钻井新技术的应用(二)
摘 要: 近年来国外在钻井技术领域不断地研究
推出一些新技术、新工具和新产品, 对推动钻井技术
的不断进步起到了积极的作用。本文根据近期文献报
道, 介绍了一些钻井新技术, 其中包括固井扶正器、
钻井数据快速采集系统、水合物抑制剂、不锈钢生产
油管、自动化定向钻井技术和能量平衡牙轮钻头。
主题词 钻井 固井扶正器 钻井数据采集 定
向钻井 牙轮钻头
一、钢制注水泥固井扶正器
“美国井下工具产品目录通报”中介绍了两种扶
正器, 即Spir2o2mizer 型和Econ2o2lizer 型注水泥固井
扶正器。当井眼净化和水泥充填为主要处理作业, 而
扭矩和阻力则无关紧要时, Spir2o2mizer 是最适用的固
井工具。该工具采用的螺旋翼片扶正设计增强了井筒
与套管之间环空中液流的紊流效应, 并且可提高钻屑
和滤饼的清除效果, 从而提高水泥的胶结程度。360°
的水泥浆覆盖范围可产生封隔环空流体和天然气气窜
所要求的机械密封效果。这种固体铸钢扶正器是采用
电机工业认可的工艺技术制造而成的。
Econ2o2lizer 型固井扶正器是一种采用高强度钢制
成的扶正器, 从设计上讲主要用于替代以往常用的弓
形弹簧扶正器, 这种新型扶正器可在对井斜要求并非
十分严格的井中应用。由于起下作业的受力为零, 所
以记录到的起下井作业时间比较短。该扶正器系统可
在运抵最终的指定目的地之前在管材排放场安装就
位, 它在设计上是装在管材上的, 不会发生弯曲变形
或破裂。尤其在老井延伸完钻井中应用时, 这种扶正
器具备的低扭矩和阻力效应可确保套管柱安全地下到
预定的总深度。
二、钻井数据快速采集系统
Paragon Innovations 有限公司对外宣称, 该公司已
经同Advantage R&D , Precision Drilling 公司签订了一
项合同, 共同研究开发一种以太网络( Ethernet) 网
间连接器系统, 以求加快随钻测井(LWD) 资料的传
递速度。实施LWD 作业的目的是, 能够根据目前采
集到的数据快速地做出有针对性的工艺决策。这种仪
器系统便能够快速地采集和分析资料, 确定诸如岩石
类型和油气饱和度这类数据。为了采集现场钻井
料, 测试工具安装在正在进行钻井作业的钻柱中, 当
钻头被提升起出井筒时, 可将记录到的数据从工具中
回收, 并通过一套获取专利的协议分析程序进行传
输, 然后通过并行接口输入到PC 机中。已经研制开
发出的以太网络转换器能够持续以2 ×108 byte/ s 的速
度传送资料数据, 并且能够工作在极其恶劣环境(包
括高达320 u 的高温条件) 下。
三、强适应性固井系统
一种新型的固井系统已经推出, 该系统可在井筒
处于动态应力环境条件下确保长效的层间隔离。这种
型号为FlexSTONE 的固井系统由Schlumberger 公司研
制推出, 可解决固井作业中存在的众多技术难题, 例
如持续保持套管压力和适用于多变的井下作业条件。
通过控制和调整凝固水泥的机械性能、伸缩性和膨胀
能力, 可以增强该系统的层间隔离能力, 而上述这些
性能则需通过对非矿物基颗粒的分布进行优化处理方
可达到。该系统中含有一种具有伸缩能力的添加剂,
这种添加剂可通过降低杨氏模量值来提高凝固水泥的
伸缩性。该系统还含有一种可防止微环隙形成的膨胀
剂。
为了满足长效机械耐久性的要求和由此而导致的
长效层间隔离效果, 对弹性参数值和膨胀量均进行了
严格的规定。由于膨胀剂只有在假定水泥的弹性值高
于周围地层的弹性值时方能发挥效能, 所以为了使水
泥与套管之间产生良好的胶结效应, 伸缩性添加剂与
膨胀添加剂应当有最佳的添加配比。因此, 应用经过
处理使其既具有伸缩性, 又具有膨胀性的水泥方能确
保固井水泥具有长效的机械耐久性。
在一组给定井下条件(井筒压力和温度) 下进行
的水泥环机械响应分析结果表明, 一旦水泥凝固, 系
统便会由于提高了水泥的弹性特性而展示出比常规水
泥更强的抗井下条件变化的机械阻抗能力。在应用这
种水泥固井系统时, 应力分析模型(SAM) 软件能够
根据工艺要求和单个井筒与周围环境的参数设计凝固
水泥特性。该软件可针对由于遭遇应力而造成的潜在
层间隔离间隙问题而对井筒条件做出评价, 并对水泥
浆与地层特性和将要遇到的井筒条件进行协调处理。
软件模块还可针对该固井系统对候选作业井进行鉴
定。预计在投产后生产期间可能会发生井下条件变化
的油气井, 例如气井、高压/ 高温井、注蒸汽井、压
裂增产处理候选井和处于构造活动区域的油气井, 均
为最适用的候选作业井。
