振动和旋转可提高连续油管的钻进深度

３４　国外油田工程第２４卷第２期（２００８．２）　振动和旋转可提高连续油管的钻进深度　编译：丁丽芳　强华　文勇（天津大港油田钻采院国际部）　审校：张晓波（大庆油田工程有限公司）　摘要　近年来，连续油管钻浅井和老井　眼钻分支井的应用不断提高。但是，由于连　器可提供钻压来维持ＣＴ的张力，但是井下爬行器　又额外增加了后勤方面的工作以及作业风险和成　本。目前，还没采用爬行器来进行小井眼的钻井　作业。　２．４滚轮　续油管和井眼的摩擦，限制了通过连续油管　加钻压的应用，使有些钻井作业无法实现。　本文提出了两种减小连续油管和井眼之间摩　擦的方法，即振动和旋转连续油管。　已经开发出与ＣＴ连接使用以及与井下钻具组　合连接使用的多种类型的滚轮。但滚轮的连接和拆　除工作繁琐、耗时，其应用并不受欢迎。　２．５　ＣＴ的校直　关键词　连续油管钻井　振动连续油管　旋转连续油管减小摩擦　１　简介　美国能源部筹资对采用连续油管（ＣＴ）钻小　井眼井进行研究。项目的一部分是开展减小井下摩　由于在滚轴和导向弧上的弯曲，ＣＴ具有一定　的残余曲率，为了校直ＣＴ，可采用一种能实施反　向小度弯曲的仪器来进行校正，从而使ＣＴ伸直，　或近似伸直。这种仪器尽管不能消除残余应力，但　是它能对残余应力进行修正，因而能使管柱近乎正　擦方法的研究，使得ＣＴ能用于延伸钻井。用于小　井眼的小直径ＣＴ在压力的作用下容易螺旋弯曲。　ＣＴ一旦螺旋弯曲，由于ＣＴ与井壁的接触，就会　值。研究表明，校直的ＣＴ在水平井中能被推进得　产生附加的井壁接触力（ＷＣＦ），ＷＣＦ会增大ＣＴ　与井壁的摩擦。这种随作用在ＣＴ上的压力而变化　的摩擦力呈指数增长，直到没有另外的力再传递　到钻头上为止，这种情形称为螺旋锁紧。当轴向力　转为螺旋弯曲载荷（ＨＢＩ　）时，由于弯曲引起的附　加ＷＣＦ就会远远超过由于ＣＴ本身重力引起的　ＷＣＦ。　更远一些，直到出现螺旋锁紧现象。另外一些研究　显示，校直的ＣＴ提供的最大钻压与弯曲的ＣＴ提　供的最大钻压相同。因而，并不能确定校直ＣＴ就　一定是有利的。很明显，校直ＣＴ能加剧ＣＴ的疲　劳损坏。　２．６振动　利用井下仪器来振动ＣＴ以减小摩擦并增大钻　压，有些情况下振动是有利的，有些情况下却不一　２　提高钻压的方法　２．１几何变形　定有利。　２．７旋转　增大ＣＴ的直径或减小井眼的直径是提高钻压　的有效方法。尤其在直井中，增大ＣＴ的壁厚能提　高钻压。　２．２润滑剂　旋转ＣＴ的理论已经讨论了若干年。有一点是　在注入头上方设计了带有滚轴的旋转ＣＴ装置，但　还没有投入使用。目前正在开发旋转ＣＴ装置，就　是把ＣＴ放在注入头上方的转盘仓内。一方面，利　用注入头旋转整个ＣＴ管；另一方面，将马达插入　在注入头下方的ＣＴ内来旋转马达以下井段中的　ＣＴ部分。截至目前，没有任何一种系统进入商业　化阶段。　添加多种润滑剂的钻井液可减小ＣＴ与井中管　柱或与井壁之间的摩擦系数。在套管固井的修井作　业中，润滑剂的应用基本上是成功的，但是在钻井　作业中，这种钻井液必须驱动井下马达维持井控，　并且携带出钻屑。要设计一种钻井液实现以上全部　功能并具有好的润滑作用是困难的。　２．３爬行器　３　研究　美国能源部筹资研究的项目正在进行，以确定　从地面振动ＣＴ是否是一种可行的减小摩擦的方　在ＣＴ钻井应用中，可采用井下爬行器。爬行　维普资讯 http://www.cqvip.com

