高效導(dǎo)向螺桿鉆具的研究與應(yīng)用

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摘要：

在井眼軌跡控制過(guò)程中，進(jìn)行滑動(dòng)導(dǎo)向與復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，利用常規(guī)導(dǎo)向螺桿會(huì)出現(xiàn)鉆頭加載困難以及形成螺旋井眼的問(wèn)題，從而對(duì)井眼軌跡的控制效果產(chǎn)生影響。為解決該問(wèn)題,以前用過(guò)寬帶的直棱和螺旋穩(wěn)定器,本文特針對(duì)導(dǎo)向螺桿的結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)與創(chuàng)新，準(zhǔn)備在螺桿鉆具驅(qū)動(dòng)頭位置設(shè)計(jì)帶寬很窄螺旋穩(wěn)定器。本文就針對(duì)改進(jìn)后的導(dǎo)向螺桿鉆具進(jìn)行討論。   關(guān)鍵詞：導(dǎo)向螺桿；井眼軌跡控制；鉆具 一、高效導(dǎo)向螺桿鉆具     由于利用常規(guī)螺桿會(huì)出現(xiàn)鉆頭加載困難、形成螺旋井眼等問(wèn)題，因此對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，即在螺桿鉆具驅(qū)動(dòng)位置設(shè)計(jì)一種受螺桿鉆具驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的窄帶螺旋穩(wěn)定器，其主要作用包括：首先，作為底部鉆具組合的近鉆頭支點(diǎn)，從而有效的提高BHA的滑動(dòng)導(dǎo)向能力；其次，近鉆頭近滿眼設(shè)計(jì)可以修正井壁；最后，滑動(dòng)導(dǎo)向鉆進(jìn)過(guò)程中，近鉆頭穩(wěn)定器處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，與常規(guī)的導(dǎo)向螺桿鉆具相比，近鉆頭穩(wěn)定器的滑動(dòng)阻力更小，所以拖壓?jiǎn)栴}即可得到徹底解決。這種導(dǎo)向螺桿的結(jié)構(gòu)變化使得鉆井過(guò)程中BHA的力學(xué)特征發(fā)生了改變。 二、高效導(dǎo)向螺桿鉆具的承載能力     改變了高效導(dǎo)向螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的就會(huì)改變鉆進(jìn)過(guò)程中螺桿鉆具的受力特征。傳動(dòng)軸是軸力與扭矩的核心承載部件，其有著十分復(fù)雜的受力特征，也是螺桿鉆具中最薄弱的環(huán)節(jié)，所以要對(duì)其強(qiáng)度特征做全面分析，并提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。下面以172mm高效導(dǎo)向相鉆具為例進(jìn)行分析。 （一）傳動(dòng)軸強(qiáng)度的計(jì)算模型 下圖1為172mm高效導(dǎo)向螺桿鉆具的傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)參數(shù)與邊界條件：   圖中各段的長(zhǎng)度分別如下： L0=500mm、L1=180 mm、L2=420 mm、L3=400 mm、L4=360 mm；傳動(dòng)軸的外徑尺寸為80 mm?？梢酝ㄟ^(guò)ANSYS軟件進(jìn)行螺桿鉆具幾何模型的建立，并劃分網(wǎng)格。鉆頭左端固定，傳動(dòng)軸聯(lián)軸器部分鉸支，對(duì)Y方向的自由度加以約束。以螺桿鉆具軸向載荷傳遞特征為參照，將軸向均布載荷q加載于圖中所示臺(tái)階面上，再以傳動(dòng)軸的工作原理為基礎(chǔ)，分別將徑向均布線載荷q1與q2施加于圖中軸上對(duì)應(yīng)的位置，傳動(dòng)軸右端施加扭矩。利用solid185—8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。3575個(gè)節(jié)點(diǎn)以及15853個(gè)四面體單元組成整個(gè)模型，傳動(dòng)軸彈性模量：210 GPa；泊松比：0.25；密度：800 kg/m3。結(jié)合BHA的結(jié)構(gòu)與實(shí)際工況將鉆頭側(cè)向力與扭矩計(jì)算出來(lái)，即可取得上文所提的分布載荷。 （二）傳動(dòng)軸的應(yīng)力計(jì)算與分析      通過(guò)ANSYS系統(tǒng)可以將傳動(dòng)軸受到外載與約束作用狀態(tài)下的應(yīng)力分布計(jì)算出來(lái)，從計(jì)算結(jié)果可知，最大應(yīng)力值為434 MPa，發(fā)生在傳動(dòng)軸過(guò)渡截面處。針對(duì)不同外徑計(jì)算其最大應(yīng)力值，從計(jì)算結(jié)果可以得知，如果材質(zhì)的條件不變，傳動(dòng)軸的外徑越大，則作業(yè)的安全系數(shù)越高，如果把傳動(dòng)軸的外徑由提高5mm，可以提升16%的承載能力，所以傳動(dòng)軸外徑的取值為85mm。 