扭矩同时作用。设计中采用传动销柔性传动结构,并且单节柔性钻杆在任意方向上最大弯曲度不小于3°,在钻进过程中,既能传递扭矩和钻压,又能满足柔性钻杆曲率半径要求。

表1 柔性钻杆参数Table 1 The parameter of flexible drill pipe

2.2 关键零部件的优化设计

试制过程中发现柔性钻杆单节在扭矩试验台上测试扭矩达到13～14 k N·m 时,球节会发生转动不灵活现象。分析其原因,虽然传动销采用柱形头,强度高、传递扭矩大,但受强力后,柱形头与球头凹槽之间会因为受力不均匀而发生变形,导致球头转动不灵活。为解决这个问题,最终采用了将传动销改为球形头,与之相配合的球头凹槽也改为球形,同时,为了保证强度及传递的扭矩,采取了增大传动销外形尺寸以及增加传动销数量相结合的方法。

3 实际应用及改进优化

120型高强度柔性钻杆在河北省邢台市某铁矿止水井施工中应用,采用超短半径侧钻水平井工艺,成功实现一井多分支,扩大了单井的止水范围、提升了止水效果,并可减少钻孔数量80%以上,实现了高效、经济钻井。

试验井深度200 m,井孔直径216 mm,在钻孔195～198 m 段实施4口超短半径侧钻水平井,钻孔直井段采用常规,钻至200 m 后下入直径178 mm技术套管,下入定向装置,采用143 mm 侧钻单牙轮钻头连接120型高轻度柔性钻杆进行超短半径侧钻水平井施工,水平井段进尺3 m,径向均布4口侧钻水平井,成井后进行注浆止水试验,止水范围较常规直井增加300%。

在提钻后发现柔性钻杆各别短节上的传动销螺纹有松动现象,经分析为钻井过程中的高扭矩及冲击载荷造成的,长时间使用有传动销脱落的风险。给转动销增加防脱设计,在传动销孔增加了卡簧防脱结构,解决了脱落风险,经下井试验该装置安全可靠。结构示意图见图4。

图4 柔性钻杆改进后结构Fig.4 Improved structure of flexible drill pipe

4 结语

通过优化设计开发的高强度柔性钻杆解决了原结构柔性钻杆强度低、使用寿命短、使用成本高的问题,使其不再是超短半径水平井施工工艺推广的制约因素。将超短半径水平井施工工艺从最早的油气井开采和注水井施工,扩展到煤层气和页岩气开采,固体矿止水等领域,随着钻具的成熟,该工艺必将在矿产资源开发中发挥更大作用。