防失速工具——高效鉆進難鉆地層
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[時間:2009-11-25 《石油與裝備》 關注度:0]
摘要: 防失速工具（AST）的主要思想是通過一些必要的手段對巖石的切割過程進行有效的控制，即轉移鉆井過程中產生的能量，防止動力達到損壞級別，從而保持鉆柱組件完好和優化巖石切削效率。為了強調這一點，可以和使用賽車技術的現代發動機做一個比較，事實已...
防失速工具（AST）的主要思想是通過一些必要的手段對巖石的切割過程進行有效的控制，即轉移鉆井過程中產生的能量，防止動力達到損壞級別，從而保持鉆柱組件完好和優化巖石切削效率。為了強調這一點，可以和使用賽車技術的現代發動機做一個比較，事實已經證明這種發動機的性能和耐久性非常好，可以有效地平衡傳輸給車輪的動力大小和汽車的整體穩定性。
AST：提高鉆井穿透率
防失速工具（AST）是一種以實時自動調整鉆進扭矩為目的的井下工具。最初，由Tomax AS研發的該工具是針對連續油管應用的，已證明它除了具有成功地減少振動、發動機失速、設備失效和一般磨損的能力外，還可以提高鉆井穿透率和鉆頭進尺。后來根據旋轉鉆井解決類似問題的需要，對該工具進行了進一步的研發，目的是消除在難鉆地層中由鉆頭牙輪誘導的扭矩振動和鉆柱失速以及由此帶來的有害影響。模型樣品AST工具尺寸范圍為 6-3/4″到8-1/4″，工具研制成功后，首先在試驗井上試用，后來應用在油田施工中，運用多種多樣的結構配置，除了兩次受控試驗外，共進行了25次現場應用，應用地區主要是挪威大陸架。本文主要從現場應用方面詳細討論了由鉆頭誘導的扭矩波動是如何被大幅降低從而提高機械鉆速的，以及如何防止井底鉆具組合（BHA）的損壞事故以便提高鉆頭進尺。
AST工具組件模型見圖1，鉆具安裝組合見圖2。
a)一個預先安裝的內置彈簧；b) 上部主工具體，帶有內部母扣螺紋旋轉槽；c) 下部可伸縮性的對應體，帶有可以旋入b)的公扣螺紋旋轉槽；d) 高壓密封，位于a)和b)主工具體間；e) 止動臺肩，用于限制伸縮位移；f) 拋光面，位于高壓密封的底部。
AST的可控試驗
在一個稱為“硬巖鉆進”的內部技術方案中，挪威國家石油公司油田操作者與AST發明者合作，根據上面的描述以及在火山碎屑巖上打深探井的新技術需求生產了該工具樣品。該工具規格適用于12 ¼"井眼，外徑8 ¼"，內徑2 ½"。AST工具很容易被擴展升級，生產一個附加的6 ¾"外徑工具就可以為現場試驗提供更好的靈活性。表1是樣品工具的技術規格。為確定該工具的性能是否像理論上預期的那樣以及驗證該工具在油田滿標試驗中使用是否安全可靠的，先后進行了兩個可控試驗。
測試＃1 第一個可控試驗是在Stavanger國際研究所（IRIS）完成的，8 ¼"尺寸的AST工具被連接在PDC鉆頭上部通過鉆盤總成旋轉。IRIS試驗鉆機下部的地層“Ullrigg”組產生重型粘滑和破壞PDC鉆頭是人所共知的。這一信譽使此AST順利通過了質量驗證程序。試驗中使用了兩個相同的鉆頭，讓它們采用相同的參數，地層是孔隙度約為8 ％的均質千枚巖，鉆井資料是通過50Hz的頻率記錄的。第一次試驗是沒有連接AST工具的情況，鉆頭上的重量以每5分鐘的間隔增加。為了進一步確�？茖W的對比質量，鉆孔的長度保持很短，以最大限度地減少地層變化產生干擾的風險。第一次試驗過后，將鉆頭取出，連接AST工具。
