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水力加压技术在石油钻井中的应用
山东伟创石油技术有限公司
概 述
水力加压技术是一项广泛应用于工业生产及其产品中的实用技术。根据其液压能转化为机械能的原理研制的水力加压装置, 应用于石油天然气钻井作业中, 能够在不消耗额外能量、 不需要其它特殊设备的情况下, 利用循环钻井液产生的液压力给钻头加压, 从而为钻头提供一个稳定的钻压, 有效地改变下部钻具的受力状态, 改进钻头和钻具的工作条件, 达到加
快钻井速度、 延长钻头、 钻具的使用寿命、 减少井下事故、 保证井身质量、 减轻司钻劳动强度的目的。常规钻井是靠钻头上部的钻铤重量给钻头加压, 为了获得稳定的钻压, 需要司钻小心翼翼地精心操作, 均匀送钻。采用液力加压技术给钻头加压, 不但可使钻头获得稳定的钻压, 而且还能起到吸震防跳、 保护钻头钻具、 实现自动送钻、 保证井身质量等作用。是石油钻井中一项投入小、 效果明显、 容易操作的实用技术, 值得推广应用。在20 世纪90 年代国外首先将液力加压技术应用于石油钻井中。国内应用此项技术是在1996 年塔里木油田所钻的和4井, 在深部φ104.65mm小井眼中使用了美国贝克—休斯公司生产的85.73mm水力推进器。随后国内西南石油学院、 山东伟创石油技术有限公司等也开始研制相应工具, 现场试验均取得了一定的效果。可是由于多数现场技术人员对此项技术了解较少, 对其工作原理及井下钻具受力情况仍有不同认识, 现场试验应用的范围有限等, 因而使得该项优越的技术不能广泛推广。下面结合试验水力加压装置的现场实践, 论述液力加压装置的工作原理, 分析其使用前后钻具在井下的受力状态, 总结其所起的作用, 回答使用该装置时人们可能存在的一些疑问, 提出现场应用的几种钻具组合。旨在为推广应用此项技术提供理论依据和技术支持。
一、 结构与工作原理
1、 基本结构
如图1-1所示: 根据水力加压原理研制的水力加压装置( 单级) 由上接头、 缸体( 外筒) 、 活塞、 心轴( 花键轴) 、 花键体、 下接头等组成。其基本结构简单, 加工制造容易。
2、 工作原理
水力加压器在使用时连接在靠近钻头的下部钻具中( 上接钻铤, 下接钻头) 。钻进( 工作) 时, 开泵循环钻井液, 钻具内高压流体直接作用于活塞端面上, 产生推力推动活塞下行,

下接头 花键轴 传动轴 低压腔 活塞 缸套 高压腔 上接头
经过与活塞相连的心轴( 花键轴) 传递推力给钻头, 此推力即为钻进时所需钻压。
3、 液压力计算
钻井液从钻井泵→地面管汇→高压立管→水龙带→水龙头→钻具内→钻头( 喷嘴) →环空→地面钻井液罐→钻井泵, 形成一个循环系统, 从而泵压为: 泵压＝所有地面管汇压耗＋钻具内压耗＋钻头喷嘴压降＋环空压耗当井身结构、 钻具组合、 钻头喷嘴、 钻井液密度、 排量等一定时, 钻具内某一点处的液体压力是能够计算出来的。那么, 在水力加压装置活塞上面( 高压腔内) 的液体压力也是能够求出的。即: 液体压力P＝钻头喷嘴压降Pb＋加压装置以下钻具内压耗PL又当液力加压装置加工成后, 其基本尺寸一定, 经过计算即可求出当量面积S( 或厂家给出计算面积) 。
4、 钻压计算
由上述分析可知: 施加在钻头上的钻压的大小, 与作用于活塞上的液体压力、 活塞有效面积以及液力加压装置以下钻具、 钻头的重量成正比。即
　　　W=F+G1+G2+G3
式中: W——施加在钻头上的钻压, kN
G1——传压杆及接头重量, kN
G2——液力加压装置以下钻具重量, kN
G3——钻头重量, kN
如果水力加压器直接接在钻头上, 在钻井实践中能够忽略其它重量及装置压耗, 那么液体压力可近似等于钻头压降, 即:
P≈Pb
W≈0.1PbS
二、 水力加压器井下工作状态分析
