（石油与天然气工程专业论文）负压脉冲射流提高钻速实验研究.pdf

负压脉冲射流提高钻速实验研究 孙汉梅( 石油与天然气工程) 指导教师：杨永印副教授 摘要 提高深井钻速是近年来钻井工程领域不断探索但仍未很好解决 的一个难题。负压脉冲射流提高钻速技术就是针对如何最大限度地减 少井底岩屑的压持作用、降低待破碎岩石的强度，从而实现在现有钻 井设备条件下提高钻速的一种有效方法。 总结分析了负压脉冲射流提高钻速的原理。在分析了自振阀式负 压脉冲调制器的工作原理基础上，设计出了用于钻8 5 英寸井眼的负 压脉冲射流调制器。测试表明调制器工作稳定，产生的负压脉冲波形 重复性良好。调制器的工具压降较小，对井底水力能量的影响程度低。 在现场通常排量和钻头压降条件下，射流振动频率范围在2 0 - 4 0 h z ， 负压脉冲幅值为5 6 ，5 m p a 。随钻头压降的增大，调制器振动频率和负 压脉动幅值都呈线性增加的趋势。钻进模拟实验验证了负压脉冲射流 对钻进速度的促进作用。在围压5 m p a 、负压脉i 中幅值5 m p a 条件下 模拟钻进，负压脉冲射流使钻速同比提高了1 4 2 倍，随钻压的增加， 负压脉冲射流的作用逐渐增强。制定了现场实验操作规程和注意事 项，进行了3 口并现场评价实验，相对于邻并转盘钻，可提高钻速 4 1 5 8 。 关键词：负压脉冲射流，调制器，钻进，试验 e x p e r i m e n t a ls t u d y o nn e g a t i v ep u l s e dj e t i ni m p r o v e m e n to fd r i l l i n gs p e e d s u nh a r t m e i ( o n & g a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o ry a n gy o n g y i n a b s t r a c t d r i l l i n gs p e e d i np e t r o l e u me n g i n e e r i n gi sav i t a la n dt h em o s t i m p o r t a n tl i m i t i n gf a c t o ri n f l u e n c i n ge c o n o m i c a lp r o f i t i t i so fg r e a t s i g n i f i c a n c et oo v e r c o m et h el o wp e n e t r a t i o nr a t ep r o b l e mi nd e 印w e l l d r i l l i n go p e r a t i o n s n e g a t i v ep u l s e dj e ti sa l le f f e c t i v em e t h o dt oi m p r o v e t h ep e n e t r a t i o nr a t ei nc o m m o n d r i l l i n gc o n d i t i o n sb e c a u s ei tc a nd i m i n i s h t h ec h i ph o l dd o w ne f f e c ta n dr e d u c et h es t r e n g t ho f c u t t i n gl a y e r b u s e do nt h em e c h a n i s mo fn e g a t i v ep u l s ej e ta s s i s t e dd r i l l i n ga n d w o r k i n gt h e o r yo ft h es e l f - v i b r a t i a nv a l v et y p eg e n e r a t o r ，an e g a t i v e p u l s e dg e n e r a t o rw a sd e v e l o p e df o rd r i l l i n g8 5 协c hb o r e h o l e d u r i n gt h e e x p e r i m e n t s ，t h eg e n e r a t o rw o r k e ds t a b l y , a n dp r o d u c e dn e g a t i v ep r e s s u r e p u l s e sp e r i o d i c a l l y t h eh y d r a n l i ep o w e ri n t h eb o t t o mh o l es c a r c e l y r e d u c e sb e c a u s et h ep r e s s u r ed r o pa c r o s st h em o d u l a t o ri sv e r ys m a l l u n d e rc o n v e n t i o n a l d r i l l i n gc o n d i t i o n s ，t h en e g a t i v ep u l s eg e n