鉆井數據表明使用AST工具后扭矩明顯變小，與工作原理非常的一致。也觀測到該鉆頭在重量小的情況下有較好的穿透效果。當試驗結束后檢查鉆頭時，發現穿透效果方面的差異是十分明顯的：在第一次試驗階段鉆頭牙輪的側面出現破碎，而有AST工具的鉆頭有完好無損的切片結構。基本扭矩數據的比較也說明在井底鉆具組合中使用AST后的明顯差異。
測試＃ 2 第二次試驗是由國家石油公司和挪威海德魯公司進行的一次聯合作業，進一步核實AST工具的機械完整性和擴眼作業時AST工具下部連接擴眼器時的性能特征。提供的擴眼器是一個三刮刀液壓型PDC牙輪，鉆頭與測試＃1中使用的是一樣的，鉆機、總體方案和數據記錄設備也與第一個試驗一樣。分別就不連接和連接AST工具兩種情況做了試驗。試驗達到了最初的目標，證明了AST機械完整性。另據記載，該工具將會防止擴眼器產生不穩定扭矩，在來自于擴眼器的扭轉沖擊達到臨界水平之前，允許向AST工具施加更多的重量。
AST實地應用
控制試驗最后證實了反失速技術能夠防止鉆頭牙輪失速，安全地進行能量傳遞。也有證據支持這一理論，扭矩的穩定性會通過將旋轉能轉換為切割巖石的作用力來改進效率，有望獲得更好地鉆井效率。
現場試驗 在IRIS完成第一次試驗后不久，在Oseberg南方油田的Hydro F-27井，該工具被作為旋轉導向系統（RSS）的一部分與PDC鉆頭一起下入水平井中，通過配置在PDC牙輪鉆頭上的擴眼器將井眼擴到9.05英寸，地層是砂巖、頁巖和石灰巖的混合壓實體。該工具下入井眼中，在一個鉆井工作日內到達預定位置。因為穿透效果非常好，司鉆希望繼續使用該工具。但是為了比較又進行了一次沒有AST工具的參考試驗，與鉆機數據進行有效性比較驗證。雖然是3000米深度和90度的直井，但是結果在很大程度上證實了來自于IRIS的發現 ，當使用AST工具時，表現為更穩定的鉆井扭矩水平和明顯的機械鉆速變化。見圖5：在Oseberg南方油田用6 ¾"原型工具第一次鉆井數據。
現場試驗結果:穩定的鉆井扭矩；減少井下顯示的粘滑強度；不需要超扭轉螺紋鉆桿連接；沒有MWD故障；快速鉆進。
后續發展 操作方面的教訓是來自于7號工作的AST工具機械完整性的問題，工具在極端彎曲的情況下遇卡后記錄下了嚴重的粘滑，最終因疲勞而失敗。基于彎曲疲勞事故，制造出了一種適應高彎曲需求的新工具，有些因高壓密封的原因引起漏油和工具內部過分磨損都被記錄下來，根據現場作用于密封上的動態載荷記錄提出了一個優化的密封系統。在已完成的25項作業中，包括現場試驗，粘滑都被限制在一個很低的級別，也沒有任何超扭矩工作連接出現。總的來說，AST已經證明了它在難鉆地層中延長鉆柱壽命的能力，AST工具已經廣泛應用于不同的工具組合和井眼中，可以設想，AST技術對于油田操作者的價值隨著可被感知到的效果和每項特殊應用價值的確定而增加。
通過科學監測、現場試驗和為數眾多的實際操作已經證明AST能夠減少鉆遇地層時引起的粘滑效應和鉆頭失速。這已經使鉆柱過載的現象明顯減少，穿透率有了明顯的提高，作者相信本文的結果將會為更多可以預測和劃算的難鉆地層區域的油田勘探開發鋪平道路。
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