井下螺桿增壓裝置在提高鉆井速度中的應(yīng)用

鞏呈祥

摘 要：利用螺桿鉆具動(dòng)力推動(dòng)的井下螺桿增壓裝置，是通過螺旋斜面式換向工具，不斷把螺桿鉆具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成往復(fù)的柱塞泵運(yùn)動(dòng)，使一部分鉆井液壓增長到100MPa以上，通過超高壓雙流道PDC鉆頭的噴嘴噴出，實(shí)現(xiàn)高壓水射流破巖、提高鉆頭的破巖效率。該裝置在勝利油田東營組地層配合12.2"鉆頭，現(xiàn)場試驗(yàn)一口井，試驗(yàn)井深2048-2282m，工具在井下正常工作60h以上，機(jī)械鉆速同比提高63.8%。井下增壓裝置結(jié)構(gòu)合理、工作壽命長、提速效果明顯，該技術(shù)的試驗(yàn)成功對(duì)于硬地層、復(fù)雜地層的提高鉆井速度、縮短建井周期提供了一條有效途徑。

關(guān)鍵詞：井下增壓；超高壓；PDC鉆頭；提高鉆速；現(xiàn)場試驗(yàn)

我國地質(zhì)條件復(fù)雜，深層油氣分布廣泛，已知的油氣資源集中在我國川東北、松遼深層、塔里木庫車山前、新疆烏夏等地區(qū)，上述地區(qū)共同特征是油氣資源埋藏深、環(huán)境復(fù)雜、地層堅(jiān)硬，在進(jìn)行開采時(shí)，又普遍存在著鉆井速度慢、鉆井周期長、鉆井成本高的現(xiàn)實(shí)難題，要想順利開發(fā)油氣資源，就需要不斷改進(jìn)現(xiàn)有工藝、完善新技術(shù)手段，只有這樣，才能從根本上解決增強(qiáng)油氣鉆探效率的目的，專業(yè)人員不斷探索，對(duì)這個(gè)問題提出深刻的解讀方案。文章主要結(jié)合我國油氣資源實(shí)際情況，在充分剖析現(xiàn)有應(yīng)用的井下增壓情況基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出開發(fā)研制井下螺桿增壓提速裝置與超高壓雙流道PDC鉆頭技術(shù)應(yīng)用技術(shù)，技術(shù)的進(jìn)步，能夠有效的解決油氣開采遇到的堅(jiān)硬地層鉆井周期長、復(fù)雜環(huán)境鉆井速度慢等問題，全面降低鉆井成本，提供了可行的技術(shù)參考標(biāo)準(zhǔn)和途徑。

1 現(xiàn)有技術(shù)分析

提高深井鉆速一直是困擾鉆井工程領(lǐng)域的重點(diǎn)問題，通過不斷探索卻見效甚微的課題。為了增加油氣產(chǎn)能，各開采單位不斷增加深井鉆井?dāng)?shù)量，可是深井鉆井費(fèi)用卻不斷抬高。在鉆井過程中，遇到的破巖和清巖難度不斷加大，水力能量遞減，特別是在井深到一定程度時(shí)，地層巖石強(qiáng)度相當(dāng)大，造成了大量的巖屑，這些情況增加了工程量，提升了施工難度，從根本上導(dǎo)致了深井鉆井時(shí)間加長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了可控的成本預(yù)算。按我國實(shí)際情況計(jì)算，目前一口深井鉆井費(fèi)用在幾千萬至上億元不等，如此高的成本費(fèi)用，已經(jīng)到了嚴(yán)重制約鉆探開發(fā)效益的程度。

高壓射流輔助鉆井技術(shù)指井下增壓器實(shí)施高壓射流輔助機(jī)械破巖鉆進(jìn)的技術(shù)，國內(nèi)外普遍認(rèn)為，使用這項(xiàng)技術(shù)能夠有效解決深井鉆速問題，美國第三代井下增壓器裝置正在研發(fā)中。而我國的中石化、中石油、民營企業(yè)也在對(duì)這方面進(jìn)行探索創(chuàng)新，已經(jīng)有所成就，未來幾年內(nèi)，自主國產(chǎn)的井下增壓器就能夠投入到各類工業(yè)應(yīng)用中。

