连续油管钻井井下钻具组合的组成及对比分析_马卫国

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石油中旬刊 ＊ 石油机械工程
２ ０ １ ３年５月
） ～１ ） 的钻具组合 ， 在连续油管钻井作业中 ， 钻新直井时一般采用外径 ７ ６ ． ２（ ３ ｉ ｎ ２ ０ ． ６ ５ ｍｍ （ ４ ｉ ｎ ＢＨＡ 的外径尺寸主要取决于井下马达的尺寸 。 目 前 ， 外 径 为 ６ ９ ． ８ ５（ ２ ｉ ｎ） ～７ ６ ． ２ ｍｍ （ ３ ｉ ｎ） 的 钻 具
１］ 。 下面 ， 笔者对连续油管钻井 ＢＨＡ 的 组成 方面具有独特优势 ， 拓展了连续油管钻井技术的应用范围 ［
进行对比分析 。
１ 连续油管钻井 Ｂ Ｈ Ａ
１ ． １ 组成元件 连续油管钻井 ＢＨＡ 由多种元件组成 ， 具有为井下作业提供破岩动力 、 调整钻头工作面 、 测量 钻井 工程参数等作用 。 连续油管钻井时 ， 使用合理的 ＢＨＡ 有利于减少钻井费用和时间以及提高井眼轨 迹的 准确程度 。 目前 ， 连续油管钻井主要有泥浆脉冲系统底部钻具组合和电缆系统底部钻具组合 。 实际运用中 ， 现场 作业人员应对 Ｂ ＨＡ 的适用性和可靠性综合考虑后再选择使用 。 虽然以上 ２ 类井下钻具组合中的一些元件 （ 工具短节） 在工作原理和结构形式上存在一定差异 ， 但是它们都具有井下钻具组合作业所必需的功能 。 一般来说 ， 连续油管定向钻井对井下钻具组合的要求比钻垂直井的要高 ， 对钻具作业功能的要求更 多 ， 导致钻具结构更复杂 。 泥浆脉冲系统底部钻具组合和电缆系统底部钻具组合钻定向井时 ， 都必须配 备的基本工具短节 。 ） 连续 油 管 连 接 器 通过丝扣或夹紧作用使连续油管与底部钻具 组 合 相 连 ， 其 自 身 具 有 比 连 续 油 １ 管更高的抗拉／抗扭能力 。 连续油管连接器通常有螺钉式 、 卡 瓦 式 、 嵌 压 式 和 螺 纹 式 ， 其 中 螺 钉 式 连 接 器优越的抗扭 、 抗过载拉伸和抗振动的能力 ， 使其被广泛应用于钻井作业 。 ） 止回阀 止回阀用于限制 流 体 流 动 方 向 ， 阻 止 环 空 流 体 回 流 进 连 续 油 管 管 线 ， 保 证 作 业 安 全 ， ２ 通常与连续油管连接器相连 。 连续油管钻井使用的止回阀有双瓣止回阀和双球座止回阀 ， 其中双瓣止回 阀通径较大 ， 适合大流量和复杂工艺作业 。 ） 紧急 分 离工 具 用于钻具遇卡时使连续油管与下部钻具组合分 离 ， 并 使 液 压 和 电 力 通 讯 安 全 切 ３ 断 。 目前使用的紧急分离工具的工作原理分为液力释放式 、 拉 伸／剪 切 释 放 式 和 电 控 释 放 式 。 当 使 用 电 缆钻具时 ， 则不能使用液力释放式工具 ， 而要换作拉伸／剪切释放式或电控释放式紧急分离工具 。 ） 循 环 阀 循环接头位于紧急分离工 具 下 方 ， 投 球 循 环 至 球 座 后 发 挥 作 用 。循 环 接 头 减 少 了 通 过 ４ ＢＨＡ 的压力损失和流速限制 ， 从而允许增大流速 ， 较高的流速可改善井眼清洁效果 。
表 １ 连续油管钻井 Ｂ Ｈ Ａ 与常规钻井 Ｂ Ｈ Ａ 结构和性能比较
