能有效提高機械鉆速的新型小井眼鉆井裝置
最近在美國所做的現(xiàn)場試驗表明，一種為美國能源部（DOE）開發(fā)的具有高度可靠性的大功率小井眼馬達實現(xiàn)了兩倍于常規(guī)裝置的機械鉆速。這種小井眼鉆井馬達具有能縮短鉆井時間、降低泥漿、水泥和管材成本，并最大限度減小環(huán)境危害的潛力。這種鉆井裝置包括一種雙倍長度的大功率容積式馬達（PDM）和與之相聯(lián)的一種混合式鉆頭，鉆頭上同時裝有聚晶金剛石齒（PDC齒）和熱穩(wěn)定金剛石齒（TSP齒）。經實驗室功率計測定，以及在美國休斯頓鉆井研究中心和美國俄克拉何馬州天然氣研究院（GRI）的Catoosa試驗場所做的鉆井試驗證明，這種容積式馬達（PDM）所輸送的扭矩和功率是常規(guī)馬達的二倍，而混合鉆頭發(fā)生的磨損卻最小。
通過比較發(fā)現(xiàn)，3-3/8英寸的大功率DOE小井眼馬達的輸出功率為73hp（馬力），而常規(guī)油田用馬達的輸出功率僅為28hp。當用在配備了能夠為這類馬達輸送較高循環(huán)壓力的鉆機上時，這種大功率輸出便能使機械鉆速提高2～3倍。
在鉆頭開發(fā)方面，為了使TSP齒能在較高溫度下工作，去除了其材料中的鈷粘結劑，使這種齒的耐磨性達到PDC齒的7倍。TSP齒的主要局限性是由于其尺寸較小而不能象PDC齒那樣在較軟地層中實現(xiàn)高的機械鉆速。為了克服這一問題，同時使用PDC和TSP齒的混合鉆頭。在這種鉆頭上成排布置PDC齒以便能在軟地層中高速鉆進，而在PDC齒后部同時成排布置TSP齒以用于鉆進通常會損壞PDC齒的硬夾層。
在美國俄克拉何馬州的GRI Catoosa試驗場對大功率小井眼馬達和鉆頭進行了兩次現(xiàn)場試驗。其中第一次“試驗性”試驗找出了這種新型裝置結構方面的一些弱點，而第二次試驗則對常規(guī)和DOE馬達的鉆速作了比較。
Catoosa試驗場地是在現(xiàn)場鉆井條件下試驗油田井下設備的理想地點，原因是其地下地質可提供包括軟、硬地層在內的多種地質狀況。通過聲波測井發(fā)現(xiàn)，這些地層中抗壓強度的范圍為5000～30000Psi。
在第一次試驗中，新型DOE小井眼馬達以100～175fph（英尺/小時）的機械鉆速在低強度地層中從623英尺鉆到1380英尺深，在1380英尺深處，鉆井人員遇到了密西西比石炭巖，機械鉆速迅速下降到1英尺/小時。被別稱為“墻壁”的密西西比石炭巖是試驗PDC鉆頭的一種優(yōu)良層段，因為PDC鉆頭在這種地層中通常會發(fā)生嚴重損壞。
試驗結束后，DOE馬達被拆開并檢查了其磨損情況。檢查發(fā)現(xiàn)，在馬達定子的下部有一些橡膠磨損跡象，原因是鈦質撓性軸對定子施加了過大的側向負載，即一種剛性結果。所以，在第二次試驗中對已損壞的定子進行了修復，并且減小了撓性軸的外徑以使其柔性更大。
在Catoosa試驗場進行的第二次現(xiàn)場試驗是在深度為1605～2920英尺的中硬Arbuckle白云巖地層中對DOE馬達和常規(guī)馬達的鉆井速度作了比較，在兩次DOE小井眼馬達試驗之間對常規(guī)馬達進行了一次試驗。該地層上部800英尺層段非常均勻，為比較不同的鉆井裝置提供了優(yōu)良的標準。DOE馬達鉆進時的機械鉆速為48英尺/小時，而常規(guī)馬達的機械鉆速僅為23英尺/小時。在第一次DOE馬達試驗中，司鉆施加了各種不同的鉆壓，并且在接近試驗結束時遇到了抗壓強度類似于前述“墻壁”的硬夾層。
用DOE馬達所做的第二次試驗還證明，這種新型馬達能在幾乎兩倍于常規(guī)馬達的鉆壓下工作，這是大功率馬達具有高扭矩輸出的結果，這種高扭矩輸出曾獲得過70英尺/小時的機械鉆速。如果使用一只旁路噴嘴并增大流量以改善井眼清理效果的話，DOE馬達還會鉆得更快。
通過試驗發(fā)現(xiàn)，由于其大扭矩和大功率輸出，因而DOE裝置容易操作。這種馬達僅在鉆壓很大時才會產生失速現(xiàn)象，而且，即使發(fā)生失速現(xiàn)象（僅在極少情況下會產生這種現(xiàn)象），司鉆只需稍稍減輕鉆壓便可使之重新起動，而無需將其提離井底，這樣就節(jié)省了大量的時間。