美國第一、二代井下增壓器的井下實(shí)驗(yàn)表明，與常規(guī)鉆井相比提高50%～300%，高壓射流輔助鉆井的速度，受射流水力效率和機(jī)械破碎關(guān)系的影響，除對(duì)井下增壓器進(jìn)行開發(fā)研制外，當(dāng)前迫切解決的問題是對(duì)高壓射流輔助鉆井技術(shù)進(jìn)行研究，只有這樣才能有效提升射流直接切割破巖和輔助破巖效率。高壓射流動(dòng)壓力衰減規(guī)律、高壓噴嘴與普通噴嘴組合及復(fù)合流場的特性，直接影響高壓射流在井底切割深度和清巖能力，這方面研究成果，目前在國內(nèi)外研究文獻(xiàn)和報(bào)導(dǎo)中尚不可見。

20世紀(jì)80年代，PDC鉆頭引入國內(nèi)工業(yè)應(yīng)用，剪切破壞是PDC鉆頭的破巖原理，其工作原理與牙輪鉆頭不同。由于巖石的抗剪強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度小，PDC鉆頭破巖所需要的能量比同尺寸的牙輪鉆頭小，其能在較短時(shí)間內(nèi)以較小的鉆壓實(shí)現(xiàn)更有效的鉆進(jìn)，使機(jī)械鉆速成倍提高，更是普通牙輪鉆頭的2至4倍，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了大量時(shí)間。由于PDC鉆頭上沒有活動(dòng)部件，可以減少井下事故，在較短時(shí)間內(nèi)，得到普遍應(yīng)用。PDC鉆頭雖然有許多自身優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際操作時(shí)，問題不斷，PDC切削齒比較脆弱。容易在作用力下發(fā)生斷裂，不適用軟硬交錯(cuò)的地層，特別是在施工時(shí)，PDC鉆頭水眼離井底太近，則射流從井底反射沖擊力，使鉆頭冠部壓力加大，巨大的壓力沖蝕鉆頭體，大大減少了鉆頭使用效果，減少了使用時(shí)間。如果在目前基礎(chǔ)上，只有不斷在實(shí)踐中摸索，才能通過技術(shù)改良，用新型PDC鉆頭，解決水力能量與機(jī)械刀具有效協(xié)調(diào)的問題，提高破巖能力，對(duì)工程建設(shè)將會(huì)產(chǎn)生巨大的歷史意義。

總的來看，旋轉(zhuǎn)鉆井推廣以后，其破巖的機(jī)理沒有發(fā)生大的改動(dòng)，還是使用機(jī)械應(yīng)變力對(duì)巖石進(jìn)行破碎，有些問題沒有得到良好解決，如能量傳輸、轉(zhuǎn)換、分配和利用效率等。20世紀(jì)60年代，各國不斷探索新工藝，研究新方法，想通過改變能量傳輸方式的辦法，提高能量轉(zhuǎn)化，強(qiáng)化利用效率，促進(jìn)了泥漿增壓技術(shù)的發(fā)展；同時(shí)期，PDC鉆頭的應(yīng)用極大提高了鉆井速度，其技術(shù)優(yōu)勢奪人眼球。這兩項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)，推動(dòng)了鉆井技術(shù)發(fā)展。

2 結(jié)構(gòu)原理

2.1 井下螺桿增壓提速裝置。井下螺桿增壓提速裝置和超高壓雙流道PDC鉆頭，能夠緊密配合石油、天然氣鉆井作業(yè)，這套工具外觀是一根鉆鋌，通過螺桿增壓提速裝置和鉆井液增壓系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，有效連接在鉆柱和超高壓雙流道PDC鉆頭中間，完成工程施工需要。螺桿鉆具工作原理主要就是利用鉆井液的水力作用，通過不斷往復(fù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生巨大扭矩，輸出需要的巨大能量，完成鉆頭操作，達(dá)到破碎巖石的目的。裝置內(nèi)螺桿鉆具輸出的能量不是用來帶動(dòng)鉆頭的，而是用來對(duì)井下部分鉆井液實(shí)現(xiàn)增壓設(shè)置的，當(dāng)增壓到60～100MPa時(shí)，就需要通過特殊噴嘴噴出高速射流，使井底巖石破碎，增加鉆井工作能力和速度。井下螺桿增壓提速裝置與超高壓雙流道PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。增壓裝置主要就是利用井下鉆井液中的水力進(jìn)行動(dòng)力輸出，使螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子持續(xù)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到最大輸出扭矩，所產(chǎn)生的動(dòng)力和能量，不斷傳導(dǎo)、輸出，使能量不間斷的進(jìn)行傳遞，此時(shí)，由旋轉(zhuǎn)接頭傳遞的動(dòng)力，經(jīng)過動(dòng)力轉(zhuǎn)換體短時(shí)間內(nèi)迅速轉(zhuǎn)換，把當(dāng)初旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成軸向往復(fù)的持續(xù)運(yùn)動(dòng)，使過濾筒、柱塞一起運(yùn)動(dòng)，加大缸內(nèi)鉆井液壓，經(jīng)增壓后的高壓水射流，經(jīng)高壓管引流至特殊的高壓噴嘴噴出，產(chǎn)生一股強(qiáng)大的水射流，快速到達(dá)井底，對(duì)巖石進(jìn)行沖蝕、破碎，通常情況下，螺桿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周就實(shí)現(xiàn)柱塞的一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

