新工具定位需要探测和控制反向旋转降低井下钻探作业的风险。这是由于反向旋转影响着钻井的经济性,降低了钻井效率和钻速,增加了非生产时间(NPT),并对井下工具有破坏性。
当钻柱通过井眼从滑动接触切换到滚动接触时,反向旋转就产生了。一旦钻柱组合通过井眼进入滚动接触,它围绕中心点反向旋转,尤其是滑升到井眼,接着钻柱开始向后进行工作,形成井眼中的牵引,继续高频率地旋转,这主要依赖钻柱和井眼之间的间隙,最终,它在围绕井眼内部逆时旋转的同时,顺时转动它的轴线。如果任其旋转,反向旋转将可能通过关闭钻井作业而停止。
尽管反向旋转在任何钻井环境中可能发生,但它最可能发生在较低的倾斜(垂直井),估计随时发生在所有钻井的40%中。随着钻井倾斜的增加和钻井轨迹逐渐变得更水平,反向旋转的可能性减少,但并不排除发生的可能性。
创新系统
钻柱接触点之间的摩擦——钻头、钻头切削齿、钻具稳定器或钻铤和钻孔是至关重要的。随着接触点和钻孔之间的摩擦不断增加,反向旋转变得更容易。此外,钻柱锋利的边缘能够切入岩石中,便形成导致反向旋转的牵引力。
反向旋转可以达到钻柱速度5~30倍的频率,该速度使力,尤其是歪曲力可形成高疲劳载荷与强冲击载荷条件,这能够引起显著的震动及对井下工具组合的损坏。
威德福国际公司的实时旋转探测器经实践证明在控制反向旋转中是非常有价值的工具,其更多地随旋转钻机使用的增加而发生,尤其是旋转导向系统(RSS),这要求钻井机械在钻井的同时持续旋转,该工具的设计是与威德福国际公司的革新旋转导向系统相一致的。
实验和现场测试
该技术理论已在Oklahoma一个油井作业中得到现场测试,工程师们观察到,在一个旋转事件中,钻柱上的摩擦在增加。因此,所要求的驱动转矩也在增加,形成越来越多的能量进入井筒中刺激反向旋转,当驱动系统逐步聚集在表面上时,钻柱停止,几秒钟后,重新开始,接着在旋转出来之前以较高的速度旋转。反向旋转被认为发生在旋转出来的阶段。该系统在三个地理区域的6口油井中得到了成功的应用。
该探测系统是通过发送一个实时报警信号到井下传感器的表面进行工作的,这可以计算出显示反向旋转严重性的数字,以至于能够采取适当及时的措施。反向旋转有三个级别即低反向旋转、中反向旋转、高反向旋转。一旦反向旋转行为达到严重的程度,钻井必须停止并立即采取措施。如果事件是适中的,需要的措施就比较少,像调整钻井参数转移到低范围,最终的目的是减少旋转运动,以至于钻井不需要停止。
应用成功
该系统在各种井环境中对优化钻井有着显著的影响。在中欧,旋转导向系统组合已经在水平气井中展开了一段时间。但在一个气井中,作业者使用探测系统开始收到需要采取措施的实时报警信号应对高反向旋转读数。在检查底部钻具组合(BHA)时,发现稳定器尺寸小于标准,是一个质量差,尺寸大于井眼,并增加了井眼和稳定器之间的间隙,由此,钻孔的偏差造成了旋转强度的增加。
使用井下数据,工程师决定在底部钻具组合(BHA)安装新的稳定器,这使得作业者在特定的钻井环境下,保持稳定钻井的同时,实现了钻井机械钻速的最大化。当底部钻具组合(BHA)跟随钻井作业检查时,显然,高速反向旋转时间段要比低反向旋转时间段带来的损坏很大。接着,采取类似底部钻具组合(BHA)的稳定措施,跟随稳定器磨损可以探测旋转强度的增加。
此外,该系统在一个北海钻井中也得到了成功的应用,实现在钻井机械钻速的最大化。在安装系统之前,调整好钻井参数以便支持更大重量的钻头,并提高RPM。这些调整产生了反向钻井动力,影响着定向性能和工具的可靠性。反向旋转探测器允许作业者应用一组钻井参数,实现欠平衡钻井性能和部件的可靠性。随着平衡的恢复,钻井继续以最大的钻速在钻井条件下进行。反向旋转的严重性每隔一分钟都会传到表面上。
2010年年中以来,威德福国际公司已经在上百个钻井作业中应用了反向旋转探测系统,包括世界上所有革新的旋转导向系统。该系统已竭力预防井下工具发生故障,提高了钻井机械的平均钻速,并减少了非生产性钻井时间(NPT)。