試驗結束后，將兩只DOE大功率馬達拆開進行了檢驗，沒有發(fā)現(xiàn)轉子或定子有大的磨損。對兩個雙倍長度的定子用可視光學內孔探測儀作了檢查，發(fā)現(xiàn)它們仍然狀況良好，只是在一個定子的頂部有一個微小的磨損點，該磨損點與轉子上的一處磨痕相對應，這說明是有一塊巖屑損壞了轉子和定子。在以后的試驗中，將會使用一個井下篩，以避免巖屑及其它碎屑進入馬達。
[此信息未經證實，僅供參考]
通過比較發(fā)現(xiàn)，3-3/8英寸的大功率DOE小井眼馬達的輸出功率為73hp（馬力），而常規(guī)油田用馬達的輸出功率僅為28hp。當用在配備了能夠為這類馬達輸送較高循環(huán)壓力的鉆機上時，這種大功率輸出便能使機械鉆速提高2～3倍。
在鉆頭開發(fā)方面，為了使TSP齒能在較高溫度下工作，去除了其材料中的鈷粘結劑，使這種齒的耐磨性達到PDC齒的7倍。TSP齒的主要局限性是由于其尺寸較小而不能象PDC齒那樣在較軟地層中實現(xiàn)高的機械鉆速。為了克服這一問題，同時使用PDC和TSP齒的混合鉆頭。在這種鉆頭上成排布置PDC齒以便能在軟地層中高速鉆進，而在PDC齒后部同時成排布置TSP齒以用于鉆進通常會損壞PDC齒的硬夾層。
在美國俄克拉何馬州的GRI Catoosa試驗場對大功率小井眼馬達和鉆頭進行了兩次現(xiàn)場試驗。其中第一次“試驗性”試驗找出了這種新型裝置結構方面的一些弱點，而第二次試驗則對常規(guī)和DOE馬達的鉆速作了比較。
Catoosa試驗場地是在現(xiàn)場鉆井條件下試驗油田井下設備的理想地點，原因是其地下地質可提供包括軟、硬地層在內的多種地質狀況。通過聲波測井發(fā)現(xiàn)，這些地層中抗壓強度的范圍為5000～30000Psi。
在第一次試驗中，新型DOE小井眼馬達以100～175fph（英尺/小時）的機械鉆速在低強度地層中從623英尺鉆到1380英尺深，在1380英尺深處，鉆井人員遇到了密西西比石炭巖，機械鉆速迅速下降到1英尺/小時。被別稱為“墻壁”的密西西比石炭巖是試驗PDC鉆頭的一種優(yōu)良層段，因為PDC鉆頭在這種地層中通常會發(fā)生嚴重損壞。
試驗結束后，DOE馬達被拆開并檢查了其磨損情況。檢查發(fā)現(xiàn)，在馬達定子的下部有一些橡膠磨損跡象，原因是鈦質撓性軸對定子施加了過大的側向負載，即一種剛性結果。所以，在第二次試驗中對已損壞的定子進行了修復，并且減小了撓性軸的外徑以使其柔性更大。
在Catoosa試驗場進行的第二次現(xiàn)場試驗是在深度為1605～2920英尺的中硬Arbuckle白云巖地層中對DOE馬達和常規(guī)馬達的鉆井速度作了比較，在兩次DOE小井眼馬達試驗之間對常規(guī)馬達進行了一次試驗。該地層上部800英尺層段非常均勻，為比較不同的鉆井裝置提供了優(yōu)良的標準。DOE馬達鉆進時的機械鉆速為48英尺/小時，而常規(guī)馬達的機械鉆速僅為23英尺/小時。在第一次DOE馬達試驗中，司鉆施加了各種不同的鉆壓，并且在接近試驗結束時遇到了抗壓強度類似于前述“墻壁”的硬夾層。
用DOE馬達所做的第二次試驗還證明，這種新型馬達能在幾乎兩倍于常規(guī)馬達的鉆壓下工作，這是大功率馬達具有高扭矩輸出的結果，這種高扭矩輸出曾獲得過70英尺/小時的機械鉆速。如果使用一只旁路噴嘴并增大流量以改善井眼清理效果的話，DOE馬達還會鉆得更快。
通過試驗發(fā)現(xiàn)，由于其大扭矩和大功率輸出，因而DOE裝置容易操作。這種馬達僅在鉆壓很大時才會產生失速現(xiàn)象，而且，即使發(fā)生失速現(xiàn)象（僅在極少情況下會產生這種現(xiàn)象），司鉆只需稍稍減輕鉆壓便可使之重新起動，而無需將其提離井底，這樣就節(jié)省了大量的時間。
試驗結束后，將兩只DOE大功率馬達拆開進行了檢驗，沒有發(fā)現(xiàn)轉子或定子有大的磨損。對兩個雙倍長度的定子用可視光學內孔探測儀作了檢查，發(fā)現(xiàn)它們仍然狀況良好，只是在一個定子的頂部有一個微小的磨損點，該磨損點與轉子上的一處磨痕相對應，這說明是有一塊巖屑損壞了轉子和定子。在以后的試驗中，將會使用一個井下篩，以避免巖屑及其它碎屑進入馬達。
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