丁丽芳：振动和旋转可提高连续油管的钻进深度　３５　法，从而为８９　ｍｍ井眼的９１４　ｍ位移或更大水平　位移的钻井提供足够的钻压。该项目包括测试工具　的设计、制作以及在模拟水平井眼中进行ＣＴ振动　测试。另外，已经开展一些分析工作，主要对ＣＴ　钻井应用中ＣＴ的旋转进行评价。　弯曲。红色曲线显示的是没有对ＣＴ施加振动的测　试结果，这种结果符合黄色曲线。值得说明的是，　红色曲线并没有与这小段棕色曲线吻合，这表明只　要对ＣＴ施加压力，ＣＴ就会表现出螺旋弯曲，这　种结果与理论并不一致，到目前为止，还没有人能　解释。　４　试验装置　将两个１７０　ｍ长、直径７３　ｍｍ的防腐合金ＣＴ　管柱校直，放置管柱来表征水平井井眼，一个垂直　放置，另一个有４５。弯曲。沿管柱方向间隔地浇注　水泥将两个管柱固定在适当的地方。在其中一个模　拟水平井井眼中放人外径为２５　ｍｍ或３８　ｍｍ的防　腐合金ＣＴ，给ＣＴ加载来模拟ＣＴ钻井作业。采用　轴向力活塞和测力计在ＣＴ的一端施加一已知的输　入力，利用电振动器来振动靠近轴向力活塞的管　轴向和扭转振动测试是在多频率条件下进行　的，在任何一种振动能下，频率越高，摩擦力就减　得越小。　蓝黑线表明的是轴向振动测试结果，曲线的第　一部分是理想的输出力，它等于输入力，这表明轴　向振动消除了摩擦力，包括由ＣＴ重力引起的摩擦　力。在螺旋弯曲载荷以上，蓝黑曲线偏离浅蓝曲　线，并逐渐平行于红色曲线。一旦管柱螺旋弯曲，　由于管柱螺旋弯曲所导致的附加井壁接触力就会迅　速地削弱振动能量，随着轴向载荷的增加，沿着管　柱。在模拟井眼的另一端再放一个测力计来测量输　出力，该输出力在钻井作业中与钻压相等。在螺旋　弯曲载荷点出现之前，所有施加的输入力都可以通　过输出力进行观测，除非需要一种克服ＣＴ重力摩　擦的力（该力是一个常数）。所以，一旦输入力大　于重力摩擦力，输入力不断增加将导致输出力的不　断增加，这称为１００　的力传递。一旦ＣＴ发生螺　旋弯曲，附加的钻压和由此引起的摩擦力削弱了力　柱长度上就有一个点，在这个点上振动停止。随着　载荷的增加，这个点向输入力端偏移。黑色线是模　拟轴向振动的结果，它假定振动消除了来自振动端　的定量摩擦。　绿色曲线表明扭转振动的能量模型与其他振动　的不同，并且扭转振动在减小摩擦力方面没有轴向　振动有效。尽管不能解释当输入力大于１７　６４０　Ｎ　以后，还能测到输出力增加的原因，但是这可能归　因于ＣＴ在模拟井眼中前后的轻微转动，这种扭转　振动的结果似乎与螺旋弯曲无关。　振动测试得出如下结论：　传递的总量。当力的传递下降到１　时，我们定义　这时发生了螺旋锁紧。　５　测试　对三种振动方式进行了测试，它们是：　◇横向振动，就是将ＣＴ以垂直于ＣＴ轴的方　◇轴向振动在减小摩擦力方面是最有效的；　◇在螺旋弯曲之前，振动可有效减小摩擦力；　◇一旦发生螺旋弯曲，附加的井壁接触力可迅　速削弱振动作用；　向进行前后振动，即使这种振动的力大到使ＣＴ断　裂，它对减小摩擦力也不起什么作用。　