现场使用水力加压器, 应懂得其工作原理, 了解其结构, 会计算推力的大小, 而明白其在井下工作状态、 受力情况更是使用好工具的关键。
1、 工作行程
水力加压器的工作行程即为活塞在缸体内移动的距离。此行程由研制者设计, 加工成后, 该行程也就固定了。此节主要说明在使用中如何观察判断。
使用液力加压装置钻进前, 钻头提离井底先开泵, 此时活塞在下止点, 行程全部打开, 指重表显示钻压为”0”。下放钻具钻头接触井底后, 钻压很快升到计算值, 在下放钻具一个行程的距离, 钻压保持不变, 活塞到达上止点, 此时停止送钻, 工具会保持一定钻压钻进。当钻压显示值减小时, 活塞到达下止点, 即完成一个工作行程。再次下放钻具送钻, 开始下一
个行程的钻进。此即为自动( 在有效行程范围内) 送钻功能。
2、 受力分析
水力加压器在井下怎样工作, 受力状态如何, 怎样传递压力, 如何判断压力大小, 常规使用钻铤加压所称”中和点”的概念还有没有等, 都是需要解决的问题, 也有部分技术人员对此怀有疑问。笔者试图经过液力加压装置在井下工作时受力情况的分析解决这些问题。
( 1) 钻压显示的分析
如图2-1所示, 液力加压装置能够看作是一个倒置的注射器。
图中G为钻具重量、 G′为大钩的承载力、 F为高压液体作用于活塞处的推力( 向下) 、 F′为向上的液压力、 W′及W为地层岩石对钻头的反作用力。
水力加压器在井下有四种工况:
图a为不工作( 未钻进) 或液压力大于实际钻压时, 活塞位于工具的下止点( 行程全打开) ;
图b为钻头接触井底, 液体推力F等于钻压W时, 活塞在缸筒内处于浮动状态( 正常工作状态) ;
图c所示为钻头接触井底、 液体推力F小于钻压W时, 活塞位于上止点( 行程关闭) 时的情况。

中和点

图 2-1 图 2-2 图 2-3
无论哪种情况, 整个系统的受力能够简化为: 大钩的承载力G′、 钻具的重量G、 向下的液压力F、 向上的液压力F′、 地层岩石向上的反作用力W。其关系式为:
G′+F′+W = G+F
而 F = F′
则 W = G - G′
我们知道, ”G-G′”
即为钻压, 因此使用水力加压器可像常规钻井一样, 直接经过指重表观察钻压的大小。
( 2) 下部钻具受力情况分析
就一般情况讲, 使用液力加压装置仍需要加入钻铤。但此时钻铤的作用不是直接给钻头加压, 而是平衡液压推力的反作用力, 以及为保证井身质量而使下部钻具具有一定的刚性。
图2-2为常规钻铤加压的情况。为了保证一定的钻压, 必须加够一定长度的钻铤, 使下部钻
铤的重量大于可能要施加的最大钻压。而靠近钻头L长度的钻铤的
重量正好等于钻压时, L长度处的点( 截面) 称为”中和点”。中和点以下钻铤受压力, ( 钻具自身重量导致) , 以上钻具受拉力。可是由于加压不稳, 井下跳钻等影响, 中和点是上下移动的, 中和点处的钻具所受拉、 压交变应力变化频繁, 因而此处的钻具极易疲劳破坏。
图2-3为使用液力加压装置的情况。
当液推力等于钻压时, 活塞处于浮动状态。因为装置缸筒内径( 活塞直径D) 大于上部钻铤内径( d) , 则在内径变化处产生液体上顶力( F′) , 钻铤的主要作用之一是平衡此上顶力。显然, F′小于钻压W, 因而需要平衡, F′的钻铤的重量或长度也小于常规钻铤加压所需要的重量或长度。
又因常规钻铤( 加压部分钻铤) 的长度( 中和点的位置) 取决于加压的大小, 而使用液力加压装置所需钻铤的长度由液力加压装置的结构及上部所接钻铤的内径决定( 当然也和钻压有关) , 而且使用水力加压器中和点的位置是固定的, 且已不是原来中和点的意义了。
三、 水力加压器主要功能
