大慶油田粒子沖擊鉆井注入系統(tǒng)研究

謝從輝

(大慶鉆探工程公司 鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413)

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大慶油田粒子沖擊鉆井注入系統(tǒng)研究

謝從輝

(大慶鉆探工程公司 鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413)

摘要：隨著勘探開(kāi)發(fā)的深入，傳統(tǒng)鉆井方式在深部硬地層以及復(fù)雜地質(zhì)條件下存在鉆速慢等難題。開(kāi)展了粒子沖擊鉆井PID (Particle Impact Drilling)的技術(shù)研究，利用鉆井液的水力能量實(shí)現(xiàn)金屬粒子高速?zèng)_擊地層，實(shí)現(xiàn)破巖，以提高深井和超深井的鉆井速度。介紹了一套粒子注入系統(tǒng)，從密封方式及旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)闡述了該系統(tǒng)注入泵的設(shè)計(jì)，為粒子注入系統(tǒng)的完善提供了新思路。

關(guān)鍵詞：粒子沖擊鉆井；注入泵；粒子注入

隨著大慶油田勘探層位逐漸變深，巖層越來(lái)越硬，低效的破巖方式已成為限制潛在儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)的重要因素。常規(guī)提速工具鉆進(jìn)時(shí)，由于其技術(shù)特性，需要施加一定的鉆壓，在連續(xù)的鉆井過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)諸多問(wèn)題，如工具失效、鉆頭磨損、井斜、井身質(zhì)量差等，不能完全滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的使用要求[1]。粒子沖擊鉆井(PID)是利用高壓鉆井液的水力能量，攜帶圓形堅(jiān)硬的鋼質(zhì)粒子，通過(guò)井下專(zhuān)用鉆頭的噴嘴加速后，使粒子獲得較高的頻率和速度，從而以極大的能量沖擊地層實(shí)現(xiàn)破巖的一項(xiàng)技術(shù)。該技術(shù)由于不需要提供鉆壓和轉(zhuǎn)矩，就能有效提高鉆頭使用率，緩解鉆具疲勞；在提高破巖效率的前提下，保證井眼質(zhì)量，提高施工效率。國(guó)外試驗(yàn)表明，粒子鉆井裝置較傳統(tǒng)鉆井技術(shù)的鉆進(jìn)速度快3～5倍，可達(dá)到10m/h，大幅縮短了鉆井周期，節(jié)約了鉆井成本，減少了鉆井消耗[2]。

粒子沖擊鉆井系統(tǒng)可作為常規(guī)鉆井的一個(gè)附屬部分，是一套復(fù)雜的設(shè)備，主要由注入系統(tǒng)、回收系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。其中注入系統(tǒng)的主要作用是將粒子有序、均勻地注入到外部的鉆井液中，實(shí)現(xiàn)沖擊地層的目的[3]。

圖1　PID系統(tǒng)組成

1結(jié)構(gòu)及原理

注入系統(tǒng)的作用是利用鉆井液的能量將粒子以一定比例均勻、連續(xù)地注入到高壓鉆井管匯中，經(jīng)過(guò)鉆井液攜帶到達(dá)井底的鉆頭。注入系統(tǒng)由注入泵、粒子注入罐、粒子周轉(zhuǎn)罐、渣漿泵、傳感器、液控閥門(mén)及相關(guān)管線(xiàn)組成[4]，如圖2所示。

圖2　注入系統(tǒng)組成

粒子注入系統(tǒng)通過(guò)上述部件的有機(jī)結(jié)合，保證整體施工的平穩(wěn)高效，通過(guò)3個(gè)注入罐交替工作的方式，分別進(jìn)行填充、充壓和注入，完成注入程序。下面以1#注入罐為例進(jìn)行原理說(shuō)明。

首先通過(guò)粒子導(dǎo)入管線(xiàn)將粒子運(yùn)輸?shù)搅Ｗ又苻D(zhuǎn)罐，然后打開(kāi)溢流及填充液控閥門(mén)，通過(guò)渣漿泵將粒子填充到粒子注入罐，在填充粒子的過(guò)程中，罐中的鉆井液通過(guò)溢流管線(xiàn)回流到周轉(zhuǎn)罐中，待粒子填充完畢后，關(guān)閉溢流及填充液控閥門(mén)，開(kāi)啟壓力平衡閥門(mén)，使鉆井液進(jìn)入到粒子注入罐中，進(jìn)入充壓階段，待注入罐內(nèi)壓力與下部鉆井液管線(xiàn)中的壓力平衡時(shí)，開(kāi)啟注入液控閥，啟動(dòng)注入泵，將粒子均勻注入到鉆井液管線(xiàn)中，完成粒子注入過(guò)程。

當(dāng)1#粒子注入罐中進(jìn)行粒子注入工藝時(shí)，2#粒子注入罐正在進(jìn)行填充工藝，而3#粒子注入罐在進(jìn)行充壓工藝，以此類(lèi)推，使3個(gè)粒子注入罐交替進(jìn)行3個(gè)工藝，實(shí)現(xiàn)整體施工的連續(xù)性，保持現(xiàn)場(chǎng)粒子注入的穩(wěn)定，滿(mǎn)足鉆井施工的要求。

