新型井下增壓裝置研制及現(xiàn)場試驗研究

張玉英，劉永旺，巴魯軍，趙 健，徐依吉

（中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266555） ＊

新型井下增壓裝置研制及現(xiàn)場試驗研究

張玉英，劉永旺，巴魯軍，趙 健，徐依吉

（中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266555）＊

研制了一種新型井下增壓裝置，闡述了該裝置的技術(shù)優(yōu)勢，并在勝利油田及吉林油田進(jìn)行了井下增壓裝置現(xiàn)場試驗。試驗結(jié)果表明：井下增壓裝置產(chǎn)生的超高壓射流可以起到輔助機(jī)械破巖，從而達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目的；在鉆進(jìn)參數(shù)基本相同的情況下，勝利油田埕北602井和義180井使用該裝置后同比機(jī)械鉆速提高了41.0%和63.8%以上；吉林油田長深D平13井和長深D平5井使用該裝置后同比機(jī)械鉆速提高了71.7%和96.7%。

井下增壓裝置；鉆井工程；試驗

20世紀(jì)60年代末，鉆井工程領(lǐng)域開始研究如何將超高壓水射流應(yīng)用于鉆井領(lǐng)域［1－3］。截至目前，共經(jīng)歷了地面全排量鉆井液增壓、地面部分鉆井液增壓、井下增壓［4－7］3個發(fā)展時期。地面全排量鉆井液增壓技術(shù)能使機(jī)械鉆速有效提高，縮短鉆井時間，但循環(huán)系統(tǒng)及設(shè)備復(fù)雜，安全性能差，實施成本高，因此在工業(yè)上并未得到廣泛應(yīng)用。地面部分鉆井液增壓利用了雙管射流鉆井輔助系統(tǒng)來傳輸超高壓液體，該技術(shù)提高鉆速明顯，但設(shè)備問題更加突出，也未得到推廣應(yīng)用。井下增壓是研究的熱點，1993年，美國Flowdril公司和美國天然氣研究所（GRI）共同合作，開始著手研制第1代井下增壓泵。

與地面增壓泵相比，井下增壓泵具有以下顯著的優(yōu)勢：①容易實現(xiàn)由常規(guī)鉆井向超高壓射流鉆井方式的轉(zhuǎn)變，而且設(shè)備投資低，經(jīng)濟(jì)性好，安全性強(qiáng)，可靠性好，市場前景更為廣闊；②井下超高壓泵位于鉆頭上方，鉆井液通過鉆柱以常規(guī)排量的形式輸送至井下超高壓泵，大約10%的鉆井液由井下超高壓泵加壓到200MPa，經(jīng)過鉆頭的專用流道，這些超高壓鉆井液流至鉆頭的加長噴嘴處，未加壓的剩余部分鉆井液流向普通噴嘴；③因在常規(guī)鉆井液體系中能使用該項技術(shù)，超高壓噴射鉆井非常容易實現(xiàn)。但截至目前未見國外有推廣應(yīng)用的報道。

我國也提出了幾種井下增壓方式，在研的井下增壓器還有靜壓式［8－9］、射流式［6，10］、離心式［11］等。但各種裝置到目前為止都還沒有得到大面積應(yīng)用，究其原因可能為：①制造技術(shù)和加工能力可能還不能達(dá)到設(shè)計要求；②研究的基本原理以及技術(shù)路線可能還存在某些問題［12－15］。但無論如何，超高壓射流輔助破巖技術(shù)是一個提高鉆速的有效和重要途徑。

1 結(jié)構(gòu)原理及技術(shù)優(yōu)勢

1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

新型井下增壓裝置由螺桿馬達(dá)、旋轉(zhuǎn)接頭、動力轉(zhuǎn)換體、過濾筒、柱塞、柱塞外筒、接頭等零部件組成，可分解成動力、增壓、動力轉(zhuǎn)換和固液分離［16－17］4個單元，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型井下增壓裝置結(jié)構(gòu)

1.1.1 動力單元

螺桿鉆具是動力單元的主要部件，其作用是將鉆井液的水力動能經(jīng)螺桿馬達(dá)以扭矩形式傳遞給旋轉(zhuǎn)體。動力單元的主體采用螺桿鉆具，與普通螺桿鉆具相比存在2點不同：①螺桿鉆具傳動軸外筒需要加厚，為增壓器的連接做好準(zhǔn)備；②螺桿鉆具傳動軸的接頭需要由母接頭改為現(xiàn)在的公接頭，且接頭的外徑相應(yīng)縮小，目的是為動力轉(zhuǎn)換體的連接留出空間。

1.1.2 動力轉(zhuǎn)換單元

動力轉(zhuǎn)換單元主要由動力轉(zhuǎn)換體和旋轉(zhuǎn)體部件構(gòu)成。它把旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為動力旋轉(zhuǎn)體軸向運動；未轉(zhuǎn)換完全的扭矩依然存在，這些扭矩對接下來的增壓過程沒有用處，動力轉(zhuǎn)換體下端的花鍵被用來消除剩余扭矩。

