井下动力钻具难点与分析

什么是井下动力钻具？动力钻具钻井的特点是什么~

石油和天然气的勘探和开发中钻成井眼所采取的技术方法。主要包括井身设计、钻头和泥浆的选用、钻具组合、钻井参数配合、井斜控制、泥浆处理、取岩心以及事故预防和处理等。石油钻井工艺的特点是：井眼深、压力大、温度高、影响因素多等。以往主要靠经验钻井，50年代开始研究影响钻井速度和成本的诸因素及其相互关系。钻井新技术、新理论不断出现。井眼方向必须控制在允许范围内。根据油气勘探，开发的地质地理条件和工程需要，分直井和定向井两类，后者又可分为一般定向井、水平井、丛式井等。直井井眼沿铅直方向钻进并在规定的井斜角和方位角范围内钻达目的层位，对井眼曲率和井底相对于井口的水平位移也有一定的要求(图1)。生产井井底水平位移过大，会打乱油田开发的布井方案；探井井底水平位移过大，有可能钻不到预期的目的层。井的全角变化率过大会增加钻井和采油作业的困难，易导致井下事故。影响井斜角和方位角的因素有：地质条件，钻具组合，钻井技术措施，操作技术以及设备安装质量等。为防止井斜角和井眼曲率过大，必须选用合理的下部钻具组合。常用的有刚性满眼钻具组合（图2）和钟摆钻具组合(图3)两种。前者可采用较大的钻压钻进,有利于提高钻速,井眼曲率较小，但不能纠斜,后者需控制一定的钻压,响钻速，但可用来纠斜。定向井沿预先设计的井眼方向(井斜角和方位角)钻达目的层位的井。主要用于：①受地面地形限制，如油田埋藏在城镇、高山、湖泊或良田之下；②海上丛式钻井；③因地质构造特殊（如断层、裂缝层，或地层倾角太大等）的需要，钻定向井有利于油、气藏的勘探开发；④处理井下事故，如侧钻，为制止井喷着火而钻的救险井等。定向井的剖面设计，一般由直井段、造斜段、稳斜段和降斜段组成。造斜和扭方位井段常用井下动力钻具(涡轮钻具或螺杆钻具)加弯接头组成的造斜钻具（图4）。当井眼斜度最后达到或接近水平时，称为水平井。定向钻进时，必须经常监测井眼的斜度和方位，随时绘出井眼轨迹图，以便及时调整。常用的测斜仪有单点、多点磁力照相测斜仪和陀螺测斜仪。近年来，还使用随钻测斜仪，不需起钻就可随时了解井眼的斜度和方位，按信号传输方式分有线及无线两种，前者用电缆传输信号，后者用泥浆脉冲、电磁、声波等。丛式井又称密集井、成组井(图5),在一个位置和限定的井场上向不同方位钻数口至数十口定向井，使每口井沿各自的设计井身轴线分别钻达目的层位，通常用于海上平台或城市、良田、沼泽等地区，可节省大量投资，占地少，并便于集中管理。喷射钻井将泥浆泵输送的高压泥浆通过钻头喷嘴形成高速冲击射流（通常在m/s以上）,直接作用于井底，充分利用水力能量（一般使泵水功率的50％以上作用于井底）,使岩屑及时冲离井底或直接破碎地层,可大幅度提高钻井速度。合理的工作方式是采用较高的泵压、较低的排量和较小的钻头喷嘴直径。优选参数钻井在分析已钻井资料的基础上，以电子计算机为手段，用最优化的方法，将影响钻井速度的各种可控因素（例如钻头类型、钻压、转速、泥浆性能、水力因素等），根据最低成本原则建立数学模型，编成计算程序。进行优选配合，使钻井工作实现优质、快速、低成本。地层孔隙压力预测和平衡压力钻井用地震、测井和钻进时的资料（机械钻速、页岩密度、泥浆比重、温度等）进行综合分析，预测地层孔隙压力和判断可能出现的异常压力地层，及时采取措施以防止突然发生井喷、井漏和井塌等井下复杂情况。根据已知的地层孔隙压力和地层破裂压力，确定合理的泥浆比重和套管程序。在井内泥浆液柱压力和地层孔隙压力近似平衡的条件下进行钻井，称平衡压力钻井。可显著提高钻速，也有利于发现油、气藏。井控技术当钻达异常高压地层而发生泥浆气侵或井涌时，用计算方法和恰当的技术措施，调整泥浆比重和流动特性，配合使用液动高压防喷设备进行控制和排除井内溢流，以防止井喷。取岩心技术按设计要求从井下钻取所需层位的岩石样品（岩心），为勘探和开发油、气藏取得第一性资料。常用的取心工具主要由取心钻头、岩心筒、岩心抓和接头等部件组成，取心钻进时，钻头连续呈环形切削井底的岩石，使钻成的柱状岩心不断进入岩心筒。为适应特殊需要，还有密闭取心、保持压力取心和用于极疏松和破碎地层的取心工具（橡皮套取心工具）等。