e r a t e d c h a r a c t e r i z e sw i m2 0 4 0 h zi nf r e q u e n c ya n d5 - 6 5 m p ai na m p l i t u d e i t h a sb e e no b t a i n e dt h a tw h e nb i t p r c s s u r ed r o pi n c r e a s e s ，t h e c o r r e s p o n d i n gp u l s ef r e q u e n c ya n da m p l i t u d ew ma p p r o x i m a t e l yi n c r e a s e p r o p o r t i o n a l l y t h er e s u l t sp r o v et h a tt h ep r o m i s i n gj e tc a l lm e r e u s et h e r a t eo fp e n e t r a t i o ni nl a bd r i l l i n gt e s t s ，w h i c hg u a r a n t e ei t se f f e c t i v ef i e l d a p p l i c a t i o n s w h e na m b i e n tp r e s s u r ei sk e p t5 m p aa n dp u l s ea m p l i t u d e 5 m p a , t h ed r i l l i n g r a t ew i t hn e g a t i v ep u l s e dj e t t i n gw i l l b r i n go u t r e m a r k a b l y1 4 2t i m e si n c r e a s e t h en e ti n c r e m e n ti nr a t eo fp e n e t r a t i o n i sg r e a t e ra tah i g h e rw e i g h to nb i t t h r o u g ht h r e e w e l lf i e l dt e s t s ，t h e o p e r a t i n gr u l e sa n dr e g u l a t i o n sa l ee s t a b l i s h e d , a n da4 1 - 5 8 i n c r e a s e i n p e n e t r a t i o n r a t eh a sb e e no b t a i n e d c o m p a r e d w i t hc o n v e n t i o n a l d r i l l i n g k e yw o r d s ：n e g a t i v ep u l s e d j e t ，m o d u l a t o r ，d r i l l i n g ，e x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：砷年月劬日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名：圣埤却 正 r 月 ， 旯 巾日 j 口日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 论文研究的目的和意义 本论文结合中原油田横向课题，开展负压脉冲射流提高钻速的相 关实验研究。 在经济全球化和国内外石油资源日益匮乏这两大因素的推动下， 油气田勘探开发不断深入，深井、超深井数量不断增加，然而深井钻 井速度低，成本高，周期长的问题非常突出，严重影响了整个油气田 的勘探开发速度。因此研究深井、超深井钻速提高的机理和技术具有 重要的战略意义。 目前提高深井钻井速度，是国内外各油气田的迫切需要。我国西 部地区的石油资源量占全国总资源量的3 8 ，而探明率仅为9 ，是 我国石油产量的主要接替地区，但是西部地区石油资源量的7 3 埋藏 在深部地层，要靠深井进行勘探和开发；东部地区是我国石油的主力 产区，浅层和中深层的勘探程度较高，深层较低，深部地层尚有5 3 亿吨的石油储量可供勘探和开发；中部地区是我国天然气的集中区， 但探明率极低，有5 2 的天然气资源量在深部地层，中部地区深井的 钻井工作量同样也将大幅度地增加。由此看来，深井钻井技术在我国 具有广阔的前景。进入2 1 世纪，我国深层钻探工作将进一步加强， 需要完成的深井比例将进一步增加，全国各油田都将面临着提高钻井 速度的迫切需要。 影响深井钻井速度的重要因素有二点：一是如何针对地层岩性特 点合理选择破岩方式或钻头类型，再根据钻头类型选择最优钻井参 数，并根据确定的钻井参数选择最佳的钻井方式，以提高传递至钻头 的机械能量和水力能量：二是如何最大限度地减少并底岩屑的压持作 用，减少重复破碎，提高能量利用率，从而实现在现有钻井设备条件 下钻井速度最快和钻井成本最低的目标【l l 。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 本论文就是针对如何最大限度地减少井底岩屑的压持作用、降低 待破碎岩石的强度，从而实现在现有钻井设备条件下提高钻井速度和 降低钻井成本目标。 