对比项 钻杆外径尺寸范围／ ｍｍ 钻杆连接方式 工具面定向 钻杆内压降 （ 同等作业深度 ） 钻井液流量 施加钻压能力 钻头破岩动力来源 钻井作业深度／ ｍ 清洁井眼和冷却钻头能力 欠平衡作业能力 随钻测井数据传输能力 连续油管钻井钻具组合 ５ ０ ． ８～１ １ ４ ． ３ 连续无接头 （ 具有大的弹性变形能力 ） 定向工具定向 大 小 弱 井下动力马达 （ 螺杆 、 电动马达 ） １ ０ ０ ＜６ 差 强 强 （ 可以实现闭环数据传输和控制 ） 常规钻井钻具组合 ６ ０ ． ３～１ ６ ８ ． ３ 接单根／立根 旋转钻杆定向 小 大 强 转盘／顶驱／井下马达 （ 涡轮 、 螺杆马达 ）／复合驱动 ０ ０ ０ ０ ＞１ 强 弱 弱 （ 主要使用遥测技术 ）
５］ ） 的连续油管已经被视为连续油管定向钻井的常用尺寸 ［ 。 组合与 ６ ０ ． ３ ２ ５ ｍｍ （ ２ ｉ ｎ
３ 典型的连续油管钻井 Ｂ Ｈ Ａ 组合及其作业性能对比
目前连续油管钻井典型的钻具组合有泥浆脉冲系统底部钻具组合和电缆系统底部钻具组合 ，２ 种钻 ） 。 从表 ２ 可以看出 ，２ 种 ＢＨＡ 组成上的区别在 具组合的结构和作业性能存在一定差别 （ 见表 ２ 和表 ３ 于元件的结构和工作方式不同 ， 工具动力来源和井下数据传输方式不同 。 需要注意的是 ， 不管使用泥浆 脉冲系统底部钻具组合 ， 还是电缆系统底部钻具组合 ， 连续油 管 钻 垂 直 井 时 ， 多 数 情 况 下 需 要 在 ＢＨＡ 上配备 ４～６ 节的钻铤 ， 以增加钻头钻压和工具面的稳定性 ； 在钻定向 井 或 水 平 井 时 ， 在 造 斜 段 和 水 平 段一般不使用钻铤 ， 但会使用 １ 的弯外壳马达或弯接头 ， 根据整个井段的增斜及方位扭转率而定 。 ° ° ～３ 从表 ３ 可以看出 ， 电缆系统底部钻具组合作业能力和作业范围都优于泥浆脉冲系统底部钻具组合 ， 更适 合于复杂和高难度井况的钻井作业 。
连续油管钻井井下钻具组合的组成及对比分析
马卫国 ， 付 悦 ， 阳 婷
（ ） 长江大学机械工程学院 ， 湖北 荆州 ４ ３ ４ ０ ２ ３
［ 摘要 ］ 介绍了连续油管钻井井下钻具组合 （ Ｂ ＨＡ） 的基本组成元件及部分元件的 性 能 和 技 术 参 数 ， 并 将 连续油管钻井 （ Ｃ Ｔ Ｄ） 和常规钻井井下钻具组合进行 了 比 较 分 析 。 重 点 对 比 分 析 了 连 续 油 管 钻 井 ２ 种 典 型的井下钻具组合 ， 最后给出了连续油 管 钻 井 井 下 钻 具 组 合 的 一 般 选 用 原 则 。 连 续 油 管 钻 具 组 合 的 选 择 和使用 ， 最基本的原则是 在 保 证 经 济 性 和 可 行 性 的 前 提 下 获 得 最 大 机 械 钻 速 ， 应 根 据 钻 井 作 业 的 类 型 、 复杂程度 、 技术要求和操作人员的经验综合考虑钻具的使用 。 ［ 关键词 ］ 连续油管钻井 ； 井下钻具组合 ； 性能参数 ［ 中图分类号 ］Ｔ Ｅ ９ ２ １ ［ ）０ 文献标志码 ］Ａ ［ 文章编号 ］１ ６ ７ ３ １ ４ ０ ９（ ２ ０ １ ３ ８ ０ １ ０ ０ ０ ４ － － －
