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        液動沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)在石油鉆井中的應(yīng)用

        2022-04-08 11:24:54
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2022年2期

        王 東

        (中原石油工程有限公司鉆井三公司,河南 濮陽 457001)

        0 引言

        在開發(fā)油田進(jìn)行鉆探工作時受到地質(zhì)影響極易出現(xiàn)地層較硬的問題,傳統(tǒng)鉆井技術(shù)大部分都是利用牙輪狀鉆頭將其與PDC鉆頭相互配合,來進(jìn)行油田旋轉(zhuǎn)鉆井工作。這種鉆井技術(shù)在碰到較硬的地層時,需要的鉆井時間較長、成本較高,對鉆頭使用年限會產(chǎn)生影響。而液動沖擊旋轉(zhuǎn)的油田鉆井技術(shù)可讓硬質(zhì)層難以鉆井的問題得到有效解決,遇到較硬的巖層時,這一技術(shù)可利用自身沖擊優(yōu)勢提高油田鉆井成效,降低和維護(hù)油田鉆井以及石油企業(yè)投入成本。因此,需要在建設(shè)和開發(fā)油田過程中,對這一鉆井技術(shù)進(jìn)行推廣,有效提高硬質(zhì)巖層鉆井效果。

        1 液動沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井中沖擊器工作原理和種類

        1.1 沖擊器工作機(jī)理

        沖擊旋轉(zhuǎn)油田鉆井技術(shù)使用的機(jī)器主要就是沖擊器,在普通油田鉆井工程中對沖擊器功能、壓力進(jìn)行額外增加,并增設(shè)在油田井底上端或者油田巖心管上端,利用油田井底內(nèi)部高壓氣體以及鉆井液在推動時所產(chǎn)生的運(yùn)動,來讓沖擊器撞擊鉆頭,,利用兩者撞擊時產(chǎn)生的沖擊力和靜壓實(shí)現(xiàn)鉆井目的,由圖1可發(fā)現(xiàn),短期內(nèi)的沖擊力會出現(xiàn)較大幅度的變動,沖擊力可能在幾微秒內(nèi)由原有的零上升至到幾十千牛。且經(jīng)過實(shí)踐表明沖擊器實(shí)際外載作用速度對巖石具有的力學(xué)性質(zhì)有著較大影響。

        圖1 沖擊力變化情況圖

        1.2 YSC-178型液動射流沖擊器

        YSC-178液動沖擊器由控制、動力系統(tǒng)以及功率傳達(dá)系統(tǒng)等組成,運(yùn)動零件主要有沖錘與活塞,在運(yùn)行時活塞和沖錘會在下垂過程中產(chǎn)生功能,提高單次沖擊力,因?yàn)槠鋵儆诙嗤ǖ肋\(yùn)行,沖擊器并不會出現(xiàn)憋泵問題以及閥門關(guān)閉或者打開問題,產(chǎn)生的能量較多,壓力相對較高,不會受到圍壓、鉆井液這類因素影響。實(shí)際運(yùn)行中,會由鉆井泵輸出鉆井液,之后鉆井液經(jīng)過設(shè)備中射流的噴嘴從而產(chǎn)生附壁效果,如果附壁在右側(cè),則會經(jīng)過右輸出道輸出,并進(jìn)入沖擊器上腔內(nèi),幫助活塞、沖錘沖擊砧子。在右輸出道輸出鉆井液時,會為放空孔提供信號,在活塞最末端讓射流切換到左側(cè)附壁中,之后利用左側(cè)輸出道輸出鉆井液,反饋信號會迅速回到左側(cè)輸出道中,將主射流有效切換到?jīng)_擊器右側(cè),以此來進(jìn)行重復(fù)往返,從而實(shí)現(xiàn)快速沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井目的。

        圖2 YSC-178液動射流鉆井設(shè)備結(jié)構(gòu)

        該試驗(yàn)工程中YSC-178液動沖擊器基本參數(shù)設(shè)置如下:外徑180 mm,適用鉆井徑為215.9mm~241.3mm,工作壓降為1mPa~3mPa,沖擊功在100J~400J,鉆井液排放量為20L/s~35L/s,鉆頭為HJT637GL。

        2 液動沖擊旋轉(zhuǎn)石油鉆井技術(shù)