1 2 国内外技术现状及发展趋势 多年来，钻井工程师和科技人员一直重视在不改变钻井液物性和 力学参数前提下实现常规钻井方法的井底降压差技术。上世纪八九十 年代，美国、俄罗斯、中国( 西南石油学院、长庆油田以及中原油田 等) 曾先后对涡流反喷降低井底压差( 涡流发生器) 技术进行研究。 试图将部分钻井液分流，使之在钻头上部形成反喷旋流以便达到降低 井底压力、减少井底岩屑的压持效应，提高钻速的目的。图1 1 为中 原油田钻井院先期设计的井底涡流发生器。其缺点在于：( 1 ) 降低了射 流的水功率，一般降低幅度高达3 0 4 5 ；( 2 ) 井底压力降低幅度小， 一般在几个大气压左右。基于以 上原因，现场应用效果不太明 显，未能得到广泛的推广应用 【2 】o 九十年代，美国能源部投 资，由t e m p r e s s 公司承担，开 始进行主流中断式的脉动降压 钻井技术的研究工作。该技术通 过在钻头上部使钻井液产生瞬 间的中断，钻井液流动动能转化 为压能来产生脉动性井底负压 差，从而降低井底待破碎岩石的破碎强度、减少破碎岩屑的压持效应， 达到提高钻井速度和效率的目的，图1 2 为美国公开的有关低压脉动 发生器的外形及内部结构设计。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 图1 - 2 负压脉动发生器 目前美国已经进行了低压脉动发生器的样机研制和性能实验工 作，台架测试其低压发生器产生的低压脉冲幅度5 - 1 7 m p a ，低压脉冲 持续时间1 3 m s 。利用模拟钻头在不同岩石中钻进实验，结果表明： 同样条件下，机械钻速普遍提高3 - 6 倍，表现出巨大的应用潜力。2 0 0 0 年美国已经研制出与8 3 钻头配合使用的低压发生器，并进行了现场 工业条件下的台架实验。在3 0 1 s 排量下连续工作3 h 无损坏现象。其 脉冲幅度为5 o 5 ，5 m p a 。由于技术保密，其并下试验及后继改进工 作还未见到相关文献报道【3 】 1 3 本文研究内容 结合课题要求和进展，本文拟开展研究内容： 1 总结分析负压脉冲射流提高钻速的机理； 2 全尺寸负压脉冲发生器的研制及性能测试： 3 负压脉冲射流提高钻速的评价实验研究； 4 现场评价试验。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章负压脉冲射流提高钻速特点 第2 章负压脉冲射流提高钻速特点 2 1 常规钻井中影响深井钻速的因素 在深井、超深井钻井中，随着井深的增加，钻进速度明显下降， 直接影响深井、超深井钻井效益。具体分析，除了钻井装备、深部高 致密硬地层或塑性泥页岩等难钻地层等不可变客观因素之外，影响深 井钻井速度提高的主 要因素包括井底压差 。8 增加和传递至井底的 能量降低等。” b o u r g o y n ea t 等 2 4 人研究指出，随井底压 姆 差的增加，钻速呈指数 关系下降：0 r o p = r o g e - 脚 式中，r o p 和 r o p o 分别代表井底压 i 弋 卜 2 856 8 4 井底压差 i p a 图2 - i 钻速随井底压差的变化规律 ( b o u 唱o y n ea t ) 差为p 和0 时的钻速。井底压差对钻速的影响趋势和程度见图2 1 【4 】。 在常规工艺钻井中，为保证井口安全，钻井液的密度通常大于地 层压力当量密度，对于油井该密度差一般为o 0 5 o 1 咖i n 3 ，气井一 般为o 0 7 o 1 5 c m 3 。此外，考虑到钻井液循环过程中环空压耗引 起的井底压力增加( 即等效循环当量密度e c d ) ，钻进过程中井底的 实际压差所对应的当量密度常为0 0 7 o 1 2g e m 3 甚至更高。由此可 见，随着井深的增加，作用在井底的正压差值线性增加。可见，深井、 超深井钻进过程中，井底压差是影响钻进速度的突出原因。 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章负压脉冲射流提高钻速特点 2 2 负压脉冲提高钻速的机理 保持井底低压或出现负压差状态( 简称“负压”) ，之所以能够提 高钻速，其原因有：一、降低井底待破碎岩石的塑性，降低破碎强度， 提高破碎效率；二、减轻或消除井底岩屑的压持效应，促使新产生的 岩屑及时脱离井底岩石母体，避免重复破碎；三、井底的压力波动对 待破碎层压差的影响。 2 2 1 负压脉冲降低岩石的破碎强度 井底岩石的受力为非均匀的三向压缩状态，假设井眼中井底的静 液柱压力为p b ，地层孔隙压力p 。则作用在井底表层岩石某点的有效 主应力： 式中：盯：法向有效应力： 盯。最大水平地应力 盯 最小水平地应力； p 6 井底液柱压力； & 井底岩石中的孔隙压力。 对于平衡压力钻井，理论上为零；对于常规油井钻井中， 用当量密度表示一般为0 ，0 5 o 1 9 c m 3 ，并且随钻井液密度的增加而 增加。两个水平主应力o - 和仃：代表了井底岩石的骨架应力。 