收稿日期 ］２ ０ １ ２ １ １ ０ ９ ［ － － ， 男 ， 硕士 ， 教授 ， 现主要从事石油机械设计方面的教学与研究工作 。 作者简介 ］ 马卫国 （ １ ９ ６ １ ［ －）
第１ ０卷 第１ ４期
马卫国等 ： 连续油管钻井井下钻具组合的组成及对比分析
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） 定 向工 具 定向工具用于连续油管定向钻井时调整井下马达的工具面 ， 主要类型有液力定向器 、 ５ ２］ ３］ 。目前美国 Ｆ 电驱动／控制定向器 ［ 和智能无线定 向 器 ［ ｅ ｄ ｌ ｅ ｃ ｈ公司已经开发出了可以旋转连续油管的
２ 连续油管钻井 Ｂ Ｈ Ａ 与常规钻井 Ｂ Ｈ Ａ 性能的比较
。 从工具角度分析可得 连续油管钻井 ＢＨＡ 与常规钻井 ＢＨＡ 相比 ， 其工作性能有所区别 （ 见表 １） 出如下结论 ： ① 连续油管的尺寸和刚度小 ， 得其承载和输送钻井液 的 能 力 下 降 ， 管 内 流 体 压 力 损 失 大 ， 液力马达输出功率变小 ， 影响了钻具的破岩能力 ， 井眼清洁能力和作业深度 ； ② 连续油管有限的径向尺 寸决定了其钻具的尺寸要比常规钻具的尺寸小 ， 刚度也小于常规钻井钻具 ， 这就使得连续油管钻井钻具 更适合重入钻井 ， 钻小井眼和短曲率半径定向井 ； ③ 连续油管钻定向井时需要钻具组合上的定向工具来 调整工具面 ， 而常规钻井方法一般不需要 ； ④ 连续油管井下钻具组合可以内置电缆 ， 使得随钻定向 、 测 井更简单可靠 ， 方便与地面进行钻井数据的实时交换 ， 有利于钻出狗腿度小 、 井眼轨迹光滑的井眼 。
近年来 ， 随着高强度 、 大直径的连续油管 ， 小直径高扭矩马达 ， 先进的定向和导向工具以及高切削 效率低磨损钻头等井下作业工具的更新换代 ， 极大 地 提 高 了 连 续 油 管 钻 井 井 下 工 具 组 合 （ ＢＨＡ） 的 作 业能力 ， 使得连续油管在过油管重入钻井 、 欠平衡钻井 、 钻小井眼 、 短曲率半径 、 多侧向的大位移井等
表 ２ 泥浆脉冲系统底部钻具组合和电缆系统底部钻具组合结构对比
Ｂ ＨＡ 类型项目 由上至下 ） Ｂ ＨＡ 基本组成 （ 电缆系统底部钻具组合 连续油管连接器 （ 带有电缆锚固器 ） ＋ 止回 阀 ＋ 紧急分离工具 ＋ 循环阀 ＋ 非旋转接头 ＋ 随钻测量工具 ＋ （ 定向工具 ） ＋ 马达 ＋ 钻头 主要不同点 定向工具安装位置 止回阀 紧急分离工具类型 测量工具适用钻井液类型 定向工具类型 马达 其他元件 钻垂直井 定向井或水平井 电驱动／控制定向 器 一 般 都 安 装 在 随 钻 测 量 工具下部 双球阀 拉伸剪切／电控释放工具 不受流体类型限制 液力定向器 、 电 驱 动／控 制 定 向 器 、 智 能 无 线定向器 ／电马达 （ 可调弯外壳／接头 ） Ｐ ＤＭ 、 多路传输接头 钻铤等 多路传输接头 、 助推器 、 振动减摩器 、 挠性 接头 、 无磁钻铤等 可调弯外壳／接头 ） Ｐ ＤＭ （ 钻铤 助推器 、 振动减摩器 、 挠性接头 、 无磁 钻铤等 泥浆脉冲系统底部钻具组合 连续油管连接器 ＋ 止回阀 ＋ 紧急分离工 具＋循 环 阀 ＋ 非 