强造斜地层中扶正器简易满眼钻具的设计

1、简易满眼钻具的设计王伟湖北双环化工集团公司盐厂(湖北应城432407摘要:以盐井施工现场资料为基础,分析了产生井斜的地质、技术和工艺方面的原因及井斜的危害,对满眼钻具的防斜原理、设计和安装进行了论证和计算。实践证明,该钻具起到了控制井斜和提高钻速的作用,并对同类地层的水井施工、工程勘察、工程地质勘察等有较广泛的适用性。关键词:井斜满眼钻具盐井1前言在盐井施工过程中,由于客观地质因素的存在和技术、工艺及管理方面的原因,盐井普遍存在着井斜问题,不仅造成人力、物力、财力的较大浪费,而且严重时甚至出现井眼报废。目前,我矿区的开发速度很快,工程量很314氯化钠含量卤水中氯化钠含量越高,溶解速度越慢,出卤

2、井出饱和卤水或过饱和卤水,不但不能扩大溶腔,反而有堵塞裂隙的可能,发生这种情况,应赶快反压井。315注入水量反压井前注水井应有一定的注水量,注水量多少,可说明裂隙大小。为保证裂隙不会闭合,注水井方向的裂隙要有保证。双井水溶水力压裂各井情况都不会一样,反应的数据也不完全相同,以上所例举现象不可能反应在一对井中,在基本反应出以上情况的前提下,反压时间越早越好,因裂隙越小,在相同的注水排量下溶解速度会越快。4提前反压井应注意事项采用提前反压井的井,其裂隙都很小,而溶解的卤水饱和度又非常高,确实非常容易再结晶,造成裂隙堵塞或封闭裂隙,所以操作时要特别注意以下几方面:第一,保持地层压力,倒井时不能卸压。

3、在扩槽期间,扩槽压力的其中一部分是支撑裂隙上部地层的作用力,倒井时必须保持压力不卸,否则压开的地层就会闭合,使压裂失败。一定要遵循先关出卤井阀门,后关注水井阀门,先开注水井阀门,后开出水井阀门的原则。第二,要有连续性。倒井反压前要充分作好倒井准备工作,操作时停压、倒井、开泵要一气呵成,不能中断,停压时间在1小时以内,避免长时间停压关井。第三,卸压排卤。倒井注水后,用淡水置换出裂隙中的卤水,可取得加快扩槽连通的作用。卸压前两井压力一定要平衡,慢开卸压阀门,控制出水排量,保持地层的一定压力,绝对不允许短时间把压力降到零。第四,加大注水量,迅速溶解盐层,是扩大裂隙的关键。淡水越多,在单位时间内溶解盐

4、层越快,所以只要有条件应尽量加大注水量,即使出水含盐浓度低,也没有关系,待低压连通后再控制排水量。(收稿日期:1998105125大。为了保证工程质量,加快开发进度,设计和推广防斜打直技术是亟待解决的问题。2地层简介井田内均为第四纪地层所覆盖,主要为棕黄色、黄褐色、灰色粘土及亚粘土、粉砂岩组成。内夹数层流砂层、砾石层,一般厚度11m 153m,往东渐厚。其底部砂砾石层分布广泛,厚度9116m42169m,有15层。单层厚0135m 20130m,为本井田内的主要含水层。第四系地层与下第三纪地层为不整合接触。3现状及井斜的危害我矿区钻井的主要设备是TSJ-1000型水源钻机、T BW850/50

5、泥浆泵,配用«73m m内平扣钻杆和正阶梯三翼刮刀钻头。以优质钠化泥浆作冲洗液,正循环钻进。由于地层的软硬交替和各向异性,加上钻具结构不合理、各参数的不良配合以及钻探工片面地抢进尺,导致多次出现断钻具、卡钻等孔内事故,甚至产生严重的孔斜。如我矿区井队在1996年6月施工的某井,即因上述原因,出现严重井斜。结果三次下表层套管均遇阻。后经长时间的扫孔纠斜,才勉强下入。无论是从地质、钻探,还是采矿的角度看,井斜的危害都是很大的。首先,对钻井施工本身而言,井斜过大造成的困难是很多的。如钻柱工作条件恶化,使用寿命减少,断钻频繁,使钻速降低等。其次,井斜过大,井深就不真实,使地质资料不准确,导致

6、得出错误的结论。有时使实际开采层与设计不符,可能影响采矿率,造成资源浪费。尤其是套管不居中,丝扣强度变低,固井时水泥环不均匀,使盐井的服务年限大大缩短,将会导致资产、资源的惊人浪费。4井斜原因分析钻井工作的实践证明,造成井斜的主要原因是地质因素、技术因素及工艺因素。411地质因素影响钻孔弯曲的地质因素主要是岩石的各向异性和软硬互层。由于沉积年代不同和地壳的运动,各层、各向之间的物理、力学性质(硬度、塑性、孔隙度等均不同,钻孔延伸一旦受到硬块的阻碍,则形成促斜作用。在软硬交替地层中,产生孔斜的原因主要是产生了作用于钻头的倾倒力矩,使钻具在孔内偏倒。当钻孔遇层角超过临界值时,钻孔就顶层进;低于临界