钻进过程中，考虑到钻井液循环产生的附加压力为只，法向主 协 _ _ 一 只吒 f l = = 吖 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章负压脉冲射流提高钻速特点 应力变为： = 只一0 + 必 ( 2 2 ) 由( 2 2 ) 式可知，增加p b 或者a 匕，都将使增加。根据m o h r 强度准则( 参见图2 - 1 ) ，当薛不变时，随着最小主应力的增大， 和形成的m o h r 圆变小，对应的有效剪应力将低于破坏包络线， 岩石变得不容易破碎，即相当于岩石的塑性提高。所以，越大， 岩石的塑性越强，相当于岩石的破碎强度增高。 0o ： 图2 - 2井底岩石表面单元体受力及破碎的莫尔强度准则 而当井底出现负压差波动n ，即减小n 时，根据( 2 2 ) 式，井 底岩石的最小主应力盯：将减小。根据图2 1 ，当盯；不变时，随着最小 主应力盯：的减小，盯；和盯：形成的m o h r 翮变大，超过岩石的破坏包 络线，此时的岩石不经过施加外载荷即可能发生破碎。即当井底出现 负压差时，盯：的降低，岩石的塑性和破碎强度也随之降低。在相同 破碎载荷作用下，较低破碎强度状态下的岩石的破碎效率将提高p 】。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章负压脉冲射流提高钻速特点 2 2 2 负压脉冲促进岩屑及时脱离井底 假设井底岩石在钻头作用下，已经形成了某一骨架结构基本独立 的岩屑，而岩屑尚未脱离岩石母体，如图2 2 所示，此时该岩屑所受 到的法向压持力包括钻井液产生静液柱压力和循环压降，表示为 只+ p o ；岩屑与母体间的裂纹内流体的压力仍近似为地层的孔隙压 力巴。将整个独立的岩屑视为隔离体，那么，在圪+ 只 巴的常 规条件下，为了使岩屑脱离井底，则必须提供给岩屑一个最小水平载 荷，该载荷以应力的形式可近似由摩擦定律近似给出： i = ( 只+ p 一只+ g o ( 2 - 3 ) 其中形岩屑的重量； 掣岩屑与母体间的综合表面摩擦系数，与接触面的形状和 钻井液流体的性质等因素有关。 p b + d 岛 f 1 i j p p 图2 - 3 井底岩屑的压持效应模型 对于不同钻头钻进，也不同。采用同一种钻头和相同的钻井液 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章负压脉冲射流提高钻速特点 破岩钻进时，“值相对固定，变化不大。( 2 3 ) 式说明井底的压力 + a 只越大，岩屑脱离井底所需的水平应力载荷正越大，既压持 效应越强，岩屑越不容易脱离岩石母体，从而导致岩屑的重复破碎， 钻速越低。 当井底出现降压脉冲尼时，在降压波持续时间内，井底岩屑所 受的总压持力忍+ 配一只+ 嵋+ 降低。根据公式( 2 3 ) ，岩屑 脱离井底所需的横向载荷相应降低。尤其当低压脉冲a 圪较强，满足 忍+ 必一只+ 纰+ 矿 0 时，由( 2 3 ) 式和图2 - 3 可知，此时与 岩屑的具体表面形状无关，岩屑在井底的法向上所受的合力t 向上， 此时不但井底无“压持效应”，而且岩屑一旦产生就具有自动脱离井底 岩石母体的趋势。 2 2 3 井底压差的扩散特点 以上分析是以岩石为非渗透性为基础的，比较适合于泥页岩、灰 岩等渗透率非常低的地层。对于渗透性岩石，当井底出现压力变化时， 井底渗透性岩石内的孔隙压力将随时间和深度而变化。 假设某一时刻井底表层岩石出现压差有只。= 只。一只，即井底液 柱压力为最，地层压力为只。；该压差向井底渗透性岩石内部的传播 规律符合一微不稳定热传导傅立叶方程，则t 时刻深度z 处的压力只 的变化符合如下热传导方程： 堡一j ，_ 竺l ：0 ( 2 - 4 ) 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章负压脉冲射流提高钻速特点 式中z _ 干专播位置坐标，即以井底面为基点深度； k 孑1 隙岩石的渗透率： 肼流体粘度； 西岩石孔隙度： c 孑| 隙流体压缩性。 边界条件为：z = 0 ；p p ( o ，f ) = = 己。一只。 ( 2 5 ) 初始条件为：f = 0 ；0 ( z ，o ) - - 0 。 ( 2 6 ) 数学物理方程( 2 4 ) 式在定解条件( 2 5 ) 和( 2 6 ) 下，有标准 形式的通解： 0 = 0 0 一只。( 1 一e 矿( ) ) 或嚣= 删 榔巾鬈培 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 由( 2 7 ) 式可以看出，对于一定空隙度和渗透率的井底岩石， 井底岩面以下岩石不同深度处的压力p 是深度坐标z 的函数，也是时 间r 的函数。也就是说，井底岩石不同深度处的压力p n 与井底表面的 液柱压力e 之差是扩散时间的函数。( 2 8 ) 式表明，随时间增加， 己( z ，f ) 逐渐趋于并底表面液柱压力r ，即压差只= 0 一只随时问延 长逐渐由只。趋于零，压差效应消失。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章负压脉冲射流提高钻速特点 因为井底岩石内部的压力p 是深度和时间的函数，对应于不同的 深度，压力只具有不同的衰减变化特点。