2技術(shù)要求

1)連續(xù)性。在實(shí)際鉆進(jìn)施工中，注入系統(tǒng)需要連續(xù)進(jìn)行粒子注入，以保持井下壓力的穩(wěn)定，防止由于壓力波動(dòng)造成井下復(fù)雜和事故，同時(shí)連續(xù)的粒子注入也有利于保持高效的鉆進(jìn)效率，充分發(fā)揮粒子沖擊鉆井的優(yōu)勢(shì)[5]。

2)穩(wěn)定性。要實(shí)現(xiàn)粒子的連續(xù)注入，需要保證整個(gè)注入設(shè)備的穩(wěn)定性，由于該系統(tǒng)復(fù)雜龐大，包含的部件眾多，若某一個(gè)部件出現(xiàn)系統(tǒng)故障，會(huì)造成粒子注入中斷，將嚴(yán)重影響井筒壓力分布，易造成井涌、井噴等事故。

3)承壓性。粒子注入系統(tǒng)與鉆井液的壓力相當(dāng)，且為了達(dá)到粒子高速注入的目的，一般采用高泵壓、大排量的方式，對(duì)整個(gè)注入系統(tǒng)的承壓性提出了更高的要求。

3注入泵

注入泵是粒子注入系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其作用為在高壓狀態(tài)下，將含量90%的金屬粒子及鉆井液混合物泵送到外部的鉆井液注入管線(xiàn)中，對(duì)其整體的耐沖蝕性及承壓性要求極高[6]。注入泵采用螺旋輸送的結(jié)構(gòu)原理，如圖3所示。注入泵分為密封部分及螺旋部分，左端連接電機(jī)，上部與粒子儲(chǔ)罐連接，為粒子入口，右端與鉆井液管線(xiàn)連接，為粒子排出口。工作時(shí)，利用電機(jī)帶動(dòng)密封軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)螺旋部分旋轉(zhuǎn)，從而將粒子通過(guò)螺旋結(jié)構(gòu)運(yùn)送到出口，匯入鉆井液中[7]。

圖3　注入泵結(jié)構(gòu)

3.1密封部分

密封部分由密封環(huán)、軸承及密封軸組成，如圖4所示。根據(jù)注入泵的運(yùn)行狀態(tài)可知，密封環(huán)的外部是靜止?fàn)顟B(tài)，而內(nèi)部是旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此，密封部分的研究重點(diǎn)是動(dòng)密封的選擇和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖4　密封部分示意

1)動(dòng)密封選擇。考慮到其密封的介質(zhì)及所處的環(huán)境，優(yōu)選了Kalsi密封類(lèi)型，如圖5。該密封件由美國(guó)生產(chǎn)，其主要原理是利用特殊的橡膠制成，不易損壞，需要借助足夠的油壓來(lái)平衡外界環(huán)境壓力，以形成油膜，從而實(shí)現(xiàn)密封，可保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高密封的效果。

圖5　Kalsi密封結(jié)構(gòu)

2)冷卻系統(tǒng)。由于旋轉(zhuǎn)軸處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其內(nèi)部的動(dòng)密封需要具有良好的散熱性，因此，為了保證動(dòng)密封的性能，設(shè)計(jì)了油道，通過(guò)油料的流動(dòng)進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑，并使整個(gè)油壓與外界粒子環(huán)境壓力相當(dāng)，如圖6。

圖6　冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2旋轉(zhuǎn)部分

旋轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)如圖7所示。為了便于安裝和加工，保證整體結(jié)構(gòu)的緊湊，主要采用如下技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1)縮短螺旋部分長(zhǎng)度，加強(qiáng)葉片的抗沖蝕磨損性能。

2)連接部位采用花鍵結(jié)構(gòu)，方便安裝和拆卸，滿(mǎn)足配合要求。

3)采用空心結(jié)構(gòu)，減輕質(zhì)量，便于傳遞轉(zhuǎn)矩，防止由于偏墜影響密封性能。

a　三維

b　剖面

4結(jié)論

1)針對(duì)粒子沖擊鉆井的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)合理、功能完備的注入系統(tǒng)，滿(mǎn)足粒子連續(xù)、穩(wěn)定注入的要求。

2)從密封和旋轉(zhuǎn)2方面對(duì)注入泵進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提高了設(shè)備的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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ResearchforInjectionSystemofParticleImpactDrillingTechnologyinDaqingOilfield

XIEConghui

(Drilling Engineering Technology Research Institute，Daqing Drilling Engineering Corporation，Daqing 163413，China)

Abstract：As the exploration and development of the oilfield，the traditional drilling technology have some problems such as low ROP for deep-hard formations and complicated geological conditions，and so，the research for particle impact drilling technology has been done in Daqing oilfield，which get the metal particles of high velocity to impact the formation with the hydraulic energy of mud，realizing the rock breaking and to meet the overall effectiveness of the deep，ultra-deep formation for the ROP and the exploration.A particle injection system is described，focusing on the key technology，and the design of the particle injection pump from sealing pattern and rotating structure are presented in this paper，which can provide a new way for the particle injection system and has certain significance.

Keywords：PID；injection pump；particle injection

文章編號(hào)：1001-3482(2016)06-0081-03

收稿日期：2016-12-18

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”子課題“碳酸鹽巖火成巖及酸性氣藏高效安全鉆完井技術(shù)”(2011ZX05021002)

作者簡(jiǎn)介：謝從輝(1983-)，男，工程師，現(xiàn)從事欠平衡鉆井技術(shù)研究，E-mail：daqing5306@sina.cn。

中圖分類(lèi)號(hào)：TE926

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.018