        2.1 實(shí)際應(yīng)用

        該試驗(yàn)所采用的油井屬于一口預(yù)探井,井內(nèi)含有大量CO,壓力較高,鉆井深度在3800 m左右,油井內(nèi)不可控指標(biāo)較多,鉆井中極易出現(xiàn)與預(yù)計(jì)有差異的情況,土層主要以細(xì)砂巖居多,地層并不穩(wěn)定,軟硬交錯,地層實(shí)際抗壓強(qiáng)度為158 mPa左右,井壁存在坍塌程度較高、穩(wěn)定性差特征,可鉆性不高。選擇的液動旋轉(zhuǎn)射流沖擊器類型為YSC-178,鉆桿直徑則為127 mm,破碎砂巖時使用的攻擊功為125J~400J。鉆井井段在3548.72m左右時,鉆井參數(shù)如下:鉆壓180kN ,排量為27 L/s,進(jìn)尺10.4 m,鉆井時間12.8 h。鉆井井段在3576m~3582m時,鉆壓180 kN,排量則為29 L/s,YSC-178 液動射流鉆井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1。

        表1 YSC-178 液動射流鉆井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

        在使用YSC-178型射流沖擊器進(jìn)行鉆井時,由表中數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)鉆速在持續(xù)上升,處于正常液動沖擊器使用范圍內(nèi),排量參數(shù)變化情況也處于正常范圍內(nèi)。井深大于3598m,鉆壓呈現(xiàn)明顯下降趨勢,不過鉆壓雖然減少,但是對沖擊器井斜以及鉆柱彎曲程度帶來一定作用力,但是實(shí)際影響并不高,這也因?yàn)樵趯?shí)際試驗(yàn)中,使用的220mm的射流沖擊器,鉆具有較為優(yōu)異柔性。

        2.2 應(yīng)用優(yōu)勢

        因?yàn)闄C(jī)械設(shè)備中有一個沖擊力較大的沖擊器,沖擊設(shè)備在工作時通過充氣可充分擊碎硬質(zhì)巖石,針對井底中不規(guī)則、不均勻的巖石,設(shè)備能夠利用向下作用力,在巖石受到作用力而出現(xiàn)松動之后對其進(jìn)行壓制,避免出現(xiàn)破壞,并進(jìn)一步增加力度,從而達(dá)到擊碎硬質(zhì)巖石的目的。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn),YSC-178鉆井效果較為優(yōu)異,能夠一直保持在穩(wěn)定狀態(tài)下,這是因?yàn)樵趽羲閹r石之后,旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備會逐漸將自身作用力縮小,并在這一狀態(tài)中發(fā)揮出兩側(cè)剪切體作用,修正、改善設(shè)備機(jī)械鉆頭周圍已經(jīng)被擊碎的各種巖石,排除和丟棄一些無用處巖石,以此來保證巖石和鉆井質(zhì)量。把開采之后的巖石規(guī)范存儲,可構(gòu)建一個巖石破碎坑。運(yùn)用液動沖擊旋轉(zhuǎn)技術(shù),在鉆頭中凝聚沖擊機(jī)械設(shè)備全部作用力,作用到擊碎巖石坑中可形成一股較大的沖擊力度,徹底擊碎坑洞中巖石,降低開采難度,提高石油鉆井工作成效。

        液動沖擊旋轉(zhuǎn)技術(shù)的優(yōu)勢主要為沖擊力較強(qiáng),可將不同大小巖石擊碎,維護(hù)鉆井作業(yè)以及后續(xù)石油開采作業(yè)。傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)在針對油田進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)時,作用力發(fā)揮效果差,只能將一些硬度低、較小巖石擊碎,對規(guī)模大、不規(guī)則巖石塊其難以發(fā)揮作用,這一狀況會造成石油鉆井與開采工作力度降低,不能為石油企業(yè)提供充足的生產(chǎn)價(jià)值、資源。而液動沖擊旋轉(zhuǎn)技術(shù)和沖擊設(shè)備內(nèi)部含有專業(yè)沖擊器,這一沖擊器可為鉆進(jìn)和擊碎巖石提供沖擊力,在鉆井中如果遇到堅(jiān)硬不均勻巖石層,其可利用較大的沖擊力把壓力傳送給巖石,當(dāng)巖石坍塌時,傳統(tǒng)石油鉆井設(shè)備極易出現(xiàn)損壞情況,而液動沖擊旋轉(zhuǎn)設(shè)備在設(shè)計(jì)初期,就擁有良好負(fù)載能力,可承受一定程度巖石沖擊與破壞,降低巖石影響。