根据破岩特征，可以取破岩 特征厚度z c l = l m m 和z c 2 = 5 m m 为分析井底待破碎层上下的压差变化， 图2 4 图2 - 6 分别为在不同渗透性地层钻进时，井底待破碎层的压 差变化趋势( 不同的地层渗透性参数见表2 1 ) 。该变化趋势说明：( 1 ) 在井底待破碎层提供一定的压差( 无论正负) 后，经过很短时间， 该压差就衰减到初始压差的2 0 ；( 2 ) 岩石渗透性越强，压差衰减越 快；( 3 ) 待破碎层越薄，压差衰减越快。 表2 1 不同岩性地层岩石的物性参数分类 地层 地层岩性 孔隙度范围渗透率范围 分类 ，x 1 0 3 u m 2 1 类高渗透岩类 1 2 2 02 0 7 0 2 类中渗泥页岩沙岩等 8 1 02 1 0 3 类低渗透岩类5 1 0 0 1 1 ( a ) 特征厚度l m m( b ) 特征厚度为5 m m 图2 4i 类高渗透岩类井底压差扩散随时问的变化特点 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章负压脉冲射流提高钻速特点 ( a ) 特征厚度为i m m( b ) 特征厚度为5 m m 图2 52 类中渗透岩类井底压差扩散随时间的变化特点 图2 - 63 类低渗透岩类井底压差扩散随时间的变化特点 假设井底实现脉动性的低压，使井底( 以破岩特征厚度为准) 压 力出现高低交互变化。同时脉冲低压的持续时间控制在初始衰减特征 时闻左右( 对应于井底破碎层的负压差状态) ，而相邻两个负压脉 冲之间的间隔时间( 即高压力状态) 大于k ，则可以有效提高井底 压力脉动的作用效果。使负压脉冲持续时间控制在初始衰减特征时间 左右，主要是保证低压差的有效性；要求脉冲之间的间隔时间大 于，目的在于使井底破碎层内因扩散而降低后的压力在相继的超 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章负压脉冲射流提高钻速特点 压差状态下得以有效的恢复，从而在下一个负压脉冲到来之时，重新 在井底待破碎层形成尽可能大的负压差。这样就充分利用井底岩石的 渗透性质使井底的低压得到有效的利用，促进井底岩石的高效破碎和 岩屑的快速脱离井底，达到提高钻速的目的。 以压差在岩石破碎层上下衰减为初始压差9 0 时的时间为初始 衰减特征时间，以压差衰减为初始压差2 0 时的时间为衰减终止 特征时间正。，则可以根据特征时间来分析压差对井底岩屑的压持效 应。根据不同地层中的压差扩散随时间的变化特点，将图2 4 、2 4 和图2 - 6 对应于不同地层参数的特征时间瓦和列入表2 - 2 。 表2 - 2 不同地层渗透特征的压差扩散特征时间 地层特征厚度 特征时间t 9 0 s特征时间t 2 0 s 序号 m m z i = i矗- 2 2 5 e 一7吃= 9 7 e - 6 1 类 z z = 5焉= 5 7 3 e 一6毛_ 2 4 e - 4 z l = l毛= 1 3 4 e 一6e o = 5 6 4 e 一5 2 类 z 2 = 5毛_ 3 3 4 e 一5砭= 1 4 e - 3 z i = i毛= 1 8 9 e 一5乏o = 5 6 e 一4 3 类 z 2 = 5磊= o 0 0 0 5砭= o 0 1 4 根据表2 2 ，对于常见的大多数低渗透性3 类地层来说，对应于 特征厚度5 m m 的特征时间毛和焉在数十至数百微秒，即在该时间 段以内，井底待破碎层的压力降低幅度较小，其上下仍保持有较大的 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章负压脉冲射流提高钻速特点 负压差；而特征时间死在数个至数十毫秒，表示当负压脉冲过后的 数十毫秒内，岩石待破碎层内的压力随井底压力升高逐渐得以恢复， 接近或恢复到无负压脉冲时井底的稳定液柱压力，这样就保证了在下 一个负压脉冲出现时，在井底岩石的特征厚度上下重新产生较大的负 压差。 对于具有中高渗透特征的1 、2 类地层，若要充分提高负压脉冲 的作用效果，根据表2 负压脉冲间隔时间应该低于毫秒级，而负压脉 冲持续时间应为微秒级。这样短促的负压时间，对破岩和促使岩屑离 开井底实际意义不大。根据岩石破碎学观点，对于大多数岩石而言， 其破碎过程( 裂纹扩展) 的时间为微秒级，而岩屑分离的动力学启动 时间基本为毫秒级。因此，对于高渗透地层，从岩屑脱离井底的动力 学过程考虑，取岩屑脱离井底的动力学启动过程时间为低压持续时间 比较合理。因此，在设计脉冲调制器时，统一根据低渗透特征的特征 时间调整负压脉冲的特征参数是可行的。 假设脉动器激发产生负压脉冲的周期范围为2 0 4 0 m s ，相当于 调制器的振动频率为2 5 5 0 h z ，负压脉冲维持时间为1 2 m s ，则对 于高渗透地层和低渗透岩石都可以保证负压差的作用效果。 2 3 本章小结 本章通过对负压脉冲射流提高钻速的原理分析，总结如下： 1 降低井底压力或实现井底负压差可以降低井底岩石的破碎强 度，有利于提高破岩效率。 2 降低井底压力有利于克服井底岩屑压持效应，促进钻速提高。 3 由于地层的渗透性地层，井底液柱压力与地层压力之差传统 的并底压差不能有效反映井底待破碎或岩屑的压持效应，不是真实的 有效压差。井底脉动性负压脉冲更有利于在井底待破碎层上下重复建 立有效的负压差，从而更有利于钴速提高。