7、值时,钻孔则顺层跑。412技术因素钻井工程的技术因素主要包括设备安装、钻具结构、尺寸等。技术因素一般是可避免的。钻具结构在钻进过程中经常起主要作用。由于井队只使用«219mm长612m的导向管,配«350mm刮刀钻头开孔,故下部钻具在孔内有较大的偏倒角。E=sin-1bl=arcsin1316200=1121b其中:b孔壁间隙(mml粗径钻具长度(mmE偏倒角(度由于操作中经常启下钻、划眼,以及钻头合金出刃大,钻具不同心等原因,易使孔壁间隙增大,会使偏倒角E增加,从而使钻孔弯强增大。同时,在加压钻井时,«219mm导向管上部的«73mm钻杆,在超过二次弯

8、曲临界钻压的轴压下被压弯,会导致钻孔产生较大的弯曲。特别是在最低工作点的钻杆,状态非常恶劣,倾倒严重,对孔斜也有很大影响。415工艺因素影响孔斜的工艺因素是多方面的,主要有钻进方法、钻进规程参数和钻柱在井下的工作状态。在钻进方法方面,各施工队都有自己积累的经验,而规程参数的控制则需要严格控制。如钻压过大,会导致钻杆弯曲,使钻头紧靠井壁的一边,此时井底钻具有了固定的倾倒方向,使钻孔弯曲。因此,钻孔弯曲是受到地质、工艺、技术等各方面的影响因素有一定的关系;它们互相作用,有时减斜,有时又使孔斜加剧。但是,技术、工艺因素是可以控制的。5简易满眼钻具的设计与论证防斜的根本任务是减小孔壁间隙,减弱钻具偏倒

9、力,破坏其固定的偏倒方向,尽可能地限制工艺、技术方面的影响,并减弱地质因素的促斜作用。当然,在目前的技术条件下,要完全没有孔斜是比较难的。但是经过人为的努力,把井斜控制在允许的范围之内,这是切实可行的。满眼钻具一般由扶正器和钻铤组成,通常有三个扶正器,其外径接近钻头直径,钻铤较长,且刚度较大。由于本次设计时将«350mm多级开孔钻头增加到5片翼片,长径比为111,有一定的导正防斜作用,故省略下扶正器,而仅用两个扶正器配«127mm钻杆的简易结构。511扶正器的设计各种扶正器的作用,都是减小孔壁间隙,由于在粘土层中钻进,需考虑足够的支撑面积和过流断面以及磨损等问题,故选择滚筒

10、式扶正器可满足上述要求。根据有关资料:间隙值在1158 4178mm为好。为此扶正器外径为«345m m (含保径合金。第四纪地层大多为粘土,易吸水溶胀,又易垮塌,这必然要求扶正器长度适中,不影响携粉效果,也不增加摩擦阻力,设计中取250mm比较合适(见图1。512扶正安装位置的计算扶正器位置对其防斜效果起到决定性的作用。如安装不当,则根本无防斜作用。51211上扶正器与钻头间的最小距离hm 的确定 确定hm一般用霍克公式和图表法。现场通常根据预先绘制的计算图直接查出。见图2所示。图1扶正器图2上扶正器与钻头的最小距离的计算图51212上扶正器与钻头的最大距离hc的确定hc的值是在给

11、定钻压下,上扶正器与钻头的最大临界距离。根据压杆稳定理论,用欧拉公式计算推导后,得出:hc=1.44IP式中:I钻柱的截面惯性矩;I=P64(d41-d42(cm4;P上扶正器以下钻柱发生一次弯曲时的临界钻压(kg;P=L1q式中:q钻杆柱在泥浆中的重量(kg/cm;L121043EIq(cm;式中:E钢的弹性模数2106106(kg/cm2。由以上公式和数据计算如下:I=P64(2839.82-915.06=94.47cm4P=2.0432.0610694.4710014.211.30.84710-2 =0.343(t=23.88(m51213上、中扶正器与钻头最合适距离hy 的确定根据理论

12、分析计算证明,当A在014 015之间时,可获得最大的横向减斜力。现场常用经验公式计算:hy=0.48(hc+hm=0.48(23.88+16=19.4(m中扶正器的安装位置:=7.65(m513简易满眼钻具的总体结构在设计满眼钻具时,必须从间隙值、满眼长度和扶正器安装位置、粗径钻具的刚度及支撑情况入手,这样才能充分发挥满眼钻具的防斜作用。我矿区井队所用钻具结构是:«350钻头+211510+«127钻杆915 (m+511210+«345(扶正器+211210 +«73(钻杆912(m+211210+«345 (扶正器+«73(钻杆

13、,如图3所示。需要说明的是:中扶正器的实际安装位置偏上,这是受 «127mm钻杆长度所限。«127mm钻杆的一次临界钻压远大于总钻压,故在加压钻进时,钻杆不会弯曲,中扶正器现在的安装位置对满眼钻具的正常工作影响不大。图3简易满眼钻具结构示意图11钻头21«127mm钻杆3、51扶正器4、61«73mm钻杆6使用情况扶正器满眼钻具自使用至今,已累计进尺400m,在使用的3口盐井的表层钻进中均获得了成功。井斜全部合格,钻速有所提高,取得了较好的经济效益和社会效益。例如CÒ-17#盐井,是我矿区二号采区的一口开发井,由矿区钻井队施工。按设计要求,表层套管需下入完整基岩中20 30m,井径为«350mm,套管规格为«244.5 10.03mm。该井于1996年11月23日开钻, 25日下午即完成第四系钻进,