胜利石油管理局局钻井工程技术公司刘俊
摘要:以长伸缩距的液力加压器为主的新型钻柱结构,改变了传统钻柱结构的钻井加压方式和钻柱力学结构,与传统钻柱结构相比具有很多的优点和使用价值,这种结构更适用于深井和超深井钻井,值得大家一起深入研究与推广应用。
关键词:深井钻井;钻柱结构;震动;液力加压器;硬地层;自动送钻;粘卡一、研究内容以长伸缩距的液力加压器(可伸缩1.5米)为主要特征工具而形成的钻柱结构,即叠联式钻柱结构。可以解决传统的直联式钻柱存在的许多问题,更适用于深井、超深井硬(超硬)地层钻井(即复杂钻井)。我们在试验应用中取到了很好的效果。
1、长伸缩距液力加压器的研制图
11.1.结构原理:图1是两级结构的长伸缩距的液力加压器,结构非常简单,原理清晰。每一级都是由外壳体、心轴和活塞组成的,每级之间由中间接头联接;第一级心轴和壳体之间还有传递扭矩结构。所以中间接头以下可以单独使用(一级结构)。
一般情况下使用PDC钻头,采用一级结构就可达到使用钻压。
使用牙轮钻头一般采用二级或三级结构(如果钻井液密度高、钻头水眼压降大,使用一级也可以)。工具本身几乎不产生压降,推力是利用工具以下设备产生的压降,如钻头水眼压降,或螺杆钻具压降加钻头水眼压降等。当然,要配合钻头喷嘴的优化选择,达到推力(钻压)要求。每级都有阻尼孔(花板),这个阻尼孔事实上就是压力平衡孔,就是每级活塞以下心轴外部(中间接头以上)的压力就是环空的压力(低压),每级活塞以上的压力就是钻柱内压力(高压),两者的压差就是工具以下设备的(钻头喷嘴)压降。这个阻尼孔也是个呼吸孔,当活塞上、下移动时,活塞以下、心轴与壳体内壁的空间体积在不断发生变化,所以,这个呼吸孔在不断地吸入和排出钻井液,否则,心轴无法伸缩。
1.2工作原理(1)自动送钻原理。钻柱内外的压差与它作用的活塞的有效面积的乘积。第一级的推力和上边几级的推力一般不同(结构原因),上边几级的推力一般相同。在钻柱旋转的情况下,这个液压推力给钻头施加钻压钻进。外壳体和以上钻柱除传递扭矩外只是跟随心轴向前运动,没有轴向力的关系。
这个跟随运动由于工具伸缩距的存在,它可以是间歇性的,伸缩距越长,这个间歇的时间就越长,这就是自动送钻原理,因此,就这一原理来说工具伸缩距越长越好。也就是,当下放钻具,伸缩部分压合,就可以刹住游车,旋转钻柱自动钻进1.5米,然后在下放钻柱1.5米,刹住游车继续钻进,实现自动送钻。若使用有自动送钻功能的钻机,那就调节好送钻速度。(2)减震原理。它的减震原理就是因为液体是弹性物质,它的形状和压力可以随时改变,当钻头向上振动(跳钻)时,由于钻头喷嘴的阻尼作用,钻柱内压力受到缓冲,吸收了钻头振动的峰值,使振动变得平缓,起到减震的作用(并且带来了井底射流的压力波动,这对清除岩屑更有好处)。这里也正需要说明,如果钻头喷嘴太大,除了加压器没有了推力或太小以外,也失去了减振的作用。这个喷嘴的大小以使用的钻压计算得到,振动阻尼力的大小和压力波动幅度的大小可以通过达西公式求得⑾。据统计当喷嘴的有效面积与活塞的面积(整个外圆面积减去喷嘴有效面积)之比大约在0.01~0.02之间。如果这个比值太大,就起不到减振作用。另外,当工具压并时也没有减振作用了,因此鉴于井眼深度和钻具伸长的事实,要想加压器具有最理想的减振效果,就得最大限度的在伸缩段工作,因此,要实现这一原理工具伸缩距还是要求越长越好。
1.2.3防斜原理。只使用一级液力加压器,需要大钻压时,就增大钻头水眼压降。可是当需要使用三级时,也没问题,增加两级的发作用力也不致于让钻具上的一柱钻铤弯曲。所以一般情况下也可以使用三级液力加压器,都具有很好地防斜作用。
