浅议井下增压钻井提速技术

0 引言

当前, 石油消耗量日益增大与石油资源急剧减少、油气勘探开发难度加大之间的矛盾日渐凸显, 我国当前已探明储量的石油资源主要集中于新疆、川东北、塔里木盆地、松辽深层等区域, 石油资源埋藏较深且地层坚硬, 钻进难度较大, 这迫切要求高效钻井方法的出现。我国近些年的石油勘探开发正在向纵深部地层发展, 深井与超深井不断增多, 但是钻井速度缓慢、钻井成本高、耗费时间长等问题普遍存在, 据统计, 当前钻井成本约占油田勘探开发总成本的一半及以上。结合国内外钻井增压技术的开发与应用不难发现, 井下增压钻井提速新装置、新技术的应用可以有效解决上述深井坚硬地层中钻井所面临的难题。

二十世纪六十年代开始, 高压水射流技术得到迅猛发展与广泛应用, 成果显著, 此后该技术逐渐运用于石油钻井领域, 经过国内外钻井工程人员的大量研究、实践与不懈努力, 探索出“水力破岩”的方法, 即在井底钻头喷嘴不断升压的过程中, 通过喷嘴处的高压水喷射实现破岩进而大大提高机械钻速。大量研究与钻井现场实践表明, 高压喷射钻井技术可以将机械钻速提升一倍以上, 且对高压喷射钻井技术的研究大致分为两大领域:一是地面增压, 该技术对钻井设备性能要求较高, 如不满足则极易出现安全事故, 故应用范围狭窄;二是井下增压, 即对井底的钻井液进行增压, 通过钻头高压喷射实现钻井提速, 此方法简便易行, 对钻井设备要求不高, 应用广泛[1]。基于此, 笔者对几种新型的井下增压技术进行探讨。

1 井下增压钻井提速技术

(1) 井下螺杆增压钻井技术该技术基于成熟的螺杆钻具、螺杆马达与柱塞泵运行原理而产生, 井下螺杆增压装置外形同于普通钻铤, 螺杆钻具位于上部, 是井下增压装置的主要动力源泉, 连接增压器的转换接头位于下部, 螺杆钻具的转子通过转换接头与增压器内部动力部分紧密连接, 增压装置总长度约为10m。螺杆钻具转动时, 将3%~5%的钻井液逐渐注入柱塞泵, 并通过该泵施加压力, 在高压作用下钻井液经高压流道流向喷嘴而喷出, 这一高压喷射过程可以有效辅助钻头实现破岩[2]。该技术所用井下增压器工作效率高、性能稳定, 压力易受控、结构简单, 当前该技术已经在国内许多油田得到应用, 有效保证机械钻速提升50%~一倍以上, 提速效果显著。

钻井液在井下增压装置的作用下被分为两部分:一是常压钻井液, 其主要通过螺杆马达流向增压泵环空, 而后流经特殊流道并最终到达钻头水眼位置, 以发挥携岩、清洗井底等作用;二是经过滤后的钻井液, 其流经螺杆马达、螺旋转向机构, 最终到达特殊流道经过滤后流入井下柱塞泵, 并通过泵内阀芯和阀座的不断“打开→闭合”运动不断得到加压, 到达一定压力后经高压喷嘴喷出。

(2) 井下减震增压钻井技术井底钻头在钻进过程中会发生横向和纵向振动, 人们正是利用井底钻头的纵向振动原理研发出井下减震增压钻井技术与装置, 钻头纵向运动可以转化为增压装置运动的动力, 在无其余动力带动下实现对钻井液的逐渐加压, 并最终通过钻头喷嘴完成高压喷射。该技术利用钻头钻进工作过程中纵向运动所产生的动力带动连接轴与柱塞做工运动, 在柱塞筒静止不动的情况下使柱塞上下运动, 增压器内部出现一定的负压, 在此压力作用下部分钻井液进入增压气缸内, 并在柱塞运动过程中实现钻井液的加压, 该钻井液流经特质的超高压流道到达喷嘴处, 形成高压喷射, 实现辅助破岩。该技术在胜利油田试验后提速效果显著, 且能同时发挥减震作用, 适用于坚硬地层钻井作业, 但是利用钻头纵向振动而形成的钻井液高压喷射压力不稳定, 在水平井和定向井破岩中极为不适用。

(3) 井下射流增压钻井技术该技术主要利用射流节流原理, 通过射流方向的不断变化, 以此来带动上下两级增压装置做功, 并借助节流元件实现钻井液节流降压及增压装置的循环往复, 完成高压射流, 并对钻头破岩起到辅助作用。在对增压装置进行升压时, 射流原件将产生节流压降, 并通过事先设置的流道与增压装置活塞的上下接头相连, 在压力影响下, 增压缸开始运动并随之带动活塞, 向钻井液施加压力, 产生高压射流。随着压力的下降, 增压装置中压力流道逐渐关闭, 钻井液经过射流原件后流入增压缸, 并推动活塞移动, 最终复位。井下射流增压钻井技术已经在吐哈油田试验成功, 该技术可以实现机械钻速提速至少30%, 且充分利用钻井液自身能量的转换[3], 并借助射流原理将其转换成在增压泵内的高压流体, 效率高且增压过程稳定可靠。

2 结语

井下增压钻井提速技术的应用是当前降低石油钻井成本, 提升钻井质量和经济效益的有效途径, 借助井下增压钻井技术在井底钻头位置利用高压喷射以提升钻头机械钻速是切实可行的。文章对井下螺杆增压技术、减震增压钻井技术及射流增压技术等加以研究, 其运用于石油勘探开发井下增压提速方面成效显著, 当前亟待解决的问题是增压装置的系统化与标准化, 以及增压装置的普及与推广, 这对于石油钻井速度的飞跃式提升和行业经济效益社会效益的发挥意义重大。

摘要：我国石油勘探开发正在向深井坚硬地层和复杂地层迈进, 一直困扰石油人的钻井速度慢、成本高等难题亟待解决, 实践证明, 利用在井底钻头喷嘴处产生高压射流以辅助破岩的技术方式可以有效提升钻进速度和钻井液的利用效率。基于此, 笔者对井下螺杆增压技术、井下减震增压技术和井下射流增压技术的原理、流程、特点及适用性等加以探讨, 为石油钻井速度的提升和成本的降低提供理论依据。

关键词：井下增压,高压喷射,提速

参考文献

[1] 燕爱文, 宗凯.井下增压提速装置研究[J].中国石油和化工标准与质量.2012, 32 (5) :177.

[2] 刘林刚.探析井下增压钻井的提速技术[J].工业.2016, (9) :265.

[3] 高书鹏.井下增压钻井技术研究新进展[J].科技致富向导.2012, (8) :280.