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深井钻井提速技术:螺杆、减震、射流、清泥浆等

发布时间:2020年12月15日
来源:油媒方公众号(2020-12-14) 作者:翁行芳

摘要:本文立足深井钻井技术现状,研究了技术应用中存在的设备相对落后、易出现井斜和井漏等问题,以及钻井提速中存在的地层状况复杂、恒温较高、钻头难加压等技术难点,对井下螺杆增压、减震增压、射流增压、轻泥浆提速、虚拟强度指数比能优化、复合钻井等钻井提速技术措施进行了探究。

 

一、深井钻井提速技术措施

1、螺杆增压钻井技术


螺杆增压是缓解深井钻井增压难、钻压低问题的重要技术,是合理应用螺杆钻具和柱塞泵的辅助作业。具体应用中,在井下钻具最上部安装螺杆钻具,实现增压器与转换接头有效联通,确保钻井中井下钻具有稳定的压力供应。

配套应用动力换向装置,可为井下增压设备提供动力,并根据钻井需要提供额外动作,辅助柱塞泵完成比较复杂的井下动作。该技术在硬度较大地层切割钻进中优势明显,可借助井下增压器实现有效的压力控制。该技术对地层岩性要求较高,大硬度地层钻速快,但钻遇软地层后反而会影响钻井速度。


2、减震增压钻井技术

该技术主要是通过钻头在井筒内横向和纵向震动的有效控制,使钻头能获取非常大的动力,使喷头喷嘴和钻井液内部获取较大压力,而钻头纵向的震动幅度小于横向震动幅度,可在获取高钻速的同时有效保护钻头。

钻头在钻进中纵向震动会引起连接轴震动,进而使柱塞产生一定的运动,而外筒设备保持静止,确保井下钻具在活动状态下不会产生负压问题。技术应用中的难点就是钻头的纵向振动幅度很难控制,不适合在水平井中应用。


3、射流增压钻井技术

该技术能对井底流场进行改善、加强井筒清洗、增强水力辅助破岩效果。其原理是借助速度较快的射流营造井底瞬时欠平衡状态,通过减小压持效应提升破岩效果, 还能有效清除井底岩屑。

主要有两种:负压脉冲射流,主要设备是射流增压钻装置,如内阀、节流元器件等,可对钻井液进行中断或节流,从而分割零部件两侧的压力,因射流元器件等存在,通过该元器件开关,在该部位会出现较大幅度地压降,实现钻井液瞬时中断,使钻井液分别向增压装置两个活塞上部流动,推动活塞下行,产生脉动性井底负压差,钻井液在井下高压下形成高速液体射流,有效降低岩层的破碎强度,明显降低岩屑的压持效应, 辅助钻具提速;水力脉冲空气射流,在井下钻具中配套内置叶轮,借助其旋转改变流道面积,产生脉冲性扰动, 而井筒内形成的自激振荡腔室会放大脉冲信号,在出口部位产生强大的射流,对井底进行有效地冲刷。


4、轻泥浆提速技术

钻井液对钻井提速的作用至关重要,应用低固相含量、低密度及具备良好耐温性、强封堵能力的轻泥浆体系。如应用较多的氯化钾聚合物轻泥浆体系,与深层岩石相遇后会有效封堵岩层裂缝,降低自由水进入岩层概率, 提升钻井液的封堵性和抑制性,可通过低密度钻井液的应用达到提升钻速、减小压持的目的。


5、虚拟强度指数比能优化钻井技术

以机械比能理论为基础,国外研发了虚拟强度指数的钻井优化技术,是在随钻监测设备和技术进步的基础上应用的。
在具体应用中,将地面的录井仪器等设备与井下的随钻测量仪器和软件系统进行连接,将井下实时监测和收集的钻井参数,采集到数据后进行分析,实现其与岩石力学性能的转换,将钻头输出功调整为一个综合参数(虚拟强度指数),利用该指数对破岩效率进行描述,可实现井下钻井参数的实时调整,确保钻头始终处于最佳的破岩状态,有效提升了机械钻速。
在最佳破岩状态下,虚拟强度指数近似于岩石的真实强度指数(TSI),而未利用该技术进行钻井参数的优化,钻井强度将高于真实的破岩强度,杜绝了压力浪费、加大钻具磨损等问题。

可通过待钻井的邻井钻井和测井参数进行反演计算,得出该井岩层的真实强度,也可以直接以最低的虚拟强度指数进行估计。该技术配合螺杆复合钻进,可获取较好的钻井提速效果。


6、复合钻井技术   

复合钻井技术是通过转盘与井下动力钻具的共同驱动,实现钻井提速的目的。技术应用基础是优选钻头, 根据地层合理选择是应用牙轮钻头还是 PDC 钻头,在选好钻具的基础上,可以根据地层特性,通过多种钻具的优化组合达到钻井提速的效果。

 

比如,高温直螺杆和 PDC 钻头组合复合钻井技术,可适应井下120℃以上的高温环境,在常规复合钻具基础上延长螺杆的使用时间。

 

涡轮钻具和金刚石钻头复合钻井技术,可借助钻井液对涡轮叶片进行驱动,带动钻头实现高速转动,达到破岩的目的,在排量达到一定程度后,输出的扭矩和转速可以相互转化,具体可根据岩层实际选择涡轮钻具的速度,分为高转速和低转速涡轮钻具。

 

旋冲工具复合钻井技术,主要是增加了液力锤和马达总成,可实现冲击破岩和旋转破岩相结合的作业效果,钻进中会使岩层受到高频次的冲击, 钻头与岩石接触部位的应力较为集中,岩层内部还会因外部震荡而在内部产生被迫震荡,使岩层产生疲劳破坏, 加大了岩层的脆性破碎。

 

同时,在连续不断冲击下,井底岩层表面会形成一系列的裂缝,能获取更好地旋转剪切破岩效果,但要注意该技术在塑性地层中不太适用。

 

二、结论

综上所述,针对深井钻井中存在的技术的应用难点和提速难点,结合深井钻井技术的应用情况,有针对性地改进和提升应用技术,有利于实现深井钻井提速的目的,更好地保障油田企业发展。

[责任编辑:dc]

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