在石油钻井作业中应用水力加压技术, 其优越性是在不需增加额外设备、 不消耗额外能量的情况下, 只接入一个液力加压装置即可改变常规钻井靠钻铤加压的模式, 使钻头与钻铤由刚性联结变为柔性联结, 由给予钻头的硬性、 变化的钻压变为稳定、 柔性的加压, 大大改进了钻头和钻铤的工作条件。理论分析和现场实践均表明, 使用液力加压装置能够起到以下几
个主要作用。
1、 平稳、 恒定的加压功能, 有利于加快钻井速度
众所周知, 钻井作业中加压钻进, 最忌忽高忽低, 加压不稳。而常规钻井靠司钻操作, 下放钻具加压, 不但钻压传递滞后, 也不可能保持恒定的钻压。加之钻头跳钻、 井斜钻具托压等原因, 更会使实际钻压不稳。而采用水力加压器会得到均衡、 稳定的钻压, 因而有利于提高钻井速度。
2、 有效的吸震、 防跳作用, 能够保护钻头和钻具
常规钻井中为了防止跳钻, 要使用减震器。减震器一般有机械式( 弹簧减震) 和液压式( 液压有吸震) 两种。机械式易损坏, 液压式由于工具空间的限制, 所加液压油有限。而液力加压装置活塞上部是敞开的, 整个钻具内的上千米液体( 钻井液) 均为吸震液体, 从而能够有效地吸震防跳, 延长钻头和钻具的使用寿命。
3、 用于定向井、 小井眼中, 可提供稳定、 真实的钻压
在定向井中, 由于钻具摩阻力的影响, 使钻压的传递滞后且极不稳定, 忽大忽小, 容易出现”假钻压”现象。而且为了防止钻具粘卡, 一般要求司钻”点送”钻, 这更加剧了钻压的不稳定性。使用液力加压装置, 在有效行程内, 司钻能够点送且送钻下放的幅度大, 不但能有效地克服摩阻力, 还可保证钻压真实稳定。小井眼使用小钻具, 由于柔性大、 钻具弯曲贴靠
井壁, 同样使加压不稳, 出现假象。使用液力加压装置可在一定程度上克服此种现象的发生。
4、 在行程范围内实现自动连续送钻, 减轻司钻的劳动强度
常规钻进时要求司钻精力集中, 连续送钻, 此时司钻就要不停地抬、 压刹把, 稍有不慎, 就会出现溜钻现象, 司钻的劳动强度较大。而使用液力加压装置司钻能够”点送”, 即间歇送钻就可保持一定钻压钻进。如装置设计行程为0.3米, 天车、 游车为5×6绳系, 则绞车滚筒外缘转动3米相当于钻具下放0.3米。那么司钻一次下放0.3米即可煞住刹把, 让工具自动送钻。这样, 不但便于司钻观察情况, 也大大缓解了其精神紧张的压力, 降低了劳动强度。
5、 增强了下部钻具的刚性, 有利于防斜打直, 保证井身质量
下部钻具的弯曲是导致井斜的一个重要原因。为了保证下部钻具的”直”, 技术人员采取加大钻具直径、 设计不弯钻铤等办法。而采用液力加压装置即可增加下部”直”钻具段的长度, 相当于增强了下部钻具的刚性。在常规钻井中, 下部钻具由于自重而引起弯曲, 其产生弯曲( 一次弯曲) 的长度( 重量) 与施加的钻压密切相关。为了不使钻具弯曲就要控制钻压。而使用液力加压装置后使钻具弯曲的长度( 重量) 只与该装置与上部所连接钻具的台阶处产生的上顶力有关, 显然, 该上顶力小于钻压, 因而增加下部”直”钻具段的长度。如在φ215.9mm井眼中使用φ158.75mm、 内径为φ71.44mm的钻铤, 钻井液密度为1.2g/cm3 , 经过计算可知, 钻铤长度达到38.9 m时就发生弯曲( 一次弯曲) 。为保证井身质量, 可施加的钻压不能超过40.14kN。若使用φ165mm液力加压装置, 钻压可控制在55.483 kN, 提高了
38.22%。这样, 在可比常规钻具组合加压大的情况下, 还能保持钻具不发生弯曲, 相当于增强了钻柱的刚度。
6、 配以适当的钻具组合, 能够起到良好的降斜作用
前已述及, 平稳加压、 保证钻具的刚性, 是防止井斜、 保证井身质量的重要因素。而在需要降斜时, 采用液力加压装置配以适当的钻具组合, 能够提高钻具稳定器的位置, 增大钟摆降斜力, 从而起到较好的降斜作用。
四、 注意问题
现场使用水力加压器, 有几个问题需要注意。
1、 钻压的调节