◇扭转振动，就是旋转地振动ＣＴ，这种情形一　◇振动的主要能量用于减小摩擦力；　◇振动有利于减小摩擦力，但不能判断其与地　面振动ＣＴ相关的成本和维修问题；　◇井下轴向振动工具能把摩擦减小到发生螺旋　弯曲的点上，但是一旦出现螺旋弯曲，其效果就会　降低。　般是钻头卡钻或溜钻时井下马达振动管柱。　◇轴向振动，就是沿着ＣＴ的方向振动ＣＴ，即　井下冲击锤振动管柱的方式。　图１（见封三）显示的是对２５　ｍｍ　ＣＴ在直的　模拟水平井中进行的典型测试结果。浅蓝色虚线显　示的是输出力等于输入力的理想状态（摩擦为零）。　黄色曲线是理论上的力传递线，假定管柱一受压就　螺旋锁紧的情况排除，生成该理论曲线采用的摩擦　系数是０．２。曲线上小段棕色线是对黄色曲线所做　６　旋转　目前还没有在试验装置里进行全尺寸的旋转测　试，尽管如此，还是建立了小型的旋转测试固定设　的修正，即在形成螺旋弯曲载荷之前，ＣＴ还没有　施。两个小直径管代表模拟井眼，固定在木板上，　维普资讯 http://www.cqvip.com

３６　国外油田工程第２４卷第２期（２００８．２）　其中一个管子是直的，另一个是弯曲的。两根３　ｍｍ的杆（代表ＣＴ），一根是直的，另一根是弯的　定性地说，这意味着：　◇直井中没有扭矩的变化；　（表示残余弯曲），放置在两个管子里，并用手旋转　它们。当直杆在直管子中时，摩擦力几乎为零。当　直杆在弯管子中时，由于杆弯曲在管子中引起小的　摩擦力。当弯杆在直管巾时，由于弯杆在管中的伸　直而引起的摩擦力也小（与直杆在弯管中的情况差　不多）。当弯杆在弯管中时，当杆的弯曲处与管的　弯曲处不重合时，会导致较大的摩擦力；当两者的　弯曲重合时，摩擦力几乎为零。因而，当匀速转动　杆时，杆会绷紧并扭曲。这些小型测试结果不一定　◇非直井中，若管柱没有残余曲率，就没有扭　矩的变化；　◇非直井中，若管柱的弯曲度与井眼的弯曲度　重合，扭矩不变化；　◇非直井中，管柱的弯曲与井眼的弯曲不重　合，扭矩发生变化；　６．２旋转测试和分析结论　◇在非直井中，旋转弯管柱，扭矩会沿管柱发　生变化；　完全代表全面的测试结果，却直接推动了弯管柱在　非直井中旋转的分析研究。　６．１旋转分析　◇扭矩的变化会引起旋转转速的变化，可能会　产生不期望的动态影响；　◇如果管柱伸直，这些动态的影响就会降低；　◇要求进行工业试验来证实这些结果。　引起扭矩变化的有两个因素：第一个因素也是　最明显的因素，是外在力施加的扭矩，如管柱在井　眼中旋转，摩擦力引起的扭矩；第二个因素是其中　任一种，即引起扭矩发生变化的管柱硬度、井Ｈ艮弯　资料来源于美国《ＪＰＴ））２００７年６月　（收稿日期２００７一ｌ１—２１）　曲度、残余应力导致的管柱弯曲。　｜ｔ　罾一Ｉ　ｆ　ｔ，　ｌ　蕾，　■　ｔ　÷　｜．　｜ｌ　■ｌ　≯　曩　（上接第１３页）　时的解楔压力，甚至对一滴牛顿石油来说，会导致　速度同压差的非线性关系。这就是说，在实验室里　ｍＰａ・Ｓ。在渗透率为０．