旋冲钻井技术在石油钻井中的应用.doc

旋冲钻井技术在石油钻井中的应用?8?钻采工艺DRlULING&PR0DUCnONTECHN0LJ)G,2005年1月an.2005旋冲钻井技术在石油钻井中的应用王雷,郭志勤,张景柱2,谈献英(1大港油田集团钻采工艺研究院2大港油田集团定向井技术服务公司)摘要:旋冲钻井技术近年来已成为石油钻井界广泛关注的热点研究课题.被认为是解决深井硬地层钻进难题的最有效方法之一,具有良好的应用前景.本文介绍了国内外该项技术近期研究的进展和应用情况,侧重对DGSC型液动冲击器原理及应用情况进行了表述.关键词:旋冲钻井;气动冲击器;DGSc型液动冲击器中图分类号:TE242文献标识码:A文章编号:1006768X(2005)010O0803一,旋冲钻进原理及特点旋冲钻井原理是在普通旋转钻进的基础上,再加上一个冲击器.冲击器是一种井底动力机械,一般接在井底钻头或岩心管的上端,依靠高压气体或钻井液推动其活塞冲锤上下运动,撞击钻头,钻头在冲击动载和静压旋转的联合作用下破碎岩石.冲击动载使得岩石中裂隙扩张,并形成大体积的破碎,提高了破碎岩石的速度.其主要技术特点是:(1)岩石的破碎是受钻头的冲击压入和回转刮削联合作用完成的.(2)在较坚硬的岩石上,旋冲钻进基本上是体积破碎,不是研磨破碎,因此具有更高的钻井效率.(3)由于是高频冲击破碎,破岩时间极短,硬岩岩性变化对破碎效果影响不大.在钻头上不易形成偏斜力矩,因此形成的井眼规则,质量好.(4)高频冲击破碎使岩石对钻头的研磨相对减少,钻头寿命相对延长.(5)由于破岩方式是利用高频冲击和回转实现的,因此,钻进过程不必采用过高的钻压和转速,钻柱受力情况也相应得到改善.二,旋冲钻进技术的国内外发展现状基于旋冲钻井高效的碎岩机理及其技术特点,自从该技术诞生以来,发展速度很快,并很快应用于矿山,采石,地质勘探,水文水井,石油钻井,地热钻井,工程施工及工程勘察等领域.冲击器是冲击旋转钻进的关键设备,目前世界各国的冲击器种类繁多.按其动力方式冲击器一般可分为液动冲击器,气动冲击器,电动冲击器,气液混合及机械作用式冲击器,但在石油钻井领域研究应用最多的还是气动和液动两种.1.气动旋冲钻进技术气动冲击器其动力介质为压缩空气.40年代末,气动冲击旋转钻进出现在采矿工业中,它之所以在西方国家得到广泛应用,是由于车装钻机使用牙轮钻头钻进硬岩层时无法满足所需的钻具压力,特别在较大井径时,问题更大.1.1气动冲击器分类根据其配气的方式可分为有阀式和无阀式两大类.有阀式指推动活塞上下运动的压缩空气是由配气机构的阀片控制的.无阀式潜孑L锤是利用布置在活塞和缸体侧壁上的配气系统控制活塞往复运动.1.2气动中击器主要特点(1)气动冲击旋转钻进与液动冲击旋转钻进相比,前者由于介质密度低,气柱的静压力小,岩石更易于破碎;(2)上返风速高,井底干净,岩屑不产生重复破碎;(3)钻进效率更高,比液动冲击旋转钻进高25倍.(4)气动冲击器不仅可以用单一压缩空气作为收稿日期:20040823;修回日期:2005一OllO基金项目:液动冲击钻井及配套钻头研究课题是cNPc重点科研项目气体钻井技术研究的分项目之一.编号:03B2070505:作者简介:王雷,1991年毕业于大港石油学校钻井工程专业.现在大港油田钻采工艺研究院从事科研及钻井设计工作.助理工程师,近年参加了液动冲击钻井技术研究及多次试验工作.地址:(300280)天津市大港油田钻采院钻井所,电话:02225925320.25925321Email:wangleidgzcy126.coin第28卷第1期V01.28No.1钻采工艺DRJJNG&PR0DUCn0NTECHN0LOGY?9?