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井下液力推进器在大斜度定向井中的应用 |
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作者：大港油田 张文华 刘秋英 |
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摘要 在大斜度定向井钻井过程中，摩擦阻力是影响有效钻压的主要因素。井下液力推进器的应用在一定程度上解决了钻压的施加问题，有利于提高钻进速度。这种推进器以钻井液为动力源，借助钻头喷嘴压降产生的轴向载荷，使轴向力直接作用于钻头产生钻压，弥补有效钻压不足，保证钻头平稳钻进，提高机械钻速。1995～1998年井下液力推进器在大港油田等地区不同区块20余口井上施工的实践证明，使用这种推进器不但可以提高机械钻速，而且减轻了钻头和钻杆的振动，进而延长了钻头寿命。但在井型的适应范围和小曲率造斜井的施工等方面，推进器的使用还存在一定的局限性，有待进一步完善和发展。
主题词 井下工具 液力推进器 大斜度井 钻井 应用
大斜度定向井钻井工艺技术的应用是油气增产的一种重要手段。从钻井角度看，由于大斜度井和水平井井身结构特殊，随着井斜角的增加，钻压的施加及钻柱送入问题越来越突出。在大斜度井及水平井作业中，大摩擦阻力是限制正常钻进作业的主要因素，对钻压传递起阻碍作用。常规钻井工艺中，不论是转盘钻井还是动力马达钻井，钻压的施加均是依靠钻铤的重力实现的，而对于大斜度定向井钻井工艺，依靠这种传统的技术不能很好地满足施工需要。井下液力推进器的应用在一定程度上解决了钻压的施加问题，并可提高大斜度定向井的钻进速度及减少井下事故［1，2］。
大斜度井及水平井的钻井作业中，钻柱所承受的外载条件更为恶劣，钻柱的振动相应给钻进带来诸多隐患，可能会导致机械钻速降低，引起钻柱扭断事故及钻头的早期失效等。钻柱的纵向振动会导致钻压不恒定，降低机械钻速，更会使钻头特别是PDC钻头早期失效。为了减少纵向振动对钻柱及钻头寿命的影响，应用井下液力推进器可以达到良好的效果。在液力推进器的应用过程中，利用其独特的液体弹性吸收原理，可减小钻柱纵向振动的不良影响，改善钻井过程中钻头及钻柱受力状态，有利于促进钻井工艺的完善。
结构及原理
1.结构及原理
井下液力推进器是以钻井液为动力源，借助钻头喷嘴压降产生轴向压载荷，为钻头及前部钻具提供钻压和运移能力。
按照实际钻井工况要求，推进器的最初设计是供215.9mm(8英寸)和244.5mm(9英寸)井使用的，提供的轴向载荷范围100～200kN，并针对钻井液介质类型要求设计有JY—Ⅰ、JY—Ⅱ两种型号提供现场应用，两种型号液力推进器结构见图1与图2。
图1 JY—Ⅰ型井下液力推进器
1—上接头；2—壳体；3—活塞组件；4—中心杆；5—阀杆；6—内六方筒；7—支撑环；8—六方轴
图2 JY—Ⅱ型井下液力推进器
1—上接头；2—壳体；3—活塞组件；4—中心杆；5—阀杆；6—换向装置；7—内六方筒；8—支撑环；9—六方轴
由图2可知，液力推进器的上接头与后部钻具连接。壳体用以包容液力活塞组件和动力传输部分。活塞组件用于在高压钻井液压差作用下，实现液力加压，并通过中心杆传递给前部钻具。为实现卸载状态下的送钻，换向装置通过行程开关控制高低压腔的液路转换，并以此控制活塞组件的卸载复位动作。中心杆与六方轴相连，用以传递液力载荷及扭矩，装置通过下接头实现与前部钻具的连接。根据实际钻进参数的要求，可以优选活塞组件参数，以适应不同地层钻压、排量和喷嘴压降等的变化。
JY—Ⅰ型井下液力推进器主体结构与JY—Ⅱ型相同，只是前者没有换向装置，两种型号装置的适用范围区别是前者适用于井斜角小于或等于 45°的直井、定向井，而后者适用于井斜角大于45°的大斜度定向井及水平井。
两种类型的推进器的基本原理是：正常钻进过程中，借助于高压钻井液作用于活塞上下面的压力差，产生沿水眼轴线向下的液力压载荷，压力通过中心杆传递给组合钻具与钻头，给钻头提供相应的轴向载荷(如图3所示)，并且在活塞行程的终端实现液路的自动切换(JY—Ⅰ型不需要切换)，使后部钻柱在卸荷状态送进和装置复位，完成钻进的送钻动作。
图3 压载示意图
1—活塞；2—缸筒；3—钻头