０３５肚ｍ　、原油黏度为０．７　ｍＰａ・Ｓ条件下，原始采收率为０．３１８。在开采黏　度为０．６　ｍＰａ・Ｓ和０．８　ｍＰａ・Ｓ两种组分原油时，　用黏度计可以获得石油流动速度同压差的线性关系　（即石油渗流的起始梯度Ｇ！一０）；而在地层中，石　油作为分子簇物系流动时，将显示出非牛顿性质　采收率的中值为０．３１３。这就是说，在原油黏度为　０．７　ｍＰａ・Ｓ时，采收率可以评价为开采黏度为　０．６　ｍＰａ・Ｓ和０．８　ｍＰａ・ｓ两种原油组分数值的中　值。但是如果先采比较轻的组分，那么黏度为０．８　ｍＰａ・ｓ剩余油的采收率只是０．Ｉ９４。　这样，润湿纳米作用的计算表明，与从开发最　（起始梯度Ｇ　＞０）。因此，用传统方法的理论计　算，而不考虑纳米作用，将会使原油采收率预测产　生误差。　根据润湿纳米作用的计算表明，把井网密度由　２口井／ｋｍ　减小到１口井／ｋｍ。，可降低采收率　１Ｏ　，而一个区块的总产油量每平方公里减少５×　初起有目的地开采最大体积的原油相比，最后开采　的有残余油的油层，由于采收率显著降低，其收益　也很低，所以有残余油的油层很有可能不进行补充　开采。在俄罗斯这种地层中原油的储量有几百　亿吨。　１０　ｔ。这样，关掉部分井在减小采收率的条件下可　以增加生产井的当前采油量。因此，在总的能获利　采油条件下关掉大量低产井是不适当的。　示例３　由上所述得出结论，纳米作用决定着许多油气　工艺的特点。这就是说，为了提高油气开采的长期　效益，在地球科学中必须更深入地研究纳米作用。　大家知道，就物理化学成分而论．剩余的石油　同原始的石油是不同的，这是因为从地层中首先采　出的是比较轻的组分。现在来分析一下在开采原始　石油和剩余石油中采收率的变化。　假定，黏度为０．７　ｍＰａ・Ｓ的石油．其一半组　分的黏度为０．６　ｍＰａ・Ｓ，一半组分的黏度为０．８　资料来源于俄罗斯《Ｈｅ由ＴＨＨ０ｅ　Ｘ０３ＨＡｃＴＢ０》２００７年６月　（收稿ＦＩ期２００７—１２—１５）　维普资讯 http://www.cqvip.com

VDOL(FRAC)0PEF(BARN)1ORESB(OHMm011000195RESD(OHMH)NPHl(FRAC)100C0410RHOB(G／CC)驯295OT(FRAC)03PHIT(FRAC)GRE(AP[)0100储屠单元0101050卜—●■，二r_‘，’生，)—≥i一一一0’。j～：。≯’，‘》一}。_～i攀-●。’I，：’‘’一jj、1。。}』＼≯，‘一l．0●_i?。#’，、、／f／’一^!、◇萋：。。■。‘’：-芝：、)一>-一．≥。，一点。(：，一二、‘、≥t．，一t；=。。；、0，二≮毒／一b、1-裂缝通道，一r图5基于水平井裸眼井测井的裂缝通道检测^插图v振动和旋转可f3500，，，／√喾I，，，／．萏e斧f一一I／，R丑6750／彳眵，夕一。JF集450022500●夕汐矿莎．不振动模型HBL=一一O轴向振动(40Hz)扭转振动(40Hz)一一理想输入力=输出力一带振动模型一模型HBL=4657输入力／N图125mmCT在直的模拟水平井中的振动测试结果