旋 转 接 头 ＋ （ 定向工 具 ） ＋ 随钻测量工具 ＋ 马达 ＋ 钻头 液力驱动定向器一般都安装在随钻测量 工具上部 双球阀／双瓣阀 液压剪切／拉伸剪切释放式工具 不可压缩流体 液力定科版 ） ２ ０ １ ３ 年 ３ 月号石油中旬刊 第 １ ０卷 第８期 ） Ｍ Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｙ ａ ｎ ｔ ｚ ｅ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ Ｎ ａ ｔ Ｓ ｃ ｉ Ｅ ｄ ｉ ｔ ａ ｒ ． ２ ０ １ ３，Ｖ ｏ ｌ ． １ ０Ｎ ｏ ． ８ ｇ ｙ（
４］ 。 新型转盘 ， 其作用之一就是可以用来改变井下钻具的工作面 ［
） 随 钻 测 量工 具 随钻测量工具 （ 如 ＭＷＤ、ＬＷＤ 等 ） 用于在钻井过程中对定向数据 、 地层 参数 ６ 和井下钻井参数进行测量与上传 。 随钻测量工具向地面传递测量数据的方法有 ２ 种 ， 即泥浆脉冲遥测和 连续油管电缆系统传递 ， 前者仅限用于不可压缩型钻井液 ， 后者不受钻井液类型的影响 。 ） 马达 井下马达为钻头提供破岩动力 ， 通常具有可调弯外壳 。 目 前 连 续 油 管 钻 井 使 用 的 马 达 种 ７ 类有螺杆马达 （ 容积式马达 ） 和电动马达 ， 其中使用最多的是螺杆马达 。 在钻穿油层时 ， 推荐使用无磁 定子／转子组合马达 ， 以减少磁干扰 ， 从而改善井眼轨迹的控制 。 ） 钻 头 连续油管钻井钻头 转 速 常 常 比 常 规 钻 井 高 ， 而 能 够 施 加 的 钻 压 又 比 常 规 钻 井 低 ， 所 以 ， ８ Ｃ Ｔ Ｄ 钻头的选用应与高转速低钻压作业相适应 。 目前 ， 在软到中硬地层普遍采用 Ｐ Ｄ Ｃ 钻头 ， 在硬 到坚 硬地层使用金刚石钻头 。 此外 ， 连续油管钻井作业时 ， 常常根据实际需要加入 一 些 其 他 工 具 短 节 ， 如 非 旋 转 接 头 、 激 振 器 、 助推器 、 挠性接头 、 钻铤等 。 通常情况下 ， 连续油管钻井时钻具工具短节的上下连接顺序相对固定 ， 但 是也需要根据钻具的类型和作业工艺的需要适当调整工具短节的相互位置 。 １ ． ２ 钻井 Ｂ Ｈ Ａ 基本分类 ） 井下 钻具 组合 控 制 或随 钻 测 井数 据传输方 式 连续油管钻井 Ｂ １ ＨＡ 根据井下钻具组合控制或随钻测 井数据传输方式的不同可分为泥浆脉冲系统井下钻具组合和电缆系统井下钻具组合 。 电缆系统井下钻具组 合为随钻测井数据传输 、 工具短节工作动力提供和控制等提供了新的途径 ， 改善了钻井操作和井眼质量 。 ） 钻 井 工艺方法 根据钻井工艺方法的不同 ， 钻具组合可分为 欠 平 衡 压 力 钻 井 、 动 态 近 平 衡 压 力 ２ 钻井和过平衡压力钻井 。 特别是连续油管欠平衡钻井 ， 当钻井液为可压缩流体时 ， ＭＷＤ 工具和马达的 类型都会受到一定限制 。 ） 作 业 类型 根据作业类型的不同 ， 钻具组合可分为套管开窗钻具组合 、 裸眼钻进钻具组合 。 ３ ） 井 身 结 构 根据作业井身结构的不同 ， 钻具组合可分为垂直井和定向钻井钻具组合 。 ４