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章负压脉冲调制器的研制 第3 章负压脉冲调制器的研制 3 1 自振阀式负压脉冲调制原理 3 1 1 射流脉冲调制的常规方法 a f c o r m 总结了调制射流产生脉冲的常规方法。将其分为：动力 活塞激励法、机械震荡阻断法、附壁射流换向分流法、风琴管声学自 振法及h e l m h o l t s 声学自振法等。各种方法根据其原理具有不同 的优缺点，见表3 1 【7 】。 表3 - 1 不同射流调制方法及其特点对比 方法示意图特点 效果好；但系统复 巷誊g 淹 杂，适合于结构不 动力活塞 翡t 螽 受限制，空间许可 激励法 的情况( 如水炮) 。 结构紧凑，适合于 机械震荡 小空间应用；效果 一 岱 阻断法 好坏与振荡性质 和参数有关； 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章负压脉冲调制器的研制 调制分流为两束 附壁射流 黪黼鳞 脉冲射流，结构复 换向分流杂；效果好。如： 法射流冲击器依靠 该原理换向。 风琴管声 结构简单，脉冲特 学自振法 性与设计尺寸参 数关系密切。射流 及 压力和速度的脉 ，_ 、 h e i m h 0一，l _ j 暖联巧 i j s 声 动频带宽，主频不 明显。低压形成效 学自振法 果相对差。 若将射流脉动的各种调制方法应用于钻井，还必须重点考虑如下 重点因素： ( 1 ) 大部分钻井液必须流经井底，完成携带岩屑、冷却钻头和 防止钻头泥包的任务： ( 2 ) 脉动调节器使用后，必须保证钻具和环空内的自然畅通， 不影响起下钻作业，不存在施工安全隐患。 ( 3 ) 结构适合于小尺寸管状结构； ( 4 ) 以压力调制为主，实现并底的脉动性压力降低。 根据以上各种射流调制方法对比和钻井工艺的实际要求，井底脉 动性低压的实现方法确定为机械阻断式调制方法碍1 。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章负压脉冲调制器的研制 3 1 2 负压脉冲调制机理 根据表3 1 ，脉冲射流的调制机理分为压力波调制和剪切波整流 两大类。射流低压脉冲调制是指在淹没条件下使喷射速度瞬间发生变 化，促使射流中产生压力波的激励过程。剪切波整流是指通过一定模 态和频率的扰动促使射流中具有相关频率的不稳定剪切波得以发展、 合并最终形成大涡环的激励方法。前者调制压力波，属于纵波整流， 射流中可产生频率相对固定的压力波；后者调制的是涡，属于波涡耦 合整流范畴，射流中静压力变化不大，速度或动压力发生波动，波动 振幅有限，频带宽。因此，若使射流产生一定频率的压力脉动，必须 采取压力波调制。 压力波动在管道输运工程中是极力设法避免的有害现象，如管道 流体在某处瞬间启闭时，在上下游分别产生水击增压波或降压波，容 易导致上下游管道的爆裂和塌陷。而低压脉冲射流的调制正是利用这 一瞬变流原理来调制射流的低压波，变害为利，从而改变井底岩石的 应力状态和塑脆性，促进井底岩石的破碎效率和岩屑及时脱离井底， 以促进钻井机械速度的提高【9 l 。 根据瞬变流原理，管道内的压力波动与流体性质和流动状态有 关。当流量产生瞬间变化时，下游产生的水击压力波动可由动量定理 得出： p ：伊矿( 1 + ! 型：) - i 式中p 一介质密度： a 设速： 卜速度变化 初始速度。 6 ( 3 1 ) 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章负压脉冲调制器的研制 其中波速a 同样由动量定理得出： 口：墨!旦(3-2) 1 + 饵彳) ( 爿即 其中e 流体体积弹性摸量 a 流道面积； 1 a 压力引起的流道面积变化； 对于刚性流道a z 0 4 a 而 ( 3 3 ) 由( 3 2 ) 和( 3 3 ) 式得出刚性流道中流速变化与水击压力波的 关系： a p = a v n 7 西o + v _ o e + a fp v ) ( 3 4 ) 当流动瞬间变化矿= 一时，有： a p = a v 4 ；e ( 3 5 ) 式( 3 5 ) 给出了流体流动瞬间停止和开启时在等直径刚性流道 下游所产生的压力升降值，因压力波为纵波，所以实际产生的水击压 力大小与流体流动启闭过程的持续时间t 关系很大，而且不同时刻不 同位置处的压降值由直接压力波和反射波的叠加确定。如下游限流流 道的长度为l ，当t l l a 时，压力波尚未传到末端，无反射波，压力 值与位置有关，阀门处最大【l 。 假设钻头短节内有一定速度的钻井液，在脉动调制器阀体瞬间关 闭时，根据( 3 5 ) 式估算，阀下游液流中产生的水击压差近似为： 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章负压脉冲调制器的研制 a p = vp 4 - 历- ；其中v 为流速。在钻井作业过程中以泥浆排量2 51 s ( p = 1 0 4 0 k g m 3 ，e = 2 0 g p a ) ，a p = 5 5 s p a t 1 。 3 1 3 自振阀式调制器工作原理 从原理上讲，井底脉动低压调制器的设计可以两种方式来实现钻 井液主流的瞬间中断：一是液动旋转封隔；二是往复阀振动端部封隔。 考虑到密封及参数控制，后者比较易于实现，是本设计的主要思路和方 案【12 1 。