四、小剂量水合物抑制剂
Baker Petrolite 公司已经对外介绍了该公司研制推
出的HI2M2PACT型小剂量水合物抑制剂(LDHI) , 可
供深水油气田经营者用于抑制生产与作业管道中水合
物堵塞问题的发生。在现场应用中, LDHI 可提高常
规甲醇处理生产系统的工作效率。在深水生产作业系
统中, 轻质烃与水受海底低温和储层压力的作用化合
形成类似于冰一样的晶体, 称之为水合物。在长达
2000 ft 的管道中曾形成了水合物堵塞, 被堵塞管道的
直径为40 in。根据抗凝结剂工艺技术的原理, LDHI
可使水合物弥散为液态烃。抗凝结剂由于可使水合物
分子变成小的高度弥散分子, 故可防止水合物堵塞生
产作业管道。这些分子在生产作业管道中随液流通畅
地流动, 直到水合物形成条件不再对其产生影响为
止。在典型处理作业条件下, LDHI 的添加剂量仅为
常规水合物抑制剂的215 %。因此新的生产系统便可
使用小口径的液流管道, 并减少储罐所要求的平台空
间。
五、不锈钢生产油管
NS 集团公司向外界介绍了一种无缝生产油管,
这种Koppel MTX 型生产油管用马氏体不锈钢制成。
该油管的设计特点是在无缝管的制造工艺过程中使生
产油管具有理想的显微结构。其结果可使生产油管具
有高强度和韧性, 且具备强的抗腐蚀能力。这种油管
既适宜于在低含硫和含硫不太高油气井中应用, 也适
宜于在包括海上油气井、寒冷地区油气井和深层地热
井中的应用。试验结果表明, 该油管的抗腐蚀性和抗
脆裂性方面均优于优质13Cr 钢, 强度和韧性或优于
13Cr 钢, 或优于优质13Cr 钢。马氏体不锈钢生产油
管采用耐腐蚀合金材料制成, 为了提高油管在高温低
硫和含硫气井中应用的韧性和耐腐蚀性, 在油管的制
造工艺过程中耐合金材料的化学组分按特定的极限比
例进行了处理。
六、自动定向钻井系统
由DMT Welldone Drilling Services 有限公司研究推
出的WELL DIRECTOR 系统是一种可编程自动定向钻
井系统。工具由一套旋转驱动轴和一套非旋转套筒组
成, 非旋转套筒中含有井下计算机、传感器电子模块
和带有控制阀与活塞驱动转向肋的水力转向组件。该
系统采用一套容积式泥浆脉冲发送器, 不但可将定向
井筒参数, 而且可将工具的功能数据连续不断地传送
到地面监控器中。工具直接定位安装在钻头的上方,
以便能够持续实现闭环工艺过程, 从而以平稳的曲线
完钻出精确的井眼轨迹。泥浆脉冲数据传输系统可用
于监控位于井底钻具系统的工况, 其工作原理类似于
随钻测试(MWD) 系统。定向参数可在钻具系统处
于井底时借助地面设备进行重新编程。该系统适用于
完钻8 "- ～20 in 井径的井段。这种井下闭环转向系统
可同集成化MWD 系统配套应用。旋转钻柱或井下电
机均可驱动钻头。该系统还可应用陀螺导向系统。
七、能量平衡牙轮钻头
美国哈里巴顿(Halliburton) 能源服务公司已向
石油工业界推出了其研制的能量平衡系列牙轮钻头。
这种钻头的研制采用了三项专利工艺技术, 即动态平
衡技术、牙轮定向技术和一种抗弧迹技术。这种钻头
的生产线采用可优化牙轮钻头设计的专利软件, 从而
可提高投产钻头的钻井工况特性和降低当钻头的切削
结构同地层接触时产生的振动。
应用原先用于提高聚晶金刚石复合片钻头可靠性
的平衡技术提高了牙轮钻头的工况特性。这项专利工
艺技术的设计意图是使在钻井作业期间三个牙轮达到
近乎平衡的工况条件。据钻头设计者称, 在钻井作业
期间当钻头三个牙轮中每一个牙轮切割同样体积的地
层时, 它具有切割体积平衡的作用; 当施加在钻头三
个牙轮中每个牙轮上的力近乎相等时, 它具有力平衡
作用。
这些钻头还应用了一项获得专利授予权的钻头牙
轮定位设计规则来优化牙轮的定位与定向, 从而提高
机械钻速和降低钻头切削结构受到伤害的风险程度。
Security DBS 计算机钻井模拟软件可计算当钻头牙轮
同地层接触时牙轮刮削的方向, 然后钻头设计师调整
牙轮(或是齿状牙轮, 或是嵌入牙轮) 的定向方向,
使其垂直于计算出的牙轮刮削方向, 以求最大限度地
提高机械钻速和减小牙轮的磨损。
这种钻头还引用了抗弧迹技术。弧迹是钻头的切
削部件同井底凹坑发生啮合的一种现象, 这种现象会
造成机械钻速降低, 有时甚至会造成钻头牙轮壳体发
生冲蚀。为了破裂钻头牙轮在井底造成的凹坑, 相邻
的牙轮齿顶角度可偏移10 %～15 % , 这项目前正在
申报专利权的工艺技术是专门针对那些因弧迹而有害
于钻头工况特性的钻井作业而研究推出的。