在钻进中, 由于情况的变化需要调节钻压。在设计水力加压器时, 均考虑了现场实际情况, 根据不同钻具组合及钻头尺寸设计了不同尺寸、 不同级别( 单级、 双级、 多级) 的工具。同时还可设计截流塞用于调节钻压的大小。现场可根据需要选择不同规格、 不同级别的液力加压装置。并根据实际组配钻头喷嘴, 以使其产生所需要的压降。另外, 由于当前钻井所用钻井泵, 其功率、 排量都较大, 有调节的余地, 可在钻进时适当调节满足钻压需要。在上述都调节不成时, 水力加压器允许在关闭或打开状态下钻进, 即超过或小于液推力的情况下钻进, 只是减震等效果稍差。
2、 如何防止钻铤弯曲
经过前面分析, 为了平衡液压推力的反作用力, 需要加入一定数量的钻铤。而在一定情况下, 即反推力达到一定值后, 钻铤也会弯曲。如在3.5所举实例中, 要施加70—80 kN的钻压, 那么喷嘴压降要达到70 MPa, 此时产生的上顶力为50.057kN, 超过了使钻铤产生弯曲最低压力40.14 kN, 钻铤自然会弯曲。解决的办法: 一是根据实际优选、 设计好水力参数, 调节好钻压值, 尽量不使上部钻具弯曲; 二是可在水力加压器下面接少量钻铤调节钻压; 三是在液力加压装置上面使用大水眼钻铤, 经过减少大、 小水眼过度台阶处的环形面积来减小反推力, 以保证整个钻具的不弯曲。
3、 水力加压器安放位置
从工具本身讲, 水力加压器能够安放在钻柱组合中的任何位置。但要使其有效发挥作用, 原则是越靠近钻头效果越好。一般距离钻头不要超过3根钻铤的长度。
4、 水力加压器的使用技术
现场使用技术, 是一项新工艺、 新技术成功并取得较好效果的关键, 特别是对于还未推广开的技术, 更要讲究使用操作。液力加压技术的推广, 不但要靠设计人员研制可靠、 实用的工具, 更要依赖于现场推广技术人员的辛勤工作。在此不再赘述。
五、 推荐钻具组合
根据笔者参与水力加压器现场应用的体会, 结合理论分析, 推荐现场使用水力加压器的几种钻具组合如下。
1、 钻头+水力加压器+钻铤
此种组合是常见组合。能够有效的防止跳钻, 施加稳定的钻压。下部钻具的刚性较强, 有利于保证井身质量。若使用PDC钻头, 因其所用钻压较小, 因而更容易操作, 使用效果更明显。
2、 钻头+水力加压器+钻铤18—23m+稳定器+钻铤
此种组合为钟摆钻具组合, 有利于防斜打直。特别适合于纠斜、 降斜时使用。因稳定器以下钻具均处于不弯状态, 且比常规组合长( 重) , 降斜力增大, 可适当增大钻压, 在达到降斜效果的情况下, 加快钻井速度。
3、 钻头+钻铤2根+水力加压器+钻铤
这种组合一方面可调节由于现场条件的限制( 如压降有限) , 液压推力不够的情况, 另一方面更增加了下部钻具的刚性( 钻铤少不易弯曲) , 能起到一定的稳斜效果。
4、 钻头+稳定器+水力加压器+稳定器+钻铤1根+稳定器+钻铤
在这种满眼钻具组合中, 水力加压器相当于短钻铤的位置, 能够在稳斜钻进中使用。但近钻头稳定器最好加两个, 以保证稳斜效果。上述是推荐使用的液力加压装置的几种常见钻具
组合。现场使用液力加压装置时, 不只限于这几种组合。应根据钻井实际, 结合工具的结构尺寸合理搭配钻具, 以使其发挥更好的作用。
六、 水力加压器应用实例
由山东伟创石油技术有限公司研制的不同规格的水力加压装置, 已在胜利、 西部钻探、 川东北、 长庆、 吉林、 华北、 塔里木等油田的数百口井使用, 技术经济效果明显, 典型实例如下:
1、 华北油田S50井
该井是一口重点探井, ∅ 311mm钻头钻至馆陶底地层时跳钻严重, 为防止跳钻使用水力加压装置( H437钻头) , 从井深2069.76米钻至2307.70米, 进尺237.94米, 纯钻时间78.16小时, 平均机械钻速3.14米/小时。钻进中钻头工作平稳, 综合录井仪显示大钩负荷、 钻压、 扭矩曲线平滑, 明显优于上、 下未使用水力加压装置时钻头工作曲线。且起出钻头新度较高( 综合评定75%) , 无一断掉齿现象。与未使用水力加压装置的邻井同井段相比, 平均机械钻速提