接在钻杆下端，随钻杆一起下入井底的动力机。主要有涡轮钻具、螺杆钻具等。①涡轮钻具靠高压液流通过涡轮，把液体能转变为中心轴上的机械能，带动钻头破碎岩石。由成百对串联地装在外壳内的涡轮定子和转子以及轴承、中心轴等组成。涡轮定子和转子的叶片呈反向弯曲，高压泥浆沿定子叶片的偏斜方向流动,有力地冲击转子叶片,使转子带动中心轴旋转,涡轮钻具是苏联采用的主要钻井工具，他们发展了各种性能的新型涡轮钻具，被广泛用于各种深度和地层的钻井工作中（包括已钻成的万米井），其他国家也在发展中。②螺杆钻具靠高压泥浆通过定、转子通道，驱动转子在定子螺线形通道中旋转，产生扭矩，带动钻头破碎岩石。由装在外壳内的螺线形转子及带螺线形通道的橡胶定子衬套以及转轴、轴承等组成。是一种容积式井下动力钻具，其转速与泵排量成正比，扭矩与泵压、钻压成正比，通过泵压可间接指示钻压。因转速较低，使用牙轮钻头钻进比较有利。

超深井施工中，特别是在高温高压段和深井段必须使用井下动力钻具进行施工，当前，井下动力钻具主要有：螺杆钻具、液动锤和涡轮钻具3种，其中螺杆钻具和涡轮钻具都属于回转破岩类动力钻具，液动锤则利用冲击进行破岩钻进。超深井中使用井下动力钻具首先应该保证所在工况条件下的适应性和安全性，在此基础上选用合适的动力钻具类别及型号，并结合地层条件、钻头技术开展相应的配套钻井技术研究。即研究深井超深井钻井工具，应该考虑的是如何保证在高温高压下密封可靠、操作简单、使用安全和较长的使用寿命等要求。深井超深井钻井工具的技术开发应从钻井工艺与钻井参数研究，工具结构设计、材料选择、钻具的匹配等方面开展工作。

1.2.1 超深井螺杆钻具面临的难点与分析

我国螺杆钻具依靠引进技术得到了较快的发展，品种规格齐全，除基本上能满足我国的定向、侧钻钻井工艺需要外，还有部分出口。螺杆钻具的优点是：具有低速大扭矩的硬特；过载能力强，操作方便；结构简单，钻具较短，维修方便。缺点是：需定排量工作，有横向振动；对油基钻井液敏感，不适应在高密度钻井液中工作；橡胶定子耐高温性差，不宜于深井作业。超深井作业中螺杆钻具面临的主要问题分述如下：

1）定子橡胶在高温条件下失效变形。普通螺杆钻具的马达总成的定子一般由丁腈橡胶材料制成，其工作温度上限为130℃，在超深井的高温环境中，温度远远超过130℃，一万米深的超深井理论温度高达300℃，定子橡胶在如此的高温环境下将失效而不能工作。

2）超深井螺杆钻具连接螺纹脱扣。随着井深的不断增加，井底的钻井液压力也必然随之增加，高压钻井液对转子施加正向扭矩的同时，转子对定子壳体施加等值的反扭矩，在钻具频繁滞动和复合钻进的情况下，容易造成松扣，尤其在传动轴串轴承蹩卡或完全卡死情况下，脱扣危险加剧；当机械钻速快，井下不清洁，再遇到井斜较大，停转盘接单根前整个钻具积蓄很大的反扭矩，突然释放容易造成螺纹脱扣。

3）马达定子内表面脱胶或掉块。造成定子脱胶或掉块的原因，有厂家制造因素（如挂胶质量、定子壳体内表面设计），用户使用过程中泥浆净化不彻底，混杂了金属等硬物件，井温升高使定子的橡胶老化，钻井液中混入了气体造成气蚀，不合理的钻井操作等。

4）超深井螺杆钻具工作寿命短。由于螺杆钻具处于高温高压恶劣工作环境中，螺杆钻具的传动轴总成、万向轴总成、马达总成和旁通阀总成都很容易出现故障，将大幅度降低螺杆钻具的整体工作寿命。