图3 - 1 为所设计的实验用样机剖面和阀件运动示意图。 如图3 - 1 ，调制器通过上下两阀体在液压作用的上下运动，实现 主流的瞬间中断来达到压力的调制目的【1 3 】。其工作原理如下： 1 初始状态( 图3 1 ( a ) ) ，上下阀体位于下止点，主流道开通， 代表了开泵初时的阀体位置以及起下钻、接单根等停泵时的工作状 态。此时，钻井液主流经过下阀阀心的通道流向下部钻头，实现钻杆 内流体流道的自然畅通。该状态下井底压力为泥浆液柱所产生的静液 柱压力。 ( a )( b ) ( c )( e ) 图3 - 1 调制器内部阀运动示意图 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章负压脉冲调制器的研制 2 关闭过程态( 图3 1 ( b ) ) ，上、下两阀体由于各自上下面积 差的存在( 下端截面积大，上端截面积小) ，在一定的泵压作用下， 各自上行。该过程的前期基本不影响钻井液的流动，井底的压力状态 同于初始状态( 1 ) 。 3 关闭状态( 图3 1 ( c ) 和( d ) ) ，上下两阀体上行过程中， 由于上阀体行程较短提前处于上止点，当下阀体继续上行至上止点附 近时，逐渐关闭钻井液主流。尽管此时下阀体上行有一定的阻力，但 在惯性作用下仍能继续上行，逐渐完成主流的关闭。此时由于主流的 迅速关闭，在下阀体上端处产生瞬时的低压波，该低压波随时间的延 长逐渐向下游传播至井底，该波传播所到之处，压力由原来的压力状 态变为低压状态，如果该低压状态的压力等于地层压力，则井底出现 平衡压力状态；当压力低于地层压力时，井底呈现负压状态。 低压的持续时间是通过上下阀体的分离，开启主流来实现的。在主 流处于关闭状态时，上下阀体在钻井液的推力作用下开始共同下行； 行至上阎体的下止点后，下阀体继续下行与上阀体分离，实现主流的 开通。在主流开通之前，井底压力状态保持为低压状态【14 1 。 4 主流开通( 图3 1 ( d ) 和( e ) ) ，下阀体与上阀体分离，即 主流开通后，脉动器内部的压力由原来的低压状态恢复到原来压力 值，井底的低压状态也随之恢复到正常的压力状态。在上下阀体分离 状态下，上阀体在泥浆液压的作用下( 上下截面积不同) 进行步骤1 ； 下阀体下行过程中，在泥浆液压作用下( 上下截面积不同) 逐渐克服 下行运动的惯性，直至下行运动速度降为零，至此脉动器上、下阀体 运动完成一个循环。之后重复步骤l 实现井底的脉动性低压【1 5 】。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章负压脉冲调制器的研制 3 2 自振阀式调制器设计 3 2 1 全尺寸负压调制器的特点 根据自振阀式调制器的工作原理，所设计的井底低压调制器见图 3 2 。 图3 - 2 全尺寸调制器试验图片 该工具具有如下特点： ( 1 ) 直接连接钻头，替代钻头短节； ( 2 ) 负压脉冲射流的产生由钻井液流动驱动，不需其他动力； ( 3 ) 设计有环空节流保压短节，与脉冲调制部分设计为分体式。 3 2 2 全尺寸负压调制器规格 全尺寸8 5 英寸工具的规格参数如下： ( 1 ) 节流短节长度3 6 0 m m ，外径：2 1 0 r a m ； ( 2 ) 本体外径：1 8 0 m m ： ( 3 ) 工具总长：1 5 0 0 m m 。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章负压脉冲调制器的研制 3 3 调制器工作性态实验 3 3 1 实验原理 基于自振阀式低压脉冲射流调制器工作原理的分析得出，当上、 下阀关闭时，上游来流中断，下阀腔室内的液体在惯性作用下继续流 动，使得腔室内的压力值降低；当上、下阀开启时，液体进入下阀腔 室，从而使得腔室内的压力值升高。因此可以利用压力传感器可以测 试下游低压幅值的变化，通过计算机以波形图的形式显示，根据波形 的变化特点确定脉动低压的波动范围和特性。 实验系统主要包括：高压供水系统、自振阀式低压脉冲射流调制 器、b & k 声压测试系统、压力表、压力传感器。实验系统如图3 3 i i “。 图3 - 3 脉动低压测量实验系统 l ，计算机2 b & k 声压力测试仪3 压力传感器4 调制器上阀腔室5 调制 器下阀腔室6 水箱7 高压水泵8 高压软管9 压力表，l o 调压阎。 3 3 2 调制器工作特性实验结果 通过在定排量条件下，在调制器下游建立节流，不同的压力来模 拟钻头压降，考察钻头压降对振动特性的影响。当排量为8 1 s ，钻头 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章负压脉冲调制器的研制 压降为5 m p a 时测得射流的压力波形为图3 - 4 。在模拟钻头压降 5 - 1 0 m p a 范围，得出的振动特征见表3 2 和图3 5 【1 7 i 。 o 。： ，；：- _ i i + j i ， 。j l “w “f牲埔i h ，j 7 i l ， ur 剐m ? 4 。k帆w 黻、 ， i l n 7 i ii i l 7 l l i l i l o “哥“ 图3 _ 4 射流负压脉冲波动图( 钻头压降5 m p a ，排量8 f s ) 图3 4 为在调制器稳定工作时测量的1 秒时间内的压力波形。