21、井底增压喷射钻井系统的研制与应用.doc

井底增压喷射钻井系统的研制与应用王甲昌 张金成（中原石油勘探局钻井工程技术研究院，河南濮阳，457001）摘 要：井底增压喷射钻井技术能够提高机械钻速，是一项具有广阔应用前景的前沿钻井新技术。由中原油田钻井工程技术研究院与中国石油大学（北京）联合研制的井底增压喷射钻井系统，利用专门设计的井底增压器以及双流道PDC钻头，实现井底增压喷射钻井的目的。经多次地面性能试验表明，研制的井底增压器结构简单、原理可行、工作可靠，输出压力可达60MPa以上，且其性能参数可以调整。并对该系统在中原油田马79井进行了首次现场试验，结果表明机械钻速提高了124 ，为进一步优化与完善井底增压器与双流道PDC钻头取得了宝贵的第一手资料。关键词： 井底增压器 双流道PDC钻头 喷射钻井 试验前言自旋转钻井方式问世以来，破岩机理基本没有改变，主要采用机械应变力来破碎岩石，但能量传输、转换、分配和利用效率等问题一直未能得到很好的解决。因此，20世纪60年代以来，各国不断地研究新的方法，以求改变能量传输方式，提高能量转化和利用效率。随着液压工程、流体工程在钻井技术领域的应用，人们逐步认识到高压喷射技术的优势，并通过提高喷射压力来提高机械钻速。1985年，美国Flowdril公司开发出一种超高压射流双管钻井系统。该系统用600马力(441kW)的泵将40加仑/分(2.52L/s)的钻井液在地面加压后，通过特殊的双导管钻柱引导至钻头，从而使具有极高喷射速度的钻井液直接作用在井底，以辅助钻头进行破岩。试验表明，超高压射流辅助钻井在较深油气井中能够提高机械钻速23倍。尽管由于高昂的成本和泵送困难限制了高压射流双管钻井系统的商业应用，但其能够大幅度提高机械钻速的事实使人们看到了超高压射流的巨大潜力。受高压射流双管钻井系统的启发，国内外开始致力于井底增压喷射钻井技术的研究工作。2005年，中原油田钻井院与中国石油大学（北京）经过两年多的联合研究攻关，研制出了一套井底增压喷射钻井系统，并进行了首次现场试验，取得了阶段性研究成果。1 井底增压器的研制井底增压器是实现井底增压喷射钻井的关键设备之一。井底增压器连接在钻铤和双流道PDC钻头之间，它的作用就是利用钻井液的压力使部分钻井液的压力升高至高达60MPa。1.1 井底增压器的结构及工作原理1.1.1 井底增压器的结构井底增压器的结构如图1所示，主要由以下几个部分组成：图1 井底增压器结构示意图外部由上接头、外缸、下接头等三部分所组成；内部由换向元件、上活塞缸、二位三通阀、下活塞缸、增压缸、节流器、输出接头等七部分所组成。1.1.2 井底增压器的工作原理1来自钻井泵的钻井液经钻具进入增压工具，假定大活塞处于上位，此时二位三通阀亦处于上位，活塞腔下腔与节流器下部低压腔相通，上腔与射流元件进口相连。在节流压降静压差的作用下，钻井液推动大活塞向下运动，推动增压小活塞向前运动增压，增压后的高压液体经单流阀、高压管路输出至钻头超高压喷嘴。大活塞运动至下死点，推动二位三通阀换向，此时大活塞下腔与节流器低压端关闭，打开与射流元件下腔通道，利用射流附壁切换功能在射流动压差作用下将两级大活塞及增压小活塞推至上死点。此时增压小活塞通过单流阀进液，完成一个增压过程。如此循环，实现相对稳定的射流输出。1.2 井底增压器样机的工作性能试验2在中原油田全尺寸科学实验井上，先后对井底增压器样机进行了五次工作性能测试。在方钻杆下连接好井底增压器，然后将工具下放至钻台与地面之间，连接好各测试管件、喷嘴、压力表、压力传感器等。开启泥浆泵，观察井底增压器工作状况，记录实验数据，通过试验分析与评价，判断井底增压器工作性能。测试工作图如图2所示。 图2 井底增压器测试工作图 图3 立管压力与超高压出口压力记录曲线 除第一次因为换向元件的性能问题造成增压器不工作以外，在其它四次试验中都观察到超高压引出管输出的是非常明显的脉动射流，且有明显的雾化现象（见图2）。记录数据显示超高压出口压力高于立管压力（见图3、表1），表明增压器实现了增压要求。表1井底增压器试验结果汇总试验序号泥浆泵排量L/s试验介质介质密度g/cm3井底增压器压降MPa井底增压器出口示值 MPa117.5混浆1.051814221.5混浆1.05167090（压力表）22.5混浆1.051880100（ 压力表）321.5混浆1.051870422混浆1.051450521混浆1.0584223.5混浆1.0595025混浆1.051058.42 双流道PDC钻头的研制如图4所示，双流道PDC钻头内部结构设计不改变普通PDC钻头基本设计原理和方法，主要是在钢体PDC钻头的内部设置超高压管，上部连接井底增压器出口，下部通过钻头内加工的两个流道与超高压射流喷嘴相连，超高压喷嘴安装在钢体PDC钻头的两个刀翼上。 图4 双流道PDC钻头结构示意图3 井底增压喷射钻井系统的现场试验井底增压喷射钻井系统样机研制成功以后，在中原油田马79井进行了首次现场试验。试验井段为20412115m，地层为东营组至沙一下；钻具组合为：8 1/2双流道PDC钻头 + 180 mm井底增压器 +159 mmDC*9 +127 mm DP；钻压2040kN； 转速65rpm； 排量28L/s； 泵压16MPa；钻井液密度1.081.11g/cm3，含砂量0.3% 。本次试验，井底增压喷射钻井系统样机入井时间共12h，其中钻井液循环时间为3.8h，纯钻进时间为6.2h，总进尺74m。试验中，钻进20412109m井段时钻速较快；当钻进至2110m时，钻时大幅增加，随后又出现泵压下降，于是起钻。起钻后发现，双流道PDC钻头掉了一个刀翼；增压器解体后发现射流元件及二位三通阀冲蚀严重，动密封失效。通过分析，考虑到本次试验21102115m井段钻头已经损坏，我们只将20412109m井段试验情况与邻井同井段平均机械钻速进行对比(见表2)，机械钻速提高了124%。表2 机械钻速与邻井对比表井号钻头钻头尺寸井段（m）地层进尺（m）纯钻时间（h）机械钻速（m/h）钻井方式马64PDC215.92010-2686沙一/沙二676145.794.64转盘马66PDC215.92080-2936沙一/沙二856129.76.6复合马67钢齿215.91969-2136东营/沙一19729.546.67转盘马68PDC215.92050-2837沙一/沙二78786.39.12复合马75PDC215.91957-2727东营/沙一/沙二77054.9614.01复合合计3286446.297.36马79双流道PDC215.92041-2109东营/沙一684.1216.50井下增压机械钻速对比平均提高124%4 结论 井底增压喷射钻井系统设计原理可行，满足现场使用要求。 采用井底增压喷射钻井系统能够大幅度提高机械钻速，是一项具有广阔应用前景的前沿钻井新技术。 如何提高井底增压器的工作寿命，是目前制约这项技术发展的主要因素，也是今后研究的重点。参考文献1 张文华，汪志明，王小秋等. 射