        在壓力計(jì)算方面,這一技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)有所不同,其在觸碰巖石之前會有效提高實(shí)際沖擊效果,讓沖擊設(shè)備運(yùn)行中重力損失情況得到彌補(bǔ),同時也使實(shí)際巖石沖擊效果降低,讓沖擊力度可以一直保持在科學(xué)、合理范圍之內(nèi),避免巖石因?yàn)槌惺苓^大壓力而出現(xiàn)坍塌情況。此時,沖擊旋轉(zhuǎn)設(shè)備實(shí)際重力、壓力全部集中到?jīng)_擊鉆頭中心位置,一旦和巖石發(fā)生觸碰,即可在其承受范圍內(nèi)將其擊碎,使石油鉆井的過程更加順利。所以,在鉆井運(yùn)用中,液動沖擊旋轉(zhuǎn)技術(shù)無論是在效率,還是在質(zhì)量等各個方面大部分優(yōu)于其他鉆井技術(shù),有較強(qiáng)適應(yīng)性和荷載能力,不會受到礦井周圍環(huán)境限制,更能保證石油作業(yè)效果,適用于不同環(huán)境石油鉆井作業(yè)。

        石油勘查、鉆井和開采本就屬于難度較高工程作業(yè),會遇到眾多問題,鉆井作業(yè)難度以及復(fù)雜度較高。旋轉(zhuǎn)沖擊技術(shù)其憑借著優(yōu)勢與強(qiáng)大動力在鉆井中得到高效運(yùn)用。在運(yùn)行中YSC-178旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備的鉆頭中有強(qiáng)大動力,而且隨著鉆井時間增加,鉆頭動力也會逐漸加大,直到當(dāng)前位置巖石徹底破碎,一般不會造成較大破壞,安全性和穩(wěn)定性比其他種類技術(shù)更強(qiáng)。

        2.3 YSC-178旋轉(zhuǎn)鉆井器實(shí)際應(yīng)用中注意事項(xiàng)

        可根據(jù)油田中巖石硬度和特征來決定,針對不同巖石沖擊器參數(shù)有一定區(qū)別。一般情況下,在油田鉆井時,沖擊器參數(shù)需要設(shè)計(jì)需要超過200 J,最高則在300 J,不能超過這一數(shù)據(jù),以此來實(shí)現(xiàn)最佳、最合理液動沖擊效果,如果遇到油田地質(zhì)巖層較硬,復(fù)雜程度較高,則可適當(dāng)提升沖擊器參數(shù),但是仍舊要保證參數(shù)不超過600 J,否則就會對沖擊器鉆頭沖擊壽命造成影響。由于部分設(shè)備在設(shè)計(jì)和制作鉆頭時可能會出現(xiàn)一定缺陷問題。因此,要盡量避免沖擊設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷超出實(shí)際能夠承擔(dān)負(fù)荷,始終讓沖擊參數(shù)保持在一定范圍中,只有這樣才可提高液動旋轉(zhuǎn)沖擊作業(yè)效益。

        液動旋轉(zhuǎn)沖擊器沖擊頻率一般設(shè)定為20 Hz左右,該沖擊頻率能夠最大化提升液動旋轉(zhuǎn)沖擊器的沖擊能力,進(jìn)一步提升沖擊器沖擊效率。且在適當(dāng)頻率中鉆頭以及內(nèi)部液體壓力作用力也會更加有序。

        沖擊器設(shè)備運(yùn)行與鉆壓參數(shù)設(shè)定有一定關(guān)聯(lián)。利用專業(yè)參數(shù)可提高鉆壓效率,對旋轉(zhuǎn)沖擊器在使用時受損程度管控也有一定影響。油田鉆壓參數(shù)通??煽刂茷槠胀ㄣ@井的2/3,在維護(hù)的鉆壓機(jī)器基礎(chǔ)上合理完成鉆壓工作。

