程鋒瑞 楊永印 范紅明 李佳 英飛(中國(guó)石油大學(xué)（華東） 山東 東營(yíng) 257061)

引言

最近二十年左右，伴隨著越來(lái)越多的深井、超深井的出現(xiàn)，不斷更新的高強(qiáng)度的鉆井設(shè)備的出現(xiàn)，為了提高鉆井速度，減少鉆井成本，負(fù)壓脈沖射流鉆井技術(shù)又成為了新的研究熱點(diǎn)[1,2]。目前，主要是由于負(fù)壓脈沖射流噴嘴材料的性能滿足不了鉆井的工藝要求，所以負(fù)壓脈沖射流鉆井技術(shù)在國(guó)內(nèi)仍然還是處在發(fā)展的階段。

一、負(fù)壓脈沖鉆井技術(shù)

負(fù)壓脈沖射流鉆井技術(shù)的原理是在鉆頭和鉆鋌之間連接一個(gè)短節(jié)——負(fù)壓脈沖調(diào)制器，將連續(xù)流動(dòng)的鉆井液調(diào)制成脈沖式流動(dòng)的鉆井液，這種脈沖式的鉆井液流動(dòng)到鉆頭噴嘴，再通過(guò)噴嘴流動(dòng)到井底，脈沖式的鉆井液的壓力低于井底周圍的壓力，這時(shí)在井底的周圍的就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)的負(fù)壓。

二、負(fù)壓脈沖技術(shù)提高鉆速機(jī)理

壓持效應(yīng)會(huì)造成已經(jīng)的破碎的巖屑經(jīng)行重復(fù)破碎，這樣就影響了鉆井的速度。鮑格因[3]等人通過(guò)對(duì)以往的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理后指出，壓差與鉆速的關(guān)系在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上可以用直線表示，其關(guān)系式為：

式中Vpc為實(shí)際鉆速，m/h；Vpc0為零鉆壓時(shí)的鉆速，m/h；ΔP為井內(nèi)液柱壓力與地層孔隙壓力之差，MPa；β為與巖石性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。

從下面兩個(gè)方面可以分析出為什么使井底的壓差降低或使井底出現(xiàn)負(fù)壓差

能夠提高鉆井的速度：減輕或消除井底已破碎巖屑的壓持效應(yīng)。降低井底壓差時(shí)，會(huì)使井底巖石的圍壓降低，從而降低了井底巖石的塑性，降低井底巖石的破碎強(qiáng)度，因此提高了巖石的破碎效率，提高了鉆井速度。

三、分流式負(fù)壓脈沖調(diào)制器的設(shè)計(jì)及其工作原理

1.分流式負(fù)壓脈沖調(diào)制器的設(shè)計(jì)

由于分流式負(fù)壓脈沖調(diào)制器是放在鉆頭和鉆鋌之間的一個(gè)小短接，為了便于同時(shí)與鉆頭和鉆鋌連接，我們?cè)O(shè)計(jì)的尺寸要滿足鉆頭和鉆鋌的配合需要，我們以八寸半鉆頭為例設(shè)計(jì)分流式負(fù)壓脈沖調(diào)制器，利用參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件Proe5.0設(shè)計(jì)出的三維裝配圖如下圖2所示：

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用情況，一般與八寸半鉆頭相配合6 1/4英寸的鉆鋌，這種鉆鋌的外徑是158.8mm，內(nèi)徑71.4mm，長(zhǎng)度9.15或9.45米。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工需要以及鉆井的安全性我們?cè)O(shè)計(jì)的尺寸必須盡量小一點(diǎn)。我們通過(guò)AutoCAD二維制圖軟件設(shè)計(jì)出的分流式負(fù)壓脈沖調(diào)制器的二維裝配圖，如上圖（圖3）所示：

2.分流式負(fù)壓脈沖調(diào)制器的工作原理

首先鉆井液會(huì)進(jìn)入分流式負(fù)壓脈沖調(diào)制器的腔體中。由于最初設(shè)計(jì)的負(fù)壓脈沖調(diào)制器的擺閥是偏心的，所以我們?cè)谘b配之后，擺閥下部的左端是貼在腔體的內(nèi)壁上如上圖（圖3）所示，當(dāng)鉆井液從鉆鋌上流下來(lái)的時(shí)候，鉆井液會(huì)沖擊擺閥，給擺閥一個(gè)沖量，于是擺閥就會(huì)向負(fù)壓脈沖調(diào)制器的腔體的右側(cè)擺動(dòng)，一直到擺動(dòng)到擺閥右側(cè)貼近負(fù)壓脈沖調(diào)制器腔體的右側(cè)時(shí)，此時(shí)，擺閥就會(huì)阻斷腔體右側(cè)的鉆井液的流動(dòng)，使右側(cè)上方的鉆井液的壓力變大，在此壓力下，又會(huì)使擺閥向腔體的左側(cè)開(kāi)始擺動(dòng)，使擺閥的左側(cè)貼到腔體的左側(cè)，又回到最初的狀態(tài)，這樣周而復(fù)始。這種井底壓力的差別也會(huì)更有利于清除井底巖屑。當(dāng)擺閥在分流式負(fù)壓脈沖調(diào)制器的腔體內(nèi)不斷地?cái)[動(dòng)的時(shí)候，就會(huì)不斷地阻止鉆井液的流動(dòng)，因而引起鉆頭噴嘴的壓力波動(dòng)，這樣就會(huì)使井底兩側(cè)分別間斷地產(chǎn)生負(fù)壓，從而提高鉆井速度。分流式負(fù)壓脈沖調(diào)制器的腔體下部還設(shè)計(jì)了一個(gè)隔板，它的作用是防止腔體內(nèi)高壓鉆井液和低壓鉆井液的混合。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，分流式負(fù)壓脈沖調(diào)制器能在井底產(chǎn)生一個(gè)高壓區(qū)，一個(gè)負(fù)壓區(qū)，這樣可以及時(shí)的清除井底的巖屑，減少“壓持效應(yīng)”，大幅度的提高機(jī)械鉆速，尤其是在深井、超深井的應(yīng)用效果更佳明顯，可以大幅度的節(jié)省鉆井的費(fèi)用，達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]楊永印，沈忠厚，王瑞和.低壓脈沖射流井底欠平衡鉆井提高鉆速機(jī)理分析[J].石油鉆探技術(shù)，2002，30（5）：15-16.

[2]張勇.負(fù)壓脈沖射流流道設(shè)計(jì)及破巖特點(diǎn)研究 [D].東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)（華東）碩士學(xué)位論文，2004 12～16.