1.2.4简化钻具结构,改变了钻柱的力学原理。具有长伸缩距的液力加压器可以称为“液力减振送钻器”。利用本工具多次到钻井队专门验证“零钻压”问题,(把工具放在井口试验,较高的泵压(压降达到8MPa,都没有发生钻柱上有反作用力的现象,也多次用于钻井试验,结论和理论研究一致。
1.2.5解决大斜度井的加压问题。第一,当液力加压器的最大推力大大超过A深度之后的剩余井段钻柱的摩阻力时,在A深度之前预计本趟钻的进尺X米,在(A-X)深度位置之上钻柱加入液力加压器,先将液力加压器伸缩部分压并,然后靠液力施加钻压滑动钻进,钻完液力加压器的伸缩长度之后,再下放钻柱压并伸缩部分,再靠液力施加钻压滑动钻进,这样循环下去,把A深度一下的设计井段钻完。第二,当液力加压器的最大推力等于或小于A深度之后的剩余设计井段钻柱的摩阻力时,液力加压器开始可以直接接在A深度的钻柱上,这时液力加压器伸缩部分的压并方法是靠旋转钻柱(摩阻减小)的方法压并的,然后靠液力施加钻压滑动钻进,钻完液力加压器的伸缩长度之后,再旋转钻柱下放压并伸缩部分,再靠液力施加钻压滑动钻进,这样循环下去,把A深度一下的设计井段钻完。
要想用液力加压器解决高难度井的钻头加压问题,前提是必须液力加压器的伸缩部分比较长(≥150cm)才是合理的。
2、理论研究2.1工具本身推力的计算。当忽略钻头喷嘴(喷嘴)面积工具推力就是结构系数与压差的积。
2.2现场应用研究。使用得当能够充分发挥工具的效果,使用不当就不容易发挥工具的最佳效果。确定工具级数。确定钻进的钻压G,然后,根据钻头喷嘴的压降(有动力钻具时要加其压降)ΔP,确定结构系数k(即可以选择级数)。调整钻头喷嘴当量直径。如果选择级数之后,推力还不满足钻压要求(差别不是很大),可以通过调整钻头喷嘴的大小来补偿钻压要求。
使用钻铤配重。当工具的级数一定(现场条件,指级数较少,推力比要求钻压小,并且不能再提高压降的情况),要求钻压G确定,工具以下压降ΔP确定。即工具推力G1=系数×ΔP小于G,这时可以在工具以下加入钻铤1~2根配重E,使G≈G1+E。根据地层情况选择上述两种钻具配置方法。在液力加压器之下加入1~2根钻铤,加大受迫振动的质量,对牙齿凿碎地层是有好处的,还不至于失去减振作用,1~2根钻铤的质量振动不致于钻头牙齿的损坏。在工具之上加一柱大直径钻铤和稳定器,使零钻压下具有最大的钟摆力。
2.3.6注意事项。根据地层和钻头的情况,选择合理的钻压范围;然后根据螺杆钻具的性能优选钻压值,选择好排量,确定该排量下的螺杆钻具的压降(螺杆钻具说明书)。再根据液力加压器的预定级数、同时考虑优选钻头喷嘴大小;最后根据预定钻压、钻头喷嘴压降和螺杆钻具的压降,计算液力加压器的级数。
二、结论总之,液力加压器是一种简单合理的钻井工具。以其为主形成新的钻柱结构,比传统的钻柱结构具有液力减振、自动送钻、液力加压(高难度井提供钻压),防斜打直,节省钻铤的数量、降低钻机负荷、节省能耗,提供稳定钻压、保护钻头和钻具等多项功能和作用。不论是用于钻直井还是用于钻定向井、水平井和高难度大位移井,包括用于套管断铣和开窗,钻井取芯都具有很好的作用。本文明确的提出了一级液力加压器产生的推力(钻压),在地面钻压表中显示“零钻压”的概念,对于指导现场正确地使用新的钻柱结构具有很好的指导作用。
参考文献:[1]吴姬昊金潮苏.水力加压工具中限位指示装置的研究.深井超深井钻井新技术研究与应用.马开华刘修善主编.中国石化出版社.2006年5月。