2.水力参数设计
液力推进器产生的轴向载荷可用下式计算，即
F＝A×Δp(1)
其中
A=π/4×(D2-d2)(2)
Δp＝Δp喷嘴＋Δp马达 ＋Δp钻具(3)
Δp喷嘴=pQ2/(2C2A02)(4)［3］
式中 A——活塞面积， mm2；
Δp——钻头压降，MPa；
Δp喷嘴——钻头喷嘴处的压降，MPa；
Δp马达——马达处的压降，MPa；
Δp钻具——前部钻具产生的压降，MPa；
Q——设计排量，L/s；
A0——喷嘴面积，mm2；
C——流量系数；
D——活塞外径，mm；
d——活塞内径，mm。
利用以上公式，以设计钻压为依据，计算出喷嘴面积、排量和当量钻压关系，并由此确定合适的喷嘴组合，通过验算，可以得到图4所示的关系曲线。
图4 当量钻压Fd排量Q和喷嘴面积A0关系曲线
通过图4可以看出，在给定设计钻压、排量的条件下，可以依照图4中的曲线来优选匹配喷嘴组合。
例如：某一口井三开井段设计钻压为F，钻井液密度为ρ，排量Q，可由Fd＝F/ρ得出当量钻压Fd；在曲线图上找出Fd，对应排量曲线，可查出喷嘴面积A0，然后由喷嘴面积核算出喷嘴尺寸及喷嘴个数。
3.推荐钻具组合
液力推进器适用于井眼直径为215.9mm～244.5mm井的钻进作业，其钻具组合依井型及钻井方式的不同而异。表1是推荐的钻具组合。
现场应用
1.实例分析
1995～1998年井下液力推进器在大港油田等地区进行了20余口井的施工，从统计结果来看，使用这种装置可提高机械钻速，延长钻头寿命。
下面对4口井进行实例分析。
张巨河区块的张36-60井为生产井，最大井斜角为30°，使用液力推进器的井段为3300～3500m，地层岩性为含油砂岩，机械钻速达到了3m/h，而该区块同地层同井段未用推进器的井的机械钻速只有1m/h。
板桥区块板834-5井，井斜角为30.5°，使用液力推进器的井段为2946～3270m，该井段是稳斜段，地层岩性是砂岩，装置在井内工作达82.2h，用1只J22钻头，取出新度85％，机械钻速为6.43m/h，装置取出后检查完好无损，密封件也完好。这一区块未使用液力推进器的井在同井段同地层的机械钻速为4.58m/h，且使用了2只J22钻头。
塘沽区块的塘41井是直井，使用推进器的井段为3400～3800m，纯钻时间为99h，用了2只H517钻头，钻头取出新度40％，机械钻速4.04m/h。在该区块未使用推进器的可比邻井，纯钻时间104h，机械钻速3.85m/h，用了3只J22钻头。
段六拨区块的段38-45井，井斜角27.5°，使用液力推进器的井段为2820～3582m。地层岩性主要是含砾砂岩，用一只PDC钻头，使用时间达140.57h。机械钻速达5.42m/h，比同一区块未用推进器可比邻井在钻头和钻井液性能相同的条件下，钻头寿命延长20％。
通过以上分析，一方面证明井下液力推进器适用于直井、定向井，另一方面证明它的使用不仅使机械钻速有了较大的提高，而且减小了轴向振动，减轻了钻头和钻杆的振动，延长了钻头的使用寿命。更重要的是使用推进器后，减少了起下钻次数，减轻了操作人员的劳动强度。
2.局限性
大斜度定向井应用液力推进器表明，这种装置可以提高机械钻速，保护钻头和钻具，其相关的井底钻具组合和参数配置可在一定范围内进行调整，但这种调整受到液力推进器本身提供钻压能力的限制，因此限制了喷嘴的自由匹配与设计钻压的要求。在某种程度上，需要通过调整液力推进器自身的结构来适应最优钻井要求。
液力推进器的主体活塞密封问题已得到解决，完全适用于钻井现场工况，但要求含砂量控制在0.5％以内，这一结论通过JY—Ⅰ型的现场应用得到证实。安装有自动切换的高低压转换密封，受到高含砂量的影响，密封可靠性降低，要求降低局部井段的含砂量，并采用价格昂贵的金属密封。
对于钻井工程现场而言，逐渐增多的钻井井型及小曲率造斜井的施工，要求液力推进器的长度及外径具有更多的系列规格，而长度和外径参数是制约产生压载的主要因素，因而要求在液力推进器的系列规格上做进一步的开发。
(end)
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(6/13/2004) |
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