液力加壓器使用中的相關(guān)問(wèn)題探討

馬澤永,姜東哲,楚合川,蔣成偉,賈 洋

(1.勝利油田井下作業(yè)公司修井作業(yè)大隊(duì),山東東營(yíng)257077;2.川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司機(jī)械廠,重慶401124;3.大慶鉆探工程有限公司大慶鉆井一公司,黑龍江大慶163411)

液力加壓器使用中的相關(guān)問(wèn)題探討

馬澤永1,姜東哲1,楚合川2,蔣成偉3,賈 洋3

(1.勝利油田井下作業(yè)公司修井作業(yè)大隊(duì),山東東營(yíng)257077;2.川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司機(jī)械廠,重慶401124;3.大慶鉆探工程有限公司大慶鉆井一公司,黑龍江大慶163411)

液力加壓器的研究與應(yīng)用在我國(guó)已經(jīng)有幾十年的歷史,但是一直沒(méi)有得到很好的推廣應(yīng)用。就該工具使用中存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析,從確定工具級(jí)數(shù)、調(diào)整鉆頭噴嘴直徑、采用鉆鋌配重、配置鉆具、與螺桿鉆具配合等方面提出了合理使用液力加壓器的建議,使該鉆井工具得以發(fā)揮應(yīng)有的作用。

液力加壓器;應(yīng)用;配置

液力加壓器是一種應(yīng)用于鉆井修井等作業(yè)中能量轉(zhuǎn)換裝置,利用循環(huán)泵泵壓為動(dòng)力把液體壓能轉(zhuǎn)化為鉆壓的一項(xiàng)新型鉆井技術(shù),改變了常規(guī)鉆井或其他作業(yè)是靠下部鉆鋌的重力施加鉆壓的方式,使鉆頭或下部部分鉆具與鉆柱中的其他部分柔性連接,將鉆鋌給予鉆頭或其他工具的剛性加壓變?yōu)橐毫θ嵝约訅?克服了剛性加壓的種種弊端,從而達(dá)到高速度、高質(zhì)量、低成本鉆井的目的,其功能和作用[1-2]如圖1。

但在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)卻不能夠發(fā)揮其應(yīng)有的效果,因此有必要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用進(jìn)行探討[3]。

圖1 液力加壓器功能和作用

1 問(wèn)題分析

多次實(shí)踐說(shuō)明,液力加壓器產(chǎn)生的推力在鉆壓表上是不顯示的,即,推力不在上部鉆具上產(chǎn)生反作用力,鉆頭接觸井底和不接觸井底鉆具懸重不變化。

當(dāng)忽略鉆頭噴嘴面積時(shí),推力就是結(jié)構(gòu)系數(shù)與壓差的積。由此可知,在忽略鉆頭噴嘴面積的情況下,推力的大小只與液力加壓器以下的壓力降(壓差)和本身的結(jié)構(gòu)有關(guān),與其他因素?zé)o關(guān),該壓差是底部鉆具內(nèi)比環(huán)空大的部分△p,推力是液體壓差產(chǎn)生的[4]。可以理解為:

a) 在沒(méi)有加入液力加壓器之前壓降△p也存在,它未給鉆具一個(gè)反作用力,而是使鉆柱產(chǎn)生拉伸伸長(zhǎng)。加入加壓器之后,把鉆柱從加壓器分開(kāi),加壓器殼體和上部鉆柱為A部分,心軸活塞以下(有馬達(dá)和鉆頭)為B部分,液壓力只對(duì)B部分有一個(gè)向下的力(如圖2)。

b) 對(duì)A部分來(lái)說(shuō),它跟沒(méi)有加液力加壓器時(shí)相似,可以完全不接觸井底(沒(méi)有壓并),完全懸空在井眼中。對(duì)B部分來(lái)說(shuō),根據(jù)水力學(xué)計(jì)算,在心軸上活塞和鉆頭內(nèi)腔處有一個(gè)壓差△p,產(chǎn)生一個(gè)向下的力,即液壓推力,這個(gè)推力在鉆頭未接觸井底時(shí),是作用在鉆柱上的(外殼體上);當(dāng)鉆頭接觸井底時(shí),受到井底的反作用力而平衡(如圖3)。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究