介质,也可以用不同类型的气液混合介质配合使用.1.3气动旋冲钻进技术发展现状十八世纪中叶(1857年)意大利工程师巴特里特首次发明了以压缩空气做为动力介质的世界第一台风动凿岩机,开创了潜孔锤(冲击器)钻进的新纪元.加拿大一项使用空气锤的记录表明,只用166个纯钻时,在244.5井眼内钻深达到1738m.国外由于空气钻井的广泛应用,其工具发展速度较快.目前在气动旋冲钻进技术研究领域,美国英格索兰公司比较先进.其生产的气动冲击器多达40余个品种及型号,可钻孔径范围901980mill,研制了三牙轮,金刚石,平底式等多类型冲击钻头,而且其配套钻机,空压机,附属设备与工具也比较成熟及系列化,可与多种施工工艺相结合,适应不同地层进行有效的钻进.我国从1958年开始研究风动冲击器及其钻进技术,已研制成功多种类型,多种型号的冲击器.典型的有嘉兴冶金机械厂研制的J系列阀式气动冲击器,JG及w系列无阀式气动冲击器;吉林大学建设工程学院研制的WC系列低耗风量及C,Q系列贯通式冲击器.但其应用范围目前主要用于矿山,采石场,筑路等工程钻凿爆破孔,钻凿水井,滑坡防护,坝址加固,锚杆等工程孔等.该技术在国内石油钻井领域的发展,受空气钻井技术发展的限制.由于空气钻井技术要求高,设备配置较多,投资大,该技术在我国的发展曾一度较缓慢.随着近几年空气钻井技术的发展应用,气动旋冲钻井技术也得到了国内各研究机构的重视,但目前还是处于研究阶段,未见应用成果的报道.2.液动旋冲钻进技术液动冲击器是利用高压水或钻井液作为动力介质,其应用已有上百年的历史.继软地层采用牙轮喷射钻井技术取得重大突破并获得十分显着的钻进效果后,液动冲击旋转钻进技术被认为是解决深孔硬地层钻进难题的最有前途的方法之一.2.1液动冲击器分类液动冲击器按驱动介质分水力和高压油两种.石油钻井是以水力为驱动介质,其又分为阀式正作用,阀式双作用,阀式反作用,射流式,射吸式等.2.2液动冲击器主要特点(1)液动冲击器与气动冲击器相比较,能量利用率高,动力设备小,燃料消耗低;(2)设备投入少;(3)其驱动介质为钻井液,携岩能力强;(4)液动旋冲钻进技术基于目前流体钻井的广泛性,在石油钻探领域适应性强.2.3液动旋冲钻进技术发展现状19001905年:俄国工程师B.沃尔斯基设计了几种石油钻井液动冲击器,他是液动冲击钻具作用原理的的第一位理论研究者.由于液动冲击器靠高压冲洗液驱动,有利于其在深孔中使用,因此近年来再次成为各国钻井专家广泛关注的热点研究课题.目前,国外的美国novatek公司,德国克劳斯塔尔工业大学深钻研究所,日本TONE公司,斯派里森钻井服务公司,挪威国家石油公司,澳大利亚SDSDIG.GER钻具公司等都在开展该项技术的研究,其研究主要以各类型阀式冲击器为主.我国在液动冲击旋转钻进的理论研究方面较国外有一定差距.但是,基于国内流体钻井的广泛性反而在其产品的研制开发方面优于国外,除研制成功与国外相应的各种类型阀式液动冲击器,还创造性发明了射流式冲击器,射吸式冲击器.国内主要研究成果如:国土资源部勘探技术研究所研制,大庆油田石油钻井研究所,石油大学研制,长庆石油管理局钻采工艺研究院研制的不同类型阀式液力冲击器;西安石油学院研制的射吸式双作用液动冲击器;大港油田钻采工艺研究院及德州石油钻井研究所研制的液动射流式冲击器等等.P图1射流冲击器工作原理示意图l射流元件2缸体3活塞4冲锤5砧子6外管7钻头P,F信号孔c,E输出道三,DGSC型液动射流冲击器DGSC液动射流式冲击器是以一个双稳的射流元件作为控制机构,由于双稳射流元件具有附壁和切换的特性,可控制流体按一定的规律进入冲击器活塞工作腔体的上腔和下腔,从而推动活塞冲锤作上下往复运动.1.