5）超深井螺杆钻具输出特性不能满足超深孔钻进工艺要求。超深孔钻进过程中可能采用一些特殊的钻进工艺，对螺杆钻具的输出特性可能会提出一些要求，常规螺杆钻具的输出特性一般难以达到要求。

1.2.2 超深井液动锤面临的难点与分析

液动潜孔锤技术具有设备配套简便，钻进时效高、回次进尺长（岩心不易堵塞）、在一定程度减轻孔斜强度的优点。与空气潜孔锤比较可以适应更深的钻井。而我国在此技术的研究与应用方面具国际先进水平。但就目前的水平而言，要用到13000m超深科钻孔的条件下，孔内情况会更复杂，对液动锤强度有更严格的要求，且深孔大围压可能使岩石塑性增加，液动锤冲击碎岩效果可能会减弱。综述液动锤技术还有如下技术难题需要攻关：

1）液动锤的超深井背压适应性需进一步开展研究；

2）要求液动潜孔锤连续稳定工作寿命延长，特别对运动密封副的工作寿命要求提高（尤其是全面钻进状态下）；

3）液动潜孔锤钻具的密封材料需耐250～300℃高温；

4）钻具强度应更加可靠，抗疲劳、抗冲蚀能力要大幅度提高；

5）深孔大围压可能使岩石塑性增加，冲击碎岩效果可能会减弱，液动潜孔锤的冲击能量需要增加，由此将会引起对钻具强度的进一步要求；

6）根据钻孔总体设计，液动锤可能要与螺杆马达、涡轮钻具组合使用，在液动潜孔锤的设计上要考虑钻具直径、工作泵量要与其匹配和一致。

1.2.3 超深井涡轮钻具面临的难点与分析

涡轮钻具的优点是：具有高速大扭矩的软特性，无横向振动，机械钻速高；对油基钻井液不敏感，能适应在高密度的钻井液中工作。特别是全金属的涡轮钻具耐高温，适宜于深井和高温环境下作业，是超深井高温高压工况下钻井的良好工具。超深井施工中涡轮钻具面临的主要难点分述如下：

1）超深井涡轮钻井对泵的能力要求高。深井高密度钻井液条件下钻具循环压耗高，加之涡轮钻具本身压降大，因此，深井使用涡轮钻具对机泵能力要求也较高。由于超深井起下钻时间长，为保证涡轮钻具正常工作，施工前需要综合考虑钻头推荐排量和环空上返流速要求、钻具使用情况和地面设备能力，除必须满足涡轮钻具压降外，需要综合计算立压、循环压耗、钻头压降、涡轮钻具压降的关系，合理选择相关参数，制定详细的施工方案，使用烦琐，使用要求高。

2）涡轮钻具超深井钻井参数优化问题还需进一步研究。涡轮钻具转速与排量成正比，输出扭矩及压降与排量的平方成正比，功率与钻进排量成三次方关系，排量的变化对功率影响较大。钻压或扭矩过大会导致涡轮钻具产生“制动”而无法破岩钻进的现象。

一般情况下，在保证清岩、携岩前提下选择涡轮钻具最大功率时的排量作为钻进排量。涡轮钻具转速为其空转转速一半时，功率最大。在恒定排量下，涡轮钻具的每个转速对应一个钻压值，故可确定出在此情况下的最优钻压值。保证涡轮钻具水力流量和钻压处在这一参数，可保证涡轮钻具在最优状态下工作，如何保证涡轮钻具处在最佳的工作状况，发挥涡轮钻具工作特性最佳的关键问题，目前，对这些关键参数的控制还缺乏研究。

3）涡轮钻具泥浆清洁度的控制方法尚需进一步研究。涡轮钻具有其特殊的设计结构，涡轮叶片之间的过流面积窄小，而且钻井液流经转子和定子时的方向持续变化，因此钻井液的洁净度会对涡轮的工作产生影响。遇过长软质材料会使涡轮叶片与叶片之间、转子与定子之间产生堵塞，造成涡轮工作效率低、功率损失严重及涡轮寿命降低等后果，产生泵压突然升高，造成不必要的起下钻。

4）国内在配合涡轮钻具的钻头研制方面相对滞后，与之相配套的钻头类型是制约该项技术推广的瓶颈之一，特别针对结晶岩的高速涡轮钻具配合孕镶金刚石取心钻头的钻井技术还需进一步研究。

5）另外，针对万米以上井段施工，涡轮钻具直径较小，需要解决：小直径涡轮钻具功率急剧下降的难题；涡轮钻具转速高，扭矩小的难题；关键部件寿命与可靠性，减少维修辅助时间；涡轮钻具配套钻井技术，提高钻进与取心效率。

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