斜盤式增壓裝置鉆井液流程如下：壓力為10～13Mpa的常規(guī)鉆井液被輸送到井下，螺桿馬達(dá)接收水力傳播，帶動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)子，大部分鉆井液由螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子進(jìn)入旋轉(zhuǎn)體內(nèi)部流道，小部分鉆井液從馬達(dá)傳動(dòng)軸的軸承縫隙流入旋轉(zhuǎn)體外部腔內(nèi)，使接頭外部流道與旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)鉆井液均勻混合，一起注入動(dòng)力轉(zhuǎn)換體內(nèi)，過濾筒與長筒之間有一個(gè)環(huán)形腔，在壓力差不斷作用下，一部分鉆井液經(jīng)過濾網(wǎng)過濾，傳輸?shù)街麅?nèi)部，在液閥作用下注進(jìn)高壓缸內(nèi)，增壓后產(chǎn)生巨大的能量，再從高壓閥按程序不斷排出，經(jīng)過超高壓雙流道PDC鉆頭噴嘴高速噴射而出，瞬間產(chǎn)生力量，沖擊井底并破碎巖石；還有一部分常壓鉆井液，需要由從過濾網(wǎng)外的環(huán)形間隙流向下方，從鉆頭普通噴嘴出來，持續(xù)產(chǎn)生壓力，對(duì)井底巖屑實(shí)現(xiàn)即刻清洗作業(yè)。

增壓裝置各部件功能不同，雖然結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但通過拆解，我們可以把他們分解為動(dòng)力單元、動(dòng)力轉(zhuǎn)換單元、固液分離單元和增壓單元等四個(gè)功能單元。裝置結(jié)構(gòu)主要是由螺桿馬達(dá)、動(dòng)力轉(zhuǎn)換體、旋轉(zhuǎn)接頭、過濾筒、柱塞外筒、接頭等零部件組成一個(gè)整體。增壓裝置如圖1所示。（1）動(dòng)力單元。螺桿鉆具是動(dòng)力單元的核心部件，工作原理是將鉆井液水力能量通過螺桿馬達(dá)以扭矩形式進(jìn)行輸出，把動(dòng)力學(xué)傳導(dǎo)至旋轉(zhuǎn)體。完全能夠通過改變馬達(dá)頭數(shù)和流量設(shè)置，完成對(duì)馬達(dá)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速的操作過程。需要注意的是，一定要保證螺桿鉆具傳動(dòng)軸外筒厚度，只有這樣才能有效保證連接增壓器。當(dāng)前情況下，均把螺桿鉆具傳動(dòng)軸接頭由公接頭改為母接頭，縮小接頭外徑，給動(dòng)力轉(zhuǎn)換體緊密連接留出可操作的空間。（2）動(dòng)力轉(zhuǎn)換單元。核心部件是旋轉(zhuǎn)體和動(dòng)力轉(zhuǎn)換體。旋轉(zhuǎn)體輸出扭矩，經(jīng)過動(dòng)力轉(zhuǎn)換體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使旋轉(zhuǎn)體軸線轉(zhuǎn)換為沿動(dòng)力旋轉(zhuǎn)體軸向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這個(gè)過程需要注意那些未轉(zhuǎn)換到位的扭矩，一定要合理操作動(dòng)力轉(zhuǎn)換體下端的花鍵，以此充分抵消這個(gè)扭矩。（3）固液分離單元。單元的核心是過濾筒及過濾網(wǎng)。在下鉆或接單根時(shí)，會(huì)產(chǎn)生少量砂石，這些砂石如果不留意就會(huì)滑入增壓器內(nèi)，極容易堵死井下增壓缸進(jìn)口，需要在柱塞上端設(shè)計(jì)一個(gè)由過濾筒和過濾網(wǎng)組合而成的過濾裝置，解決并防止砂石堵死進(jìn)液閥的現(xiàn)象。在對(duì)柱塞外筒流道設(shè)計(jì)時(shí)，一定使流道孔徑大于普通水眼的孔徑，這樣做的目的是防止井下砂石在下鉆中通過普通水眼倒灌，形成惡性循環(huán)，造成過濾筒與外筒環(huán)形腔砂石堆積，使增壓過程緩慢，只有不斷提高設(shè)計(jì)能力，才能更有效解決砂石堆積問題，保護(hù)機(jī)械設(shè)置工作流暢。（4）增壓單元。增壓單元由柱塞及柱塞外筒總成組成。由螺桿鉆具傳遞的動(dòng)力經(jīng)動(dòng)力轉(zhuǎn)換單元將馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為軸向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)柱塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)部分鉆井液的增壓。