2.1 確定工具級(jí)數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)或鉆頭生產(chǎn)廠家的技術(shù)要求以及動(dòng)力鉆具的合理鉆壓,確定鉆進(jìn)的鉆壓G,然后,根據(jù)鉆頭噴嘴的壓降△p(有動(dòng)力鉆具時(shí)要加其壓降),確定結(jié)構(gòu)系數(shù)k,即可以選擇級(jí)數(shù)。

圖2 鉆具受力分析Ⅰ

圖3 鉆具受力分析Ⅱ

2.2 調(diào)整鉆頭噴嘴直徑

如果選擇級(jí)數(shù)之后推力還不滿足鉆壓要求(差別不是很大),可以通過(guò)調(diào)整鉆頭噴嘴的大小來(lái)補(bǔ)償鉆壓要求。

2.3 采用鉆鋌配重

當(dāng)工具的級(jí)數(shù)一定(現(xiàn)場(chǎng)條件指級(jí)數(shù)較少,推力比要求鉆壓小,并且不能再提高壓降的情況),要求鉆壓G確定,工具以下壓降△p確定。即,工具推力G1=系數(shù)×△p＜G,這時(shí)可以在工具以下加入1～2根鉆鋌配重W,使G≈G1+W。

2.4 配置鉆具

硬地層鉆井時(shí),由于地層較硬,一般使用牙輪鉆頭,牙輪鉆頭這時(shí)的主要作用效果是沖擊鑿碎,所以在液力加壓器之下加入1～2根鉆鋌,加大受迫振動(dòng)的質(zhì)量,對(duì)牙齒鑿碎地層是有好處的,還不至于失去減振作用,1～2根鉆鋌的質(zhì)量振動(dòng)不致于造成鉆頭牙齒的損壞。

2.5 與螺桿鉆具配合

當(dāng)液力加壓器和螺桿鉆具配合(如圖4)使用時(shí),由于螺桿鉆具具有“扭矩與壓差成正比關(guān)系”的特性,鉆頭受到地層的“強(qiáng)烈的反作用”發(fā)生蹩鉆時(shí),在螺桿鉆具上的扭矩瞬時(shí)增加,螺桿鉆具產(chǎn)生的壓降也急劇增加,當(dāng)螺桿鉆具失速時(shí),就發(fā)生蹩泵(除定子橡膠磨損嚴(yán)重的情況)。而液力加壓器具有推力與其下部鉆具的壓差成正比關(guān)系,也就是說(shuō),當(dāng)鉆頭受到地層的“強(qiáng)烈的反作用”發(fā)生蹩鉆時(shí),螺桿鉆具產(chǎn)生的壓降也急劇增加,這時(shí)液力加壓器的推力也急劇增大,使鉆頭受到更大的壓力,地層對(duì)鉆頭產(chǎn)生的反扭矩增加,蹩鉆更嚴(yán)重。但只要鉆進(jìn)參數(shù)選擇得當(dāng),液力加壓器與螺桿鉆具的參數(shù)選擇合理,就不可能出現(xiàn)連鎖反應(yīng)的問(wèn)題。

a) 根據(jù)地層和鉆頭的情況,選擇合理的鉆壓范圍。

b) 根據(jù)螺桿鉆具的性能優(yōu)選鉆壓值,選擇好排量,確定該排量下的螺桿鉆具的壓降(螺桿鉆具說(shuō)明書(shū))。

c) 根據(jù)液力加壓器的預(yù)定級(jí)數(shù),同時(shí)考慮優(yōu)選鉆頭噴嘴大小。

d) 根據(jù)預(yù)定鉆壓、鉆頭噴嘴壓降和螺桿鉆具的壓降,計(jì)算液力加壓器的級(jí)數(shù)。

圖4 液力加壓器和螺桿鉆具配合使用

在參數(shù)優(yōu)選配合后,液力加壓器始終提供給螺桿鉆具均勻的推力,繼而提供給鉆頭均勻的鉆壓,而地層給鉆頭的反作用力也是均勻的,出現(xiàn)地層對(duì)鉆頭“強(qiáng)烈的反作用”的情況就不存在了。當(dāng)鉆頭與地層發(fā)生作用(地層不均質(zhì))振動(dòng)時(shí),由于液力加壓器具有減振作用,鉆頭很容易擺脫地層的約束解除蹩鉆、跳鉆現(xiàn)象。所以,兩者配合好了,不但不會(huì)出現(xiàn)那種極端情況,還對(duì)保護(hù)鉆頭、螺桿鉆具都有好處,但是不管怎樣,螺桿鉆具和液力加壓器配合使用時(shí),合理配置加壓器的推力是至關(guān)重要的。

