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        深井鉆井提速技術:螺桿、減震、射流、清泥漿等

        發布時間:2020年12月15日
        來源:油媒方公眾號(2020-12-14) 作者:翁行芳

        摘要:本文立足深井鉆井技術現狀,研究了技術應用中存在的設備相對落后、易出現井斜和井漏等問題,以及鉆井提速中存在的地層狀況復雜、恒溫較高、鉆頭難加壓等技術難點,對井下螺桿增壓、減震增壓、射流增壓、輕泥漿提速、虛擬強度指數比能優化、復合鉆井等鉆井提速技術措施進行了探究。

         

        一、深井鉆井提速技術措施

        1、螺桿增壓鉆井技術


        螺桿增壓是緩解深井鉆井增壓難、鉆壓低問題的重要技術,是合理應用螺桿鉆具和柱塞泵的輔助作業。具體應用中,在井下鉆具最上部安裝螺桿鉆具,實現增壓器與轉換接頭有效聯通,確保鉆井中井下鉆具有穩定的壓力供應。

        配套應用動力換向裝置,可為井下增壓設備提供動力,并根據鉆井需要提供額外動作,輔助柱塞泵完成比較復雜的井下動作。該技術在硬度較大地層切割鉆進中優勢明顯,可借助井下增壓器實現有效的壓力控制。該技術對地層巖性要求較高,大硬度地層鉆速快,但鉆遇軟地層后反而會影響鉆井速度。


        2、減震增壓鉆井技術

        該技術主要是通過鉆頭在井筒內橫向和縱向震動的有效控制,使鉆頭能獲取非常大的動力,使噴頭噴嘴和鉆井液內部獲取較大壓力,而鉆頭縱向的震動幅度小于橫向震動幅度,可在獲取高鉆速的同時有效保護鉆頭。

        鉆頭在鉆進中縱向震動會引起連接軸震動,進而使柱塞產生一定的運動,而外筒設備保持靜止,確保井下鉆具在活動狀態下不會產生負壓問題。技術應用中的難點就是鉆頭的縱向振動幅度很難控制,不適合在水平井中應用。


        3、射流增壓鉆井技術

        該技術能對井底流場進行改善、加強井筒清洗、增強水力輔助破巖效果。其原理是借助速度較快的射流營造井底瞬時欠平衡狀態,通過減小壓持效應提升破巖效果, 還能有效清除井底巖屑。

        主要有兩種:負壓脈沖射流,主要設備是射流增壓鉆裝置,如內閥、節流元器件等,可對鉆井液進行中斷或節流,從而分割零部件兩側的壓力,因射流元器件等存在,通過該元器件開關,在該部位會出現較大幅度地壓降,實現鉆井液瞬時中斷,使鉆井液分別向增壓裝置兩個活塞上部流動,推動活塞下行,產生脈動性井底負壓差,鉆井液在井下高壓下形成高速液體射流,有效降低巖層的破碎強度,明顯降低巖屑的壓持效應, 輔助鉆具提速;水力脈沖空氣射流,在井下鉆具中配套內置葉輪,借助其旋轉改變流道面積,產生脈沖性擾動, 而井筒內形成的自激振蕩腔室會放大脈沖信號,在出口部位產生強大的射流,對井底進行有效地沖刷。


        4、輕泥漿提速技術

        鉆井液對鉆井提速的作用至關重要,應用低固相含量、低密度及具備良好耐溫性、強封堵能力的輕泥漿體系。如應用較多的氯化鉀聚合物輕泥漿體系,與深層巖石相遇后會有效封堵巖層裂縫,降低自由水進入巖層概率, 提升鉆井液的封堵性和抑制性,可通過低密度鉆井液的應用達到提升鉆速、減小壓持的目的。


        5、虛擬強度指數比能優化鉆井技術

        以機械比能理論為基礎,國外研發了虛擬強度指數的鉆井優化技術,是在隨鉆監測設備和技術進步的基礎上應用的。
        在具體應用中,將地面的錄井儀器等設備與井下的隨鉆測量儀器和軟件系統進行連接,將井下實時監測和收集的鉆井參數,采集到數據后進行分析,實現其與巖石力學性能的轉換,將鉆頭輸出功調整為一個綜合參數(虛擬強度指數),利用該指數對破巖效率進行描述,可實現井下鉆井參數的實時調整,確保鉆頭始終處于最佳的破巖狀態,有效提升了機械鉆速。
        在最佳破巖狀態下,虛擬強度指數近似于巖石的真實強度指數(TSI),而未利用該技術進行鉆井參數的優化,鉆井強度將高于真實的破巖強度,杜絕了壓力浪費、加大鉆具磨損等問題。

        可通過待鉆井的鄰井鉆井和測井參數進行反演計算,得出該井巖層的真實強度,也可以直接以最低的虛擬強度指數進行估計。該技術配合螺桿復合鉆進,可獲取較好的鉆井提速效果。


        6、復合鉆井技術   

        復合鉆井技術是通過轉盤與井下動力鉆具的共同驅動,實現鉆井提速的目的。技術應用基礎是優選鉆頭, 根據地層合理選擇是應用牙輪鉆頭還是 PDC 鉆頭,在選好鉆具的基礎上,可以根據地層特性,通過多種鉆具的優化組合達到鉆井提速的效果。

         

        比如,高溫直螺桿和 PDC 鉆頭組合復合鉆井技術,可適應井下120℃以上的高溫環境,在常規復合鉆具基礎上延長螺桿的使用時間。

         

        渦輪鉆具和金剛石鉆頭復合鉆井技術,可借助鉆井液對渦輪葉片進行驅動,帶動鉆頭實現高速轉動,達到破巖的目的,在排量達到一定程度后,輸出的扭矩和轉速可以相互轉化,具體可根據巖層實際選擇渦輪鉆具的速度,分為高轉速和低轉速渦輪鉆具。

         

        旋沖工具復合鉆井技術,主要是增加了液力錘和馬達總成,可實現沖擊破巖和旋轉破巖相結合的作業效果,鉆進中會使巖層受到高頻次的沖擊, 鉆頭與巖石接觸部位的應力較為集中,巖層內部還會因外部震蕩而在內部產生被迫震蕩,使巖層產生疲勞破壞, 加大了巖層的脆性破碎。

         

        同時,在連續不斷沖擊下,井底巖層表面會形成一系列的裂縫,能獲取更好地旋轉剪切破巖效果,但要注意該技術在塑性地層中不太適用。

         

        二、結論

        綜上所述,針對深井鉆井中存在的技術的應用難點和提速難點,結合深井鉆井技術的應用情況,有針對性地改進和提升應用技術,有利于實現深井鉆井提速的目的,更好地保障油田企業發展。

        [責任編輯:dc]

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