井底壓力控制工具的設(shè)計(jì)與計(jì)算驗(yàn)證

鄭瑞強(qiáng)，陳國(guó)慶，李相勇，王 偉，李 博

（1.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413；2.大慶鉆探工程公司機(jī)械修理廠，黑龍江大慶 163413）

1 技術(shù)研發(fā)背景

隨著油田勘探向深部地層的發(fā)展，深井鉆井的數(shù)量逐年增多。由于井深的增加，鉆井液柱對(duì)井底巖石的壓持效應(yīng)加劇，使鉆進(jìn)過(guò)程中破巖和清巖的難度加大，導(dǎo)致鉆頭破巖困難，機(jī)械鉆速降低，鉆井成本升高。針對(duì)這一難題，國(guó)內(nèi)外研究了井底局部負(fù)壓脈沖鉆井技術(shù)和環(huán)空舉升降壓鉆井技術(shù)，在井下形成相對(duì)負(fù)壓區(qū)域，改善井底巖石的受力狀況，降低井底巖石壓持效應(yīng)，有效地提高了機(jī)械鉆速。國(guó)外的Tempres公司、Waltech公司，國(guó)內(nèi)的勝利油田鉆井院等都開(kāi)展了相關(guān)技術(shù)的研究，并取得了一定的效果。

國(guó)外，2002年2月，美國(guó)Tempress公司在貝克休斯公司的實(shí)驗(yàn)區(qū)對(duì)負(fù)壓脈沖鉆井系統(tǒng)的樣機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)在硬巖石鉆進(jìn)可提高機(jī)械鉆速50%以上；加拿大的Waltech公司在20世紀(jì)90年代初設(shè)計(jì)了一種基于附壁射流原理的負(fù)壓脈沖工具，該工具能根據(jù)地層的需要，控制負(fù)壓時(shí)間的長(zhǎng)短。

2002年國(guó)內(nèi)開(kāi)始研究負(fù)壓脈沖鉆井技術(shù)，根據(jù)水力脈沖破巖機(jī)理和瞬變流理論，設(shè)計(jì)了機(jī)械阻斷式水力脈沖鉆井工具，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，該工具可提高機(jī)械鉆速10%以上。另外還研制了一種鉆頭腔內(nèi)轉(zhuǎn)子調(diào)制式脈沖鉆井工具，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，該工具原理可行，能夠提高機(jī)械鉆速，但工具可靠性較差，壽命低。

為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了井底壓力控制工具。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

（1）結(jié)構(gòu)。井底壓力控制工具由動(dòng)力系統(tǒng)和壓力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 井底壓力控制工具結(jié)構(gòu)示意圖

鉆井液經(jīng)由鉆桿進(jìn)入動(dòng)力系統(tǒng)，分流后，一部分鉆井液驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)，另一部分鉆井液經(jīng)由動(dòng)力系統(tǒng)心軸進(jìn)入壓力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)心軸，動(dòng)力系統(tǒng)通過(guò)系統(tǒng)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)壓力轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，壓力轉(zhuǎn)化系統(tǒng)將心軸內(nèi)部鉆井液增壓后從鉆頭高壓噴嘴噴出。該方案將對(duì)待鉆地層產(chǎn)生以下三方面的影響：

①有效清巖，避免鉆頭重復(fù)切削；

②高速?lài)姵鰰?huì)對(duì)小于1/4的待鉆地層產(chǎn)生壓持效果，但會(huì)對(duì)其他低速鉆井液進(jìn)行增速，依據(jù)伯努利原理，液體動(dòng)壓與靜壓之和為常數(shù)，從而使近3/4的待鉆地層產(chǎn)生相對(duì)負(fù)壓；

③高低壓交替將對(duì)待鉆地層產(chǎn)生脈動(dòng)效應(yīng)。

以上三方面均可提高機(jī)械鉆速。

（2）工作原理。通過(guò)井底壓力調(diào)整改變巖石的受力狀態(tài)，提高鉆頭破巖效率，有效提高深層鉆井機(jī)械鉆速。通過(guò)井下動(dòng)力發(fā)生工具，將鉆桿內(nèi)的鉆井液在鉆頭處局部加速，產(chǎn)生高速射流，在切削齒部位產(chǎn)生局部負(fù)壓區(qū)，利于破巖。

