一种新型钻柱结构的研究与应用

一种新型钻柱结构的研究与应用

刘俊

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。