2.2 超高壓雙流道PDC鉆頭。超高壓雙流道PDC鉆頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜主要是在鋼體PDC鉆頭的內(nèi)部設(shè)置一根超高壓管，上部連接井下增壓泵出口，下部通過鉆頭內(nèi)加工流道與超高壓射流噴嘴相連，超高壓噴嘴設(shè)計(jì)安裝在鋼體PDC鉆頭刀翼上，一般在切削齒后面，結(jié)合PDC切削齒進(jìn)行快速破巖。要考慮鉆頭內(nèi)部的噴管符合使用壽命，方便安裝、更換等?？傮w設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。雙流道超高壓PDC鉆頭結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，各配件間連接緊密，相互協(xié)作。主要就是在鉆頭的最上部安裝一個(gè)能夠扶正的裝置，這樣就可以有效的扶正超高壓管。扶正裝置一般為缺口式的環(huán)形卡簧，上下均為圓柱形狀，而在中間有一處通道，由上下圓柱體中間開三條徑向縫，然后在兩條壁厚上開軸向流道?？蓳Q式普通噴嘴通過后續(xù)加工的流道連接到鉆頭內(nèi)腔上，在上噴嘴前，一定要把“O”型密封圈放置入槽內(nèi)，再進(jìn)行噴嘴旋入，保持密封狀態(tài)。超高壓管的最下部分，能夠通過絲扣進(jìn)行相連，把鉆頭體上加工好的超高壓流道與超高壓噴嘴接到一處，使超高壓噴嘴與外套形成一個(gè)內(nèi)外整體，然后再連通內(nèi)有通道孔圓柱體與超高壓流道，超高壓噴嘴圓柱體、外套與鉆頭體之間，必須要有“O”型密封圈，以此進(jìn)行密封，切實(shí)保證不漏液。

3 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

2011年7月12日至2011年7月15日，井下螺桿增壓提速裝置與超高壓雙流道PDC鉆頭在勝利油田渤海二公司承鉆的勝利油田義180井進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。該井為直井，設(shè)計(jì)井深4260m。試驗(yàn)井段（2048-2282m）為東營組，巖性為為灰色、深灰色泥巖、油泥巖為主夾砂巖。

試驗(yàn)井段所用的鉆具組合為：Φ311.1mm超高壓PDC鉆頭（2個(gè)Φ1.5mm的超高壓噴嘴，6個(gè)Φ12mm的普通噴嘴）+Φ228.6mm井下螺桿增壓裝置+Φ203鉆鋌+Φ177.8鉆桿。鉆井參數(shù)為：鉆壓：20-40KN、轉(zhuǎn)速：60-80RPM、排量：49-56L/S、泵壓：9-13MPa、泥漿密度：1.06g/cm3。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（1）井下螺桿增壓提速裝置與超高壓雙流道PDC鉆頭井下工作69h，進(jìn)尺為234m，機(jī)械鉆速為16.1m/h，出井后工具外觀整體結(jié)構(gòu)完整，工具返回至車間拆解后，內(nèi)部零件磨損輕微，完全可以滿足井下工作100h的需要。（2）現(xiàn)場取得明顯提速效果。按鉆頭情況、地層狀況、井深程度，進(jìn)行比較，與鄰井同井段常規(guī)機(jī)械鉆速進(jìn)行了分析，結(jié)果是相當(dāng)良好的，使用該裝置的機(jī)械鉆速有了明顯的提速（結(jié)果見表1）。

4 結(jié)束語

（1）現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，井下螺桿增壓提速裝置與超高壓雙流道PDC鉆頭的工作原理正確，結(jié)構(gòu)可靠，出井后工具外觀整體結(jié)構(gòu)完整；（2）井下螺桿增壓提速裝置與超高壓雙流道PDC鉆頭提速效果相當(dāng)明顯；（3）著力完善細(xì)節(jié)，不斷加強(qiáng)結(jié)構(gòu)及鉆井工具設(shè)計(jì)，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，從根本上全面提高工具實(shí)際工作效率，保持可靠性、安全性，這才是今后井下螺桿增壓提速裝置與超高壓雙流道PDC鉆頭技術(shù)的研究重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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