（3）主要技術(shù)參數(shù)。

①工具最大外徑：?180mm；

②工具最小內(nèi)徑：?45mm；

③工具最高使用溫度大于200℃；

④工具總長(zhǎng)：1900mm。

2.2 計(jì)算驗(yàn)證

（1）工具的功能關(guān)系計(jì)算驗(yàn)證。假設(shè)泵壓為20MPa，總排量30L/s，則地面鉆井泵能夠提供的總能量為：

對(duì)于3000m井深的循環(huán)壓耗為6.32MPa，則它所消耗的能量為：

對(duì)應(yīng)于3000m井深的鉆頭常規(guī)噴嘴壓降為6.18MPa，該井深條件下的鉆頭所需水功率為168.714kW。

設(shè)計(jì)的離心泵葉輪為Q20型，轉(zhuǎn)速2880r/min，軸殼長(zhǎng)5m，169級(jí)數(shù)，出口處可增壓17.5MPa，額定流量為2.3L/s，功率58.25kW，根據(jù)QN20型電泵曲線得此時(shí)效率為63%，則要將這個(gè)流量的鉆井液增壓17.5MPa，所需要的有效功率為58.25÷63%=92.46(kW)。

設(shè)計(jì)流經(jīng)渦輪的鉆井液為27L/s（此處考慮了渦輪頂隙泄漏），渦輪共11級(jí)，單級(jí)有效功率為9kW，單級(jí)壓耗為0.535MPa，則11級(jí)渦輪消耗的總功率為0.535MPa×11×27L/s=158.895kW，輸出的有效總功率為9kW×11=99kW。

因此，3000m井深，整個(gè)鉆井系統(tǒng)所消耗的總能量為：

189.6+168.714+158.895=517.209(kW)＜600kW

11級(jí)渦輪的輸出功率99kW大于離心泵消耗的功率92.46kW。

綜上所述，從工具的功能關(guān)系的角度來(lái)講，設(shè)計(jì)可行。

（2）外殼最小壁厚，壓力轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中心總成最小壁厚計(jì)算驗(yàn)證。

①外殼最小壁厚計(jì)算驗(yàn)證：工具外殼最大直徑為?180mm，最大內(nèi)徑為?152mm，壁厚為14mm，材料為40CrMnMo，內(nèi)加厚5寸鉆桿壁厚為7.52mm，內(nèi)外加厚5寸鉆桿有兩種，壁厚分別為9.19mm、12.7mm，通過(guò)類(lèi)比，壁厚14mm的工具外殼滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

②壓力轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中心總成最小壁厚計(jì)算驗(yàn)證：壓力轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中心總成壁厚最小的零件為力神泵業(yè)提供的壓力轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中心總成殼體，壁厚為7.5mm。該件為成熟產(chǎn)品，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

③碟簧彈力計(jì)算驗(yàn)證：設(shè)計(jì)碟簧的主要目的是為中心總成下密封體提供預(yù)壓力，從而保證在離心泵未工作時(shí)，起到密封和防止小顆粒破壞錐部密封面的作用。根據(jù)尺寸要求，選取碟簧A 35.5 GB/T 1972-2005，具體尺寸為D=35.5mm，d=18.3mm，自由高度為H=4H0=4×2.8=11.2(mm)，安裝時(shí)壓縮量定為4f=4×0.3=1.2(mm)（f為單個(gè)壓縮量，該碟簧最大壓縮量為0.6mm），剩余高度H-4f=11.2-1.2=10(mm)。

3 結(jié)論

井底壓力控制工具原理可行、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，并通過(guò)工具的功能關(guān)系計(jì)算、外殼最小壁厚，壓力轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中心總成最小壁厚計(jì)算以及碟簧彈力計(jì)算，進(jìn)一步驗(yàn)證了工具的可行性，為進(jìn)行進(jìn)一步深入研究，優(yōu)化完善工具結(jié)構(gòu)，使其達(dá)到預(yù)期的提速效果，提供了有力支撐。