高28%, 起到了很好的防跳、 延长钻头寿命、 提高机械钻速的效果。
其钻具组合为:
8 1/2 ″HA517+6 1/2 ″水力加压装置+6 1/4 ″NDC×1根+6 1/4 ″DC×1根+Φ214扶正器+6 1/4 ″DC×19根+5″DP
2、 塔里木油田TZ1井
该井吉迪克组上部地层的兰灰色泥岩, 岩性致密坚硬, 可钻性差。用∅ 444.5mm大钻头钻进时, 跳钻极为严重, 加之该地区地层倾角大, 易井斜, 无奈采用轻压( 80-100kN) 、 低转( 45rpm) 的措施勉强钻进。此种情况下使用了水力加压装置, 采用150-180 kN钻压、 95rpm的转速钻进, 不但有效地避免了跳钻现象, 加快了钻井速度, 而且还保证了井身质量, 起到了较好的防跳、 防斜、 加快钻速的作用。平均机械钻速比同井上部井段未使用水力加压装置时提高了25%; 单只钻头进尺明显高于相邻两口井同井段、 同型号钻头, 平均机械钻速分别提高75.4%和132%;使用液力加压装置前的最大井斜为3.7°/358米, 使用后最大井斜2°/844米。
3、 华北油田WG2井
WG2井是一口重点预探井, 设计井深5400 m。二开∅ 311.1mm钻头钻到2500 m时井斜已达7.5°, 只好采用小钻压吊打纠斜, 待井斜降下来以后, 加大钻压钻进又斜了出去, 这样重复多次, 不但降斜效果不明显, 而且严重影响了钻井速度, 不得已又采用螺杆钻具＋弯接头反抠降斜, 到3100 m时井斜降至2.5°。为保证井身质量, 又加快钻速, 下入SJ229B水力加压装置。该装置入井后采用正常参数钻进, 钻压180-240 kN, 钻到井深3224 m时, 井斜降为
0.5°。以后又连续两次入井, 最后钻到3453 m中完井深后起出。该装置累计入井3次共450.5 h, 纯钻226.5 h, 进尺353 m, 平均机速1.56 m/h( 最快时4-5 m/h, 录井人员怕漏捞砂样不允许钻速太快) , 比上部600 m机械钻速提高二、 三倍( 钻上部600 m用了两个月时间, 平均每天10 m左右) , 同比WG1井机械钻速提高51%。钻头寿命也有明显提高, 无崩断齿现象。其钻具组合为:
φ 311 钻头＋水力加压装置＋φ203NDC ＋φ203短DC＋φ308F＋φ203DC＋φ178DC＋
φ127DP
4、 塔里木油田KL204井
该井位于山前构造带, 地层倾角大( 45°〜55°) , 极易井斜, 为防井身质量超标, 一般采用钟摆钻具结构, 小钻压吊打的方式钻进, 以牺牲机械钻速来保井身质量。KL204井以防斜、 加快钻速为目的, 在二开第二只钻头下入SJ203B水力加压装置, 使用井段为592〜818 m, 钻压为120-200 kN, 既解放了钻压, 又控制了井斜, 在保证井身质量的前提下机械钻速比
上下两只钻头分别提高70.3%和145.74%, 比邻井KL201井提高77.25%, 起出钻头新度为60%。
结 论
水力加压技术是一项投入小、 见效快、 操作简便、 经济有效的实用技术。理论分析和现场实践都表明, 使用液力加压装置能够有效地起到平稳、 恒定加压、 吸震、 防跳、 保护钻头、 钻具, 延长其使用寿命、 加快钻井速度、 保证井身质量、 减轻司钻劳动强度等作用, 值得大力推广应用。由于液力加压技术还是一项没有被现场人员普遍认识、 接受的新技术, 因此推广应用此项技术, 还需要科技人员大力宣传其优越性, 需要研制人员和现场技术人员紧密结合, 共同制定符合现场实际的使用措施, 用实际使用的对比效果来表明其有效作用。科研人员要不断完善液力加压技术, 研制使用范围更广、 更加适合于现场调节的工具, 以不断拓展其
功能, 使其发挥更大的作用。