1.1.3 固液分離單元

固液分離單元包括過濾網(wǎng)和過濾筒。在起下鉆或者接單根時，少量的砂石會進(jìn)入增壓器，為防止增壓缸進(jìn)口閥堵死，可以采取在增壓缸吸入鉆井液之前進(jìn)行過濾的方法，為此設(shè)計了一個在柱塞上端的過濾裝置，防止砂石堵死進(jìn)液閥。在設(shè)計時，取流道的孔徑大于普通水眼的孔徑，就可實現(xiàn)防砂石堆積在腔內(nèi)的目的。

1.1.4 增壓單元

柱塞及柱塞外筒總成組成增壓單元。經(jīng)動力轉(zhuǎn)換單元將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為軸向運動，實現(xiàn)鉆井液增壓作業(yè)。

增壓裝置工作原理為：利用鉆井液的動能驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，能量以扭矩的形式從轉(zhuǎn)子傳給傳動軸，扭矩傳至旋轉(zhuǎn)接頭，其扭矩經(jīng)動力轉(zhuǎn)換體后轉(zhuǎn)變成為過濾筒和柱塞的軸向運動；對增壓缸內(nèi)鉆井液增壓，高壓流體則經(jīng)高壓管引流，然后從高壓噴嘴里噴出，形成高速水射流，提高鉆速，其他流體從普通噴嘴流出。柱塞的1次往復(fù)運動只需螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1周就可以實現(xiàn)。新型井下增壓裝置實物如圖2所示。

圖2 新型井下增壓裝置實物

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

1） 螺桿泵是目前現(xiàn)場比較常用的井下鉆具，其工作壽命為200～300h，扭矩大，工作穩(wěn)定［18－21］，作為增壓器的動力來源比較理想，并且理論研究表明能夠提供增壓所需的動力。

2） 該增壓裝置流道簡單，易損件少，為保障增壓器的工作壽命提供了有利條件。

3） 該裝置利用機(jī)械作用實現(xiàn)柱塞換向，不存在換向失敗的問題。

4） 裝置內(nèi)不存在復(fù)雜的密封系統(tǒng)，是提高增壓器壽命的另一重要條件。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 勝利油田埕北602井

中國石油大學(xué)（華東）研制的新型井下增壓裝置與超高壓雙流道PDC鉆頭，于2011－05－11—05－12在海洋鉆井勝利七號鉆井平臺承鉆的埕北602井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。

1） 試驗井段 451～736m。

2） 試驗地層 明化鎮(zhèn)組，為棕紅色泥與淺灰色粉砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖不等厚互層。

3） 鉆具組合 ?311.1mm超高壓PDC鉆頭＋?228.6mm井下螺桿增壓裝置＋?203mm鉆鋌＋?177.8mm鉆桿。

4） 鉆井參數(shù) 鉆壓20～40kN；轉(zhuǎn)速60～80 r／min；排量49～56L／s；泵壓9～13MPa；泥漿密度1.06g／cm3。

5） 試驗效果 井下螺桿增壓提速裝置與超高壓雙流道PDC鉆頭入井11.9h，純鉆進(jìn)5.9h，進(jìn)尺285m。出井后觀察發(fā)現(xiàn)：結(jié)構(gòu)完整、未見損傷；鉆頭磨損較小，無損壞現(xiàn)象。

井下螺桿增壓提速裝置與超高壓雙流道PDC鉆頭在勝利油田埕北602井的使用情況如表1所示。按照鉆頭類型相同、地層相同、井深相近的可比原則，與鄰井埕北斜601井同井段常規(guī)機(jī)械鉆速進(jìn)行了對比分析，機(jī)械鉆速提高約41.0%，結(jié)果如表1。

表1 螺桿式井下增壓裝置現(xiàn)場實鉆數(shù)據(jù)對比之一

2.2 勝利油田義180井

2011－07－12—07－15，在勝利油田渤海二公司承鉆的勝利油田義180井進(jìn)行了第2次現(xiàn)場試驗。

1） 試驗井段 2 048～2 282m。

2） 試驗地層 東營組，為灰色和深灰色泥巖、油泥巖為主夾砂巖。

3） 鉆具組合 ?311.2mm PDC超高壓雙流道鉆頭＋?197mm井下螺桿增壓裝置＋?203mm鉆鋌＋?308mm扶正器＋?203mm鉆鋌＋?177.8 mm鉆鋌。

4） 鉆井參數(shù) 鉆壓40～80kN；轉(zhuǎn)速103～ 110r／min；排量36～47L／s；泵壓11～15MPa；泥漿密度1.13～1.15g／cm3。

在勝利油田義180井的使用情況如表2所示。與鄰井義178井同井段常規(guī)機(jī)械鉆速進(jìn)行了對比分析，機(jī)械鉆速提高了63.8%，結(jié)果如表2。

表2 螺桿式井下增壓裝置現(xiàn)場實鉆數(shù)據(jù)對比之二

2.3 吉林油田長深D平13井

2011－06－05—06－07，在中原油田四公司50753隊承鉆的吉林油田長深D平13井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。

1） 試驗井段 2 235～2 355m。

2） 試驗地層 中生界青山口組，主要為灰黑、灰綠色泥巖與雜色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖成不等厚互層，偶見淺灰色粉砂質(zhì)泥巖。