        3 石油鉆井中YSC-178液動射流沖擊技術(shù)運(yùn)用

        3.1 YSC-178液動沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井在致密堅(jiān)硬的巖層中鉆進(jìn)研究

        在針對致密堅(jiān)硬巖石進(jìn)行鉆井時,對YSC-178鉆頭損害相對較大,為提高鉆井器在堅(jiān)硬巖石中實(shí)際鉆井成效,在研究YSC-178過程中,筆者改變了沖擊器鉆頭的結(jié)構(gòu),合理搭配金剛石,在鉆井中取得較為顯著的成果,但是還存在局限性,金剛石鉆頭使用成本高、壽命較低。要想破碎巖石,需要沖擊力達(dá)到34 kN~58 kN,對鉆頭承載力要求較高,不利于提升鉆井效果。為保證鉆頭實(shí)際效果,對其進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),在實(shí)際使用YSC-178射流沖擊鉆井設(shè)備時,可將單次沖擊功力設(shè)置在5J~19J,鉆頭直徑為56mm,結(jié)合這一優(yōu)勢,將其利用到石英納巖石中后,原有金剛鉆鉆井平均時效保持在1.13 m/h,而沖擊回鉆井器平均時效則高達(dá)2.26 m/h,在一些非常堅(jiān)硬地層中其速度達(dá)到1.98m/h,而普通回旋鉆速只有0.25 m/h左右。這也因?yàn)闆_擊器在工作中除了正常的進(jìn)行沖擊之外,會針對巖石進(jìn)行研磨,并利用YSC-178型射流沖擊器產(chǎn)生沖擊波破碎巖石。

        3.2 液動回旋鉆井器在水平鉆孔中的鉆進(jìn)分析

        水平鉆孔時,大部分單位都會把鉆柱水平放置,不過這種方式會在一定程度上造成鉆柱旋轉(zhuǎn)阻力上升,鉆柱長期處于承壓的狀態(tài),對鉆柱實(shí)際使用能力與穩(wěn)定性會帶來影響。結(jié)合YSC-178型液動沖擊器中具備的穩(wěn)定性優(yōu)勢,液流工作時不會受到其他壓力影響,保持YSC-178沖擊器的沖擊錘運(yùn)動方向是垂直的,適當(dāng)調(diào)整沖擊力,合理提高加速時間,節(jié)約回程時間,保證水平錘擊效果。

        3.3 發(fā)展展望

        沖擊器等系列產(chǎn)品和類型逐漸增多且隨著使用成熟度的提高,液動旋轉(zhuǎn)沖擊技術(shù)也在朝向多元化、多樣性工藝方向發(fā)展,石油鉆井過程中沖擊器根據(jù)其直徑、性能和工作原理來解決鉆井中遇到各類問題。此外,在石油鉆井領(lǐng)域,旋轉(zhuǎn)沖擊器在3000m 這一方向上的研究逐漸深入,大單次沖擊技術(shù)處于普及階段,沖擊器在油田礦井中應(yīng)用范圍逐漸增高,對沖擊器有關(guān)的各類仿真技術(shù)研究越來越深入創(chuàng)新程度逐漸升高,沖擊器結(jié)構(gòu)與參數(shù)得到較大程度改進(jìn),可滿足石油深部勘查和開采需求。YSC-178類射流沖擊器還要改進(jìn)4個方面的內(nèi)容。1)全面分析沖擊器破巖原理,為設(shè)計(jì)與創(chuàng)新沖擊器提供數(shù)據(jù)支持,為未來沖擊器的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。2)在沖擊器設(shè)計(jì)中,構(gòu)建物理沖擊器試驗(yàn)?zāi)P?,利用試?yàn)進(jìn)行理論分析,以此來改善沖擊器沖擊參數(shù)設(shè)定和功率,提高沖擊效果。3)通過深入探究液動沖擊器原理,制定出與石油施工標(biāo)準(zhǔn)相符合的沖擊器施工工藝。4)加大沖擊器性能和材料研究力度,努力延長沖擊器使用壽命,加快鉆速。

        4 結(jié)語

        綜上所述,石油這一資源對我國發(fā)展和改善人們生活質(zhì)量有極大價(jià)值,但是石油屬于不可再生、非常有限的資源,大部分石油資源所處的地質(zhì)巖層都較硬,很難落實(shí)石油開采項(xiàng)目,所以我國石油開采見效慢,開采率低。在開采和鉆井過程中,地質(zhì)層經(jīng)常會出現(xiàn)不規(guī)則、軟硬交替的情況,對鉆井與開采進(jìn)程都有一定影響,需要推廣和運(yùn)用液動旋轉(zhuǎn)沖擊技術(shù)來進(jìn)行石油鉆井作業(yè),利用水力或者高壓油來形成沖擊力沖擊巖層,讓巖層可以順利破損。目前,旋轉(zhuǎn)沖擊技術(shù)已經(jīng)基本上可以滿足鉆井需求,隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和時間推移,石油鉆井工程對鉆井成效要求也會提高,為保證液動沖擊技術(shù)能夠持續(xù)發(fā)展,需要進(jìn)行深入研究、改進(jìn)和創(chuàng)新。

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