由 图可以看出，调制器调制出的负压波比较稳定，负压波为短脉冲形式， 幅值大小为5 m p a 左右。同时在每个负脉冲之后，紧跟着一个正脉冲， 幅值为2 - 3 m p a 。压力脉冲的波形重复性较好，说明调制器具有工作 稳定性 1 3 】。 表3 - 2 和图3 5 、6 为保持排量不变，在5 - 1 0 m p a 范围变化钻头 压降，得到的振动特征随钻头压降的变化特点。数据说明振动频率和 负压脉冲幅值基本上与钻头压降呈线性增加关系。在钻头压降 5 - 1 0 m p a 范围，振动频率的波动范围为2 8 4 7 h z ，负压脉动幅值为 4 5 7 3 m p a 与设计指标相符 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章负压脉冲调制器的研制 表3 - 2 调制器工作特性实验数据 钻头压降m p a 56789 1 0 脉冲幅值m p a 4 55 05 66 26 87 3 脉冲频率h z 2 83 23 53 84 34 7 5 0 4 0 褂3 0 羹2 0 垂1 0 o l ，一一一一r 一 5 678 91 0 钻头压降m p a 图3 - 5 负压脉冲频率随钻头压降的变化 567891 0 钻头压降m p a 图3 6 负压脉冲幅值随钻头压降的变化 表3 3 为调制器工具上下游压差随钻头压降的变化。可以看出， 自振阀式低压脉冲射流调制器上游与下游测得的压力值变化较小， 表明该调制器本身的节流压降或工作驱动压降较低，对井底水力能 5 7 5 6 5 5 5 4 7 6 5 4 皇逾罂是堑 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章负压脉冲调制器的研制 量的影响程度可忽略不计，该特点有利于在恒定地面泵压下提高钻头 压降【2 0 】。 表3 - 3 调制器上游、下游压力测量结果 上游压力m p a 5 16 17 28 2 9 21 0 3 下游压力m p a 567 89l o 压降m p a o 1o 10 20 20 20 3 3 4 本章小结 1 分析了自振阀式负压脉冲调制器的工作原理，设计出了用于 钻8 5 英寸井眼的负压脉冲射流调制器。 2 在模拟条件下，对调制器的工作特性和稳定性进行了试验。 调制器工作稳定，产生的负压脉冲波形重复性良好。 3 随钻头压降的增大，调制器振动频率和负压脉动幅值都呈线 性增加的趋势。在钻头压降5 - 1 0 m p a 范围，振动频率的波动范围为 2 8 - 4 7 h z ，负压脉动幅值为4 5 7 3 m p a 与设计指标相符。 4 调制器的工具压降较小，对井底水力能量的影响程度低。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章模拟钻进台架实验及现场评价实验 第4 章模拟钻进台架实验及现场评价实验 4 1 模拟钻进台架实验 4 1 1 实验设备 脉冲水射流辅助破岩钻进的室内实验在中国石油大学( 华东) 高压 水射流研究中心中围压实验架上完成( 见图4 1 ) 。围压条件下负压脉 冲辅助破岩钻进实验的设备主要包括：高压泵组、管路及阀门、中围 压实验台和数据采集系统、负压脉冲调制器、小型钻头等。 分 圈4 - 1 中围压钻进模拟实验系统 中围压钻进模拟实验台及数据采集系统的构成主要包括四大部 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章模拟钻进台架实验及现场评价实验 ( 1 ) 机械系统 机械系统由底梁座、上横粱、活动梁、井筒、高压釜等主要部件 组成。其中活动梁为实验台井筒钻杆及驱动装置和移动导向构件，井 筒为实验台高压水射流的执行构件，高压釜为实验台形成围压和及其 测试传感机构部分。 ( 2 ) 液压系统 液压系统主要有两大作用。一是通过两个同步缸的推动调节井筒 内钻杆的位移、进给和所承受的钻压。二是利用专用油缸实现高压釜 的升降。 ( 3 ) 计算机测控系统 计算机测控系统主要由计算机、控制板卡、显示器、传感器转换 单元、系统供电和连接电缆构成。其主要作用是控制液压系统和机械 系统和实验参数。 ( 4 ) 软件系统 软件系统主要的作用是实现数据采集、数据处理、控制运算和操 作界面等功能。 中围压实验台及数据采集系统可以实现围压条件下的破岩钻进 模拟和射流冲击力场的测量两大功能，对某些关键参数如钻压、转速、 送进的监控通过液压司服泵站实现了计算机自动控制：尤其在围压参 数控制方面，通过采用高压漩流技术清除岩屑固相颗粒，采用硬质合 金控制阀保证了围压参数的可靠性和稳定性。数据采集系统可同时监 控和记录各种实验参数和动态结果，可由同一块岩样完成各种不同参 数条件下的动态破岩实验 2 l 】。其主要技术参数如下： 工作压力o 4 0 m p a 围压调节o 2 0 m p a 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章模拟钻进台架实验及现场评价实验 流量o 5 i s 中心杆扭矩 3 0 0 n m 中心杆转速6 2 0 0 r p m 采样速度3 0 0 k h z 喷嘴位移精度 o 5 m m 喷嘴对应测点