2.6 行程段兩端工作顯示問(wèn)題

2.6.1 上死點(diǎn)

液力加壓器具有“零鉆壓”顯示,那么到上死點(diǎn)(即伸縮行程全部壓縮)只要壓并就有鉆壓顯示。當(dāng)下放鉆具,地面鉆壓表只要有鉆壓顯示(比如2～10 kN),就可以知道到上死點(diǎn)已經(jīng)壓并,停止下放鉆柱,只旋轉(zhuǎn)鉆柱鉆進(jìn),這時(shí)除了加壓器的推力外,還多了這個(gè)顯示的鉆壓,但停止下放鉆柱,顯示的鉆壓很快就會(huì)消失。因此上死點(diǎn)不用專門(mén)的限位指示裝置,只考慮下死點(diǎn)的顯示問(wèn)題。

2.6.2 下死點(diǎn)

a) 如果使用電動(dòng)鉆機(jī)(或頂驅(qū)或使用扭矩儀)可以通過(guò)扭矩觀察到(扭矩減小,電流也減小),因?yàn)榈较滤傈c(diǎn)(即伸縮行程全部拉開(kāi))后如果不及時(shí)下放鉆具,隨著鉆頭鉆進(jìn),鉆壓會(huì)逐漸減小,并且在設(shè)計(jì)液力加壓器時(shí)就讓第2級(jí)活塞的行程略小于整個(gè)液力加壓器的伸縮行程,這樣,當(dāng)?shù)?級(jí)活塞到達(dá)下死點(diǎn)之前,第1級(jí)以上所有級(jí)產(chǎn)生的推力都失去作用,鉆壓突然減小(只有一級(jí)的推力鉆壓),則鉆機(jī)扭矩突然減小,而后又逐漸減小。如果是這樣,就不需要任何指示裝置。

b) 如果是使用機(jī)械鉆機(jī),也沒(méi)有使用扭矩儀,扭矩大小的觀察就比較困難(有經(jīng)驗(yàn)的司鉆通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)聲音和轉(zhuǎn)盤(pán)傳動(dòng)鏈條的顫動(dòng)等現(xiàn)象還是能判斷出來(lái)的),如果下部使用螺桿馬達(dá),因?yàn)榈讓訉?duì)鉆頭的扭矩減小,馬達(dá)的壓降減小,地面還是能觀察到;如果不使用馬達(dá)時(shí)就比較困難。但是,司鉆可以根據(jù)地層的機(jī)械鉆速,及時(shí)下放鉆具,通過(guò)幾次下放鉆具的時(shí)間間隔就可以較好地掌握下放鉆具的合適時(shí)間間隔,這樣就可以避免“下死點(diǎn)”的出現(xiàn),這也是具有較長(zhǎng)伸縮距的液力加壓器才能做到的。

3 結(jié)論

過(guò)去由于認(rèn)識(shí)不足,設(shè)計(jì)的液力加壓器伸縮行程太短,不能有效地發(fā)揮其應(yīng)有的作用,也很難從實(shí)踐中找到正確的結(jié)論,嚴(yán)重影響了該工具的應(yīng)用與發(fā)展。本文明確提出了液力加壓器產(chǎn)生的推力鉆壓在地面鉆壓表中顯示“零鉆壓”的概念,對(duì)于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)正確地使用液力加壓器具有一定的作用。

[1] 汪福華,劉壽軍,張 玉.SL-160型液力加壓器的研制及應(yīng)用[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2002,31(6):36-37.

[2] 唐玉渤,秦利民,趙希江.長(zhǎng)伸縮距液力加壓器的研制[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2010,39(3):85-86.

[3] 謝桂芳.水力加壓器在鉆井施工中的作用[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2009,38(5):89-91.

[4] 汪 楠,陳桂珍.工程流體力學(xué)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2007.

TE921.2

B

1001-3482(2010)06-0079-03

2009-12-10

馬澤永(1974-),男,河北海興人,1998年畢業(yè)于西安石油學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)及制造專業(yè),主要從事井下作業(yè)工作。