三、近鉆頭穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與螺桿動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化 （一）優(yōu)化近鉆頭穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)     從某種意義上說(shuō)，高效導(dǎo)向螺桿鉆具的應(yīng)用效果由近鉆頭穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)來(lái)決定，因此近鉆頭穩(wěn)定器要具備兩個(gè)條件，其一，穩(wěn)定器基于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的支點(diǎn)效應(yīng)、穩(wěn)定性以及盡量低的額外扭矩；其二，要將巖屑及時(shí)排導(dǎo)出去。因此穩(wěn)定器利用螺桿過(guò)封閉扶正翼，旋轉(zhuǎn)一周可以保證支撐外徑的穩(wěn)定性，并且旋轉(zhuǎn)行進(jìn)時(shí)也可以保持較好的穩(wěn)定性，額外扭矩最小。不同外徑相鉆具的扶正翼螺桿角與穩(wěn)定器整體泄流面積，可以通過(guò)計(jì)算鉆井液軸向流速與切向速度來(lái)確定。以前慣用的螺旋扶正器帶較寬，和井壁接觸多，所以磨擦阻力大，為些選用比常規(guī)小一倍的帶寬，這樣即起到扶正作用，又減少了扭矩的損失。 （二）優(yōu)化螺桿動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)     改變高效導(dǎo)向螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)，就要求螺桿鉆具的動(dòng)力輸出與使用壽命更高。具體而言，螺桿動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括以下幾個(gè)方面：第一，采用等壁厚定子工藝，可以提高20%的輸出扭矩與功率；第二，轉(zhuǎn)子采用鍍鉻工藝，再與等壁厚定子相配合可以延長(zhǎng)螺桿鉆具壽命；第三，利用球柱傳動(dòng)密封萬(wàn)向軸，串軸承壓力角設(shè)計(jì)為55°，可大幅提升軸向承載力；第四，長(zhǎng)導(dǎo)程設(shè)計(jì)與單級(jí)導(dǎo)程的增加，可以有效提高輸出扭矩。 四、帶高效導(dǎo)向螺桿鉆具BHA導(dǎo)向力分析 （一）BHA結(jié)構(gòu)與參數(shù)    下圖2為改進(jìn)導(dǎo)向BHA結(jié)構(gòu)：   采用高效導(dǎo)向螺桿鉆具可以將近鉆頭穩(wěn)定器和鉆頭端面的距離大大縮短，相應(yīng)的BHA的導(dǎo)向特征也會(huì)發(fā)生改變。BHA的結(jié)構(gòu)如下：215.9mm鉆頭、172mm高效導(dǎo)向螺桿鉆具、165mm鉆鋌、欠尺寸穩(wěn)定器等，上圖2中： L1：鉆頭端部與近鉆頭穩(wěn)定器支點(diǎn)的距離，為0.5m； L21：近鉆頭穩(wěn)定器支點(diǎn)與彎點(diǎn)距離，為1.8m； DS1：近鉆頭穩(wěn)定器的外徑，為214mm； DS2:上穩(wěn)定器外徑，為214mm； L2：上穩(wěn)定器支點(diǎn)與近鉆頭穩(wěn)定器支點(diǎn)距離，為16m； 鉆壓為120KN，鉆井液密度為1.02 g/cm3。 （二）參數(shù)影響規(guī)律 在結(jié)構(gòu)參數(shù)不同、井眼軌跡條件不同的情況下，利用導(dǎo)向力計(jì)算軟件SABHA計(jì)算出對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向力特征。由計(jì)算結(jié)果可知，井斜角越大，滑動(dòng)導(dǎo)向力與復(fù)合鉆井的導(dǎo)向力也會(huì)越大。由于與常規(guī)導(dǎo)向BHA相比，這兩種工況狀態(tài)下導(dǎo)向力有大幅提升，所以可以稱改進(jìn)后的導(dǎo)向螺桿鉆具為高效導(dǎo)向螺桿鉆具。 各參數(shù)對(duì)導(dǎo)向力的影響規(guī)律可以總結(jié)如下：滑動(dòng)導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)，導(dǎo)向?yàn)樵鲂绷Γ⑶疑蠄D2中的L2越大，滑動(dòng)導(dǎo)向就會(huì)隨著斜角的增加而增加；L2為18m時(shí)，上穩(wěn)定器支點(diǎn)與近鉆頭穩(wěn)定器支點(diǎn)的距離最優(yōu)，導(dǎo)向力最大。復(fù)合鉆進(jìn)過(guò)程中，井斜角低于10°時(shí)，合導(dǎo)向力為降斜力；如果L2超出14m，井斜角大于10°，則導(dǎo)向力回歸增斜力，并且井斜角越大，導(dǎo)向力也越大；井斜角超出50°后，增斜力的變化逐漸平緩。此外，在井眼軌跡控制過(guò)程中，造斜鉆進(jìn)與穩(wěn)斜鉆進(jìn)需要使用同一套鉆具組合才可以有效提高鉆井的效率，所以選擇鉆具組合結(jié)構(gòu)參數(shù)，要同時(shí)考慮滑動(dòng)導(dǎo)向效果與復(fù)合鉆井導(dǎo)向效果。 參考文獻(xiàn)： [1] 王春陽(yáng)，黃繼慶，陸天明，等．螺桿鉆具整機(jī)性能試驗(yàn)研究［J］．鉆采工藝，2010(1) [2] 陳湖濱，劉同富，裴建忠，等．影響螺桿鉆具工作壽命的使用因素分析［J］．鉆采工藝，2009(1) [3] 狄勤豐．滑動(dòng)式導(dǎo)向鉆具組合復(fù)合鉆井時(shí)導(dǎo)向力計(jì)算分析［J］．石油鉆采工藝，2007(1) [4] 張小柯，狄勤豐．鉆柱渦動(dòng)時(shí)彎扭組合交變應(yīng)力下的強(qiáng)度計(jì)算［J］．天然氣工業(yè)，2009(7)．