工作原理及特点其基本结构及工作原理如图1所示.水泵输出的高压水,经钻杆柱输入元件1的喷嘴时产生附壁?lO?钻采工艺DRIU_JNG&PR0DUCrIONTECHN0UY2005年1月Jan.,2OO5效应,若先附壁于右侧,则由E输出进入缸体2的上腔,推动活塞3及冲锤4下行撞击砧子5,完成一次冲击.在E输出同时,反馈信号回至F控制孑L,在活塞行程末了使主射流切换附壁于左侧并经c进入缸体的下腔,推动活塞及冲锤回程,同样在c输出的同时,反馈信号又回到D,将主射流切换到右侧,如此往返,实现冲击动作,上下缸体内回水,则通过c,E输出道而排到放空孑L,再经水道到达井底钻头,冲洗井底后返回到地表井口.其特点为:(1)结构简单,运动部件少,除活塞冲锤外无其它运动零件,工作寿命长;冲击器工作不受井深及围压的影响,可应用于深井钻井.(2)根据不同的地层,井深,钻井工艺,冲击器工作性能参数可以大幅度调整,而其工作的稳定性不受影响;冲击器的单次冲击功可大幅度提高,可优选使用金属密封的镶齿牙轮钻头,并可配套硬质合金球齿钻头,实现全面的体积碎岩.2.应用效果DGSC型冲击器通过在国内玉门,四川,冀东等油田和北京地区进行了20余次人井试验应用(见表1),机械钻速均提高在30%以上,射流元件寿命可达到150h以上应用.表lI)GSC液动射流式冲击器试验应用条件及指标对比井眼尺寸井段地层及钻头钻压转速排量泵压纯钻时间钻速钻速对井号/mm/m岩性型号/t/r.min一1/L?s一1/MPa/h/m?h一1比/%*l356l37lm637686555l214l3.251.13怀热13l1.1安山岩36.1137l1379.5HA63786555lll0.250.83Iol*l49I6l677P2214166554l78.521.33l1.1细砂岩83.6Io一4l60r7l764P22l86555l8.5l3.5l1.6*252466.6志留系26l579.82.69窿114374.6粉砂岩XHP2C55424485252及白云岩25l089.31.87*212.19234.o7酒泉组3555609.6l5.651.4祁1444.5砾岩夹花岗XP2C3555.5234.o7296.28岩,石英砂岩35283o4.268.850.92606.722644.77志留系下H.1537Gl7.584.830.4531.1金海13l1.1*67.砣一27l9.79统灰绿色HJ537G4l250523845l888.250.59和2644.772667.32板岩U5l7Gl7.564.830.3568.6须家河l2.5龙会43l1.1*l55ll563.SH33RGl0l5505545486.381.8857细砂岩l4.5注:1.带*为使用了液动冲击旋转钻井技术的井段;2.祁1井,金海1井使用的液动冲击器为DGSC一229型;其他均为DGSC一203型:3龙会4井钻进速度与同地区在该地层最好水平1.2m/h进行对比.四,旋冲钻进技术在石油钻井领域的发展方向(1)冲击器的直径由小到大,形成系列化产品,并向多工艺方向发展,以全面解决石油钻井硬岩钻进难题;研究适用于超过3000m的冲击器产品,增加冲击器的使用寿命和可靠性并向大单次冲击功发展,以满足深部勘探开发的需要.(2)旋冲钻井配套的钻头研究,设计,优选适合旋冲钻井使用的钻头,更大地提高该技术的推广应用;冲击器的应用范围更加广泛,