3） 鉆具組合 ?241.3mmPDC超高壓鉆頭＋?197mm井下螺桿增壓裝置＋?178mm鉆鋌＋?159mm鉆鋌＋?127mm鉆桿。

4） 鉆井參數(shù) 鉆壓40～80kN；轉(zhuǎn)速75～110 r／min；排量40L／s；泵壓10～14MPa；泥漿密度1.23～1.25g／cm3。

5） 試驗效果 井下螺桿增壓提速裝置與超高壓雙流道PDC鉆頭入井70h，純鉆進(jìn)35h，進(jìn)尺120m。出井后觀察發(fā)現(xiàn)：結(jié)構(gòu)完整、未見損傷；鉆頭磨損較小，損壞較輕。

井下螺桿增壓提速裝置與超高壓雙流道PDC鉆頭在吉林油田長深D平13井的使用情況如表3所示，與鄰井（長深D平3、4、8、9井）同井段進(jìn)行了對比分析，機(jī)械鉆速平均提高了71.7%。

表3 螺桿式井下增壓裝置現(xiàn)場實鉆數(shù)據(jù)對比之三

2.4 吉林油田長深D平5井

2011－08－02—08－04，在長城鉆探鉆井二公司承鉆的吉林油田長深D平5井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。

1） 試驗井段 1 967～2 182m。

2） 試驗地層 中生界青山口組，以紫紅色泥巖為主，偶見灰綠色泥巖，間夾雜色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖。

3） 鉆具組合 ?241.3mmPDC超高壓雙流道鉆頭＋?197mm井下螺桿增壓裝置＋?177.8 mm鉆鋌＋?165mm鉆鋌＋?127mm鉆桿。

4） 鉆井參數(shù) 鉆壓10～40kN；轉(zhuǎn)速75～105 r／min；排量30L／s；泵壓12～17.5MPa；泥漿密度1.24～1.26g／cm3。

5） 試驗效果 井下螺桿增壓提速裝置與超高壓雙流道PDC鉆頭入井58h，純鉆進(jìn)40h，進(jìn)尺215m。出井后觀察發(fā)現(xiàn)：結(jié)構(gòu)完整、未見損傷；鉆頭磨損較小，無損壞現(xiàn)象。

井下螺桿增壓提速裝置與超高壓雙流道PDC鉆頭在吉林油田長深D平5井的使用情況如表4所示，與鄰井（長深D平4、8井）同井段進(jìn)行了對比分析，機(jī)械鉆速同比提高了97.6%。

表4 螺桿式井下增壓裝置現(xiàn)場實鉆數(shù)據(jù)對比之四

3 結(jié)論

1） 提出了一種新型增壓方案，應(yīng)用現(xiàn)有螺桿鉆具為增壓裝置提供動力源，利用專門設(shè)計的換向機(jī)構(gòu)實現(xiàn)運動形式的轉(zhuǎn)換，利用增壓腔總成實現(xiàn)鉆井液增壓；并利用該原理設(shè)計出了一種新型的井下增壓裝置。

2） 利用該方案設(shè)計出的井下增壓裝置具有很多技術(shù)優(yōu)勢，例如動力源扭矩大、工作穩(wěn)定、增壓裝置流道簡單、易損件少、不存在換向失敗的問題和復(fù)雜的密封系統(tǒng)等，為實現(xiàn)增壓及提高增壓器壽命提供了保障。

3） 井下螺桿增壓鉆井裝置分別在勝利油田埕北602井和義180井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，同比機(jī)械鉆速提高了41.0%和63.8%；在吉林油田長深D平13井和長深D平5井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，同比機(jī)械鉆速提高了71.7%和96.7%，提速效果明顯。

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Study on a New Type of Down－h(huán)ole Supercharger and Field Experimental

ZHANG Yu－ying，LIU Yong－wang，BA Lu－jun，ZHAO Jian，XU Yi－ji
（College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China）

Developed a new type down－h(huán)ole supercharger，elaborated technology advantage of this equipment.And down－h(huán)ole supercharger field test were made in the Shengli Oilfield and Jilin Oilfield.The results show that ultra－h(huán)igh pressure water jet built up in down－h(huán)ole supercharger could play an auxiliary mechanical rock breaking，so as to increase the ROP.Field test in the Chengbei 602and Yi 180well of Shengli Oilfield results shows that，under the same condition of drilling parameters，the use of down－h(huán)ole supercharger after an ROP increase 41%and 63.8%respectively，test results in Jilin oilfield Changshen D Ping 13well and Changshen D Ping 5well field show that，compared to the same period after using down－h(huán)ole supercharger，the mechanical drilling speed is increased by 71.7%and 96.7%respectively.

down－h(huán)ole supercharger；drilling engineering；experimental

1001－3482（2012）03－0058－05

TE921.2

A

2011－09－23

張玉英（1961－），男，山東魚臺人，高級工程師，中國石油大學(xué)（華東）在讀博士研究生，主要從事井下系統(tǒng